Holzzellen als „Muskelersatz“ - scinexx | Das Wissensmagazin
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Holzzellen als „Muskelersatz“

Auf der Suche nach Erfindungen der Natur

Baum im Emirgan Park, Istanbul © Nevit Dilmen/ GNU FDL

Bäume haben keine Muskeln, wenigstens keine aus Fleisch und Blut. Und doch: Sie stemmen die eigene Last und wachsen dem Himmel entgegen. „Wenn sich ein Zweig zum Ast entwickelt, wachsen Holzzellen, die Muskeln ähneln, um das zunehmende Gewicht zu tragen“, sagt Peter Fratzl, Leiter der Abteilung Biomaterialien des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm bei Potsdam. Die Holzmuskeln biegen den Stamm einer Fichte, die auf einem Berghang wächst, senkrecht nach oben. „Wir verstehen jetzt, wie die Bäume das machen“, sagt der Physiker.

Steilvorlagen für Techniker

Mit diesem Wissen haben die Forscher einen künstlichen Muskel entwickelt, den eine Änderung der Luftfeuchtigkeit in Bewegung setzt. Die Entdeckung war kein Zufall: Die Wissenschaftler aus Golm suchen systematisch nach Erfindungen der Natur – Steilvorlagen, die Techniker in neue Antriebe, mikroskopisch kleine Ventile oder leichte und trotzdem robuste Werkstoffe verwandeln können. Für ihre Suche fahren die Wissenschaftler ein Arsenal von Laborgeräten und mathematischen Rechenmethoden auf; denn die Natur lässt sich nicht leicht in die Karten schauen.

X-Chromosom des Menschen © MMCD

Fratzl erklärt, warum die Erfindungen der Natur so schwer zu kopieren sind: Dafür seien Organismen viel zu komplex aufgebaut. Beispiel Roboter: „Ihr Gang war früher zackig und wirkte unbeholfen“, sagt Fratzl. „Starre Schenkel und Gelenke reichen nicht aus, um den geschmeidigen Gang des Menschen nachzuempfinden.“ Dieser werde erst durch das ausgefeilte Zusammenspiel von steifen Knochen sowie elastischen Muskeln und Sehnen möglich. „Techniker mussten erst verstehen, welche Rolle die unterschiedlichen Komponenten des Bewegungsapparates spielen, bevor sie einen Roboter bauen konnten, der geht wie ein Mensch.“

Knochen, Muskeln und Äste als Multitalente

Bloßes Kopieren ist noch aus einem anderen Grund selten möglich. „Die Natur bietet aus der Sicht des Ingenieurs nicht immer die beste Lösung“, sagt Fratzl. Zum Beispiel könnte ein Ingenieur auf die Idee kommen, einen Knochen nachzubauen, um ein robustes und gleichzeitig leichtes Material zu gewinnen. Knochen sind aber nicht nur Stützpfeiler für den Körper, sondern dienen gleichzeitig als Ionenspeicher des Körpers und beherbergen das Knochenmark.

Linde von Linn, Schweiz. © Stefan Wernli/ Creative Commons 2.5

„Ein und dasselbe biologische Gewebe kann viele Funktionen haben“, sagt Fratzl. Knochen, Muskeln oder Äste sind Multitalente; die Antwort auf eine Unmenge von Problemen, die während der Evolution auf den Organismus einstürmten. „Welchen Umweltbedingungen sich ein Gewebe während seiner Entwicklung anpassen musste, wissen wir nicht“, sagt Fratzl. Der niederländische Bioingenieur Rik Huiskes brachte dieses Problem auf den Punkt: „Wenn Knochen die Antwort sind, wie lautete die Frage?“

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Stand: 07.12.2007

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Bäume zeigen Muskeln
Die Natur als Vorbild für neue Materialien

Holzzellen als „Muskelersatz“
Auf der Suche nach Erfindungen der Natur

Wasser gibt Holzmuskeln Kraft
Funktionsprinzip der Holzzellen auf der Spur

Strampeln im Rhythmus von Tag und Nacht
Luftfeuchtigkeit als Hilfsmittel

Wie Schilfhalme im Wasser
Forscher entwickeln aktive Materialien

Strapazierfähiges Dickicht
Wie neue Faserverbundwerkstoffe Schwingungen unterdrücken sollen

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