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Mikrohaken nach Pflanzenvorbild

Klebkraut inspiriert zu neuartigen Haftstrukturen für Sensoren und Co

Blatt mit Pflaster
Mit den Mikrohaken können der Pflanze direkt am Blatt Substanzen verabreicht werden. © Istituto Italiano di Tecnologia

Forscher haben die klettenartigen Haftstrukturen des Klebkrauts zum Vorbild für neuartige Mikrohaken genommen. Ihre mittels 3D-Druck aus Harz, Isomalt und anderen Substanzen gedruckten Hakenstrukturen haften an Blattoberflächen ohne sie zu schädigen und ermöglichen vielseitige Anwendungen. Sie halten Sensoren zur Pflanzenüberwachung am Blatt, verabreichen der Pflanze Schutzmittel oder lassen sogar Miniroboter über das Blatt kriechen.

Das Klebkraut, auch Kletten-Labkraut genannt, trägt seinen Namen nicht umsonst. An seinen Früchten, Stängeln und Blättern trägt es überall kleine Borsten oder Haken, die der Pflanze dabei helfen, sich an anderen Lebewesen festzuhalten. Um Halt zu bekommen und gen Sonne zu wachsen, setzt sich das Klebkraut mit seinen borstigen Blättern fast schon parasitär auf anderen Pflanzen fest. Dieses Prinzip wollen Forscher nun zum Schutz von Pflanzen anwenden.

Im Rahmen des EU-geförderten Projektes GrowBot haben Wissenschaftler des Italienischen Instituts für Technologie eine Art Pflaster nach dem Vorbild des Klebkrauts entwickelt. Das Pflaster besitzt an seiner Unterseite Mikrohaken, die einem Klettverschluss ähneln. „Diese Mikrohaken sind sehr vielseitig und erlauben uns eine Vielzahl von Anwendungsgebieten“, erklärt Isabella Fiorello, Erstautorin der Studie.

Pflaster aus dem 3D-Drucker

Um die künstlichen Mikrohaken zu entwickeln, analysierten die Wissenschaftler erst die Struktur und die Stabilität der natürlichen Klebkraut-Haken. Dann stellten sie mithilfe eines 3D-Druckers verschiedene Varianten dieser Haftstrukturen her. Je nachdem aus welchem Material diese gedruckt werden, ergaben sich dabei unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten.

„Die Verankerung kann für die In-situ-Überwachung des Mikroklimas der Pflanze, also Temperatur, Feuchtigkeit und Licht, oder für die kontrollierte Freisetzung von Molekülen in das Gefäßsystem der Pflanze genutzt werden“, sagt Fiorello. Letzteres passiert über Mikrohaken aus Isomalt, einem Zuckeralkohol. Mithilfe dieses Stoffs können die Haken schonend in die Kutikula der Blätter eindringen und die Gefäße der Pflanze anzapfen.

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Die Forscher konnten den Pflanzen so lokal und auf direktem Weg Schutzmittel oder andere Substanzen verabreichen. Ein weiterer Vorteil: Isomalt ist biologisch abbaubar und hinterlässt keine Spuren oder Abfall.

Sensoren mit Harz-Haken

Blatt mit Gewicht
Dank der Haken hält dieses Fünf-Gramm-Gewicht problemlos an der Blattoberfläche. © Istituto Italiano di Tecnologia

Neben Isomalt nutzten die Forscher auch ein photosensitives Harz, um Mikrohaken zu drucken. Mithilfe dieser Strukturen konnten sie direkt an den Pflanzen Sensoren für Licht, Luftfeuchtigkeit und Temperatur anbringen. Die Harz-Haken sind zwar nicht direkt abbaubar, bieten aber einen starken Halt auf der Blattoberfläche, ohne diese stark zu beschädigen. „Damit eröffnen sich mehrere Anwendungsszenarien in der Präzisionsforst- und -landwirtschaft“, so die Forscher. „Diese von Pflanzen inspirierte Technologie kann unser Verständnis von Ökosystemen fördern und so ihr empfindlichen Gleichgewicht erhalten.“

Weiterführend haben die Forscher auch einen Mikroroboter entwickelt, der die Form einer aufrechten Klammer hat. Er hält sich mithilfe von Klebkraut-Haken auf der Blattoberfläche fest und bewegt sich ähnlich wie eine Raupe fort. Die Wissenschaftler sehen hier noch viel Potenzial: „Die Maschinen könnten in natürlichen Ökosystemen zum Einsatz kommen, vielleicht sogar in schwer zugänglichen Gebieten mit hoher Vegetation. Dort könnten sie Pflanzen hochklettern und zwischen ihnen verankert werden, um eine kontinuierliche mobile Fernüberwachung der Wildnis zu ermöglichen.“ (Communications Materials, 2021; doi: 10.1038/s43246-021-00208-0)

Quelle: Istituto Italiano di Tecnologia

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