3D-Druck bionischer Quallen für die Erforschung der Ozeane

Quallen können nicht viel mehr als schwimmen, stechen, essen und sich fortpflanzen. Sie haben nicht einmal ein Gehirn. Dennoch können diese einfachen Lebewesen auf eine Weise in die Tiefen der Ozeane vordringen, wie es der Mensch trotz aller Raffinesse nicht kann. Forschende der Caltech haben nun mithilfe von 3D-Druck bionische Quallen für die Erforschung der Ozeane hergestellt.

Durch die Ausrüstung dieser einfachen Meeresbewohner mit elektronischen Komponenten und einer Art “Prothesen-Hut” zur Lastenaufnahme soll ihre Schwimmfähigkeit verbessert werden, sodass die Quallen zur Datenerfassung genutzt werden können. Dadurch könnten wichtige Informationen über Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoffgehalt gesammelt werden, die alle vom sich ändernden Klima der Erde beeinflusst werden.

John Dabiri, Centennial Professor für Aeronautik und Maschinenbau, und sein Team haben dieses Konzept in der Zeitschrift “Bioinspiration & Biomimetics” vorgestellt: “Es ist allgemein bekannt, dass der Ozean für die Bestimmung unseres gegenwärtigen und zukünftigen Klimas an Land entscheidend ist, und doch wissen wir immer noch erstaunlich wenig über den Ozean, insbesondere abseits der Oberfläche”, sagt Dabiri. “Unser Ziel ist es, dies endlich zu ändern, indem wir einen unkonventionellen Ansatz wählen, der von einem der wenigen Tiere inspiriert ist, die bereits erfolgreich den gesamten Ozean erforschen.”

Die Biohybrid-Quallen, oder wie Dabiri sie nennt, “ozeanische Cyborgs”, könnten so zu kostengünstigen und effizienten Erkundern der Ozeane werden.

“Quallen sind die ursprünglichen Entdecker des Ozeans, sie erreichen die tiefsten Winkel und gedeihen genauso gut in tropischen oder polaren Gewässern”, sagt Dabiri. “Da sie weder ein Gehirn noch die Fähigkeit haben, Schmerzen zu empfinden, konnten wir mit Bioethikern zusammenarbeiten, um diese biohybride Roboteranwendung so zu entwickeln, dass sie ethisch vertretbar ist.

Simon Anuszczyk, ein Graduiertenstudent und Hauptautor der Studie, entwickelte 3D-gedruckte Vorderkörper für die Quallen, um sie stromlinienförmiger zu machen und gleichzeitig Sensoren und andere Elektronik tragen zu können. Die Forschungsgruppe testete die verbesserten Schwimmfähigkeiten der Quallen in einem speziell konstruierten vertikalen Aquarium im Guggenheim-Labor von Caltech.

“Ähnlich wie das spitze Ende eines Pfeils haben wir 3D-gedruckte Vorderkörper entworfen, um die Glocke des Quallenroboters stromlinienförmig zu gestalten, den Luftwiderstand zu verringern und die Schwimmleistung zu erhöhen”, sagt Anuszczyk. “Gleichzeitig experimentierten wir mit dem 3D-Druck, bis wir in der Lage waren, den Auftrieb sorgfältig auszugleichen und die Qualle senkrecht schwimmen zu lassen.”

Die Experimente zeigten, dass eine Qualle, ausgestattet mit dem Schwimm-Pacemaker und Vorderkörper, bis zu 4,5-mal schneller schwimmen kann als eine natürliche Qualle, während sie eine Last trägt. Die Kosten pro Biohybrid-Qualle belaufen sich auf etwa 20 Dollar, was sie zu einer attraktiven Alternative zu Forschungsschiffen macht, deren Betrieb über 50.000 Dollar pro Tag kosten kann.

“Indem wir die natürliche Fähigkeit der Quallen nutzen, dem extremen Druck in der Tiefsee zu widerstehen, und ihre Fähigkeit, sich durch Nahrung zu versorgen, ist unsere technische Herausforderung viel leichter zu bewältigen”, fügt Dabiri hinzu. “Wir müssen zwar immer noch das Sensorpaket so konstruieren, dass es demselben Druck standhält, aber das Gerät ist kleiner als ein Softball und damit viel einfacher zu konstruieren als ein komplettes U-Boot, das in diesen Tiefen operiert. Ich bin wirklich gespannt darauf, was wir lernen können, wenn wir diese Teile des Ozeans zum ersten Mal einfach nur beobachten.”

Die Forschung wurde durch die National Science Foundation und die Charles Lee Powell Foundation unterstützt, was die Bedeutung und das Interesse an diesem innovativen Ansatz zur Erforschung der Ozeane unterstreicht.