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Künstliche Flimmerhärchen entwickelt

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme entwickeln künstliche Flimmerhärchen, die so programmiert werden können, dass sie sich in Wellen bewegen. In Experimenten zeigen sie, wie die millimeterkleinen Zilien viskose Flüssigkeiten genauso effektiv pumpen können wie ihr natürliches Vorbild. Ihre Forschung trägt dazu bei, das Geheimnis zu lüften, welches Bewegungsmuster einen maximalen Flüssigkeitsstrom erzeugt.

Zilien sind haarähnliche Strukturen, die zum Beispiel in den Atemwegen vorkommen. Durch die Zilienbewegung wird Schleim und an ihm haftende, unerwünschte Substanzen aus den Atemwegen befördert. Der Roboter, den die Wissenschaftler nun entwickelt haben, ähnelt echten Flimmerhärchen. Der einzige Unterschied ist die Größe: Jedes Replikat einer Zilie ist knapp einen Millimeter lang. Das ist hundertmal grösser als ein natürliches Flimmerhärchen. Dafür ist jedes Härchen programmierbar: Die Forscher können die Bewegung jedes einzelnen Flimmerhärchens fernsteuern und auch die koordinierte Bewegung aller Flimmerhärchen im Zusammenspiel mit ihren Nachbarn. „Mit unserem künstlichen System können wir Bewegungen ähnlich wie echte Flimmerhärchen in einem größeren Maßstab nachahmen, wobei immer die gleichen physikalischen Gesetze gelten. Auf diese Weise können wir viele verwertbare Daten erzeugen. Wir können quantifizieren, welche Bewegungsmuster einen maximalen Flüssigkeitsstrom erzeugen“, so Studienautor Xiaoguang Dong.

Das Team ist davon überzeugt, dass ihr Forschungsprojekt weitere Forschung inspirieren wird: Die künstlichen Flimmerhärchen könnten für die weitere Untersuchung vieler interessanter wissenschaftlicher Fragen genutzt werden und auch dazu, um hochmoderne Miniaturroboter zu entwickeln. Diese könnten etwa als innovative kabellose medizinische Geräte eingesetzt werden.

Referenzen: MPI-IS, Stuttgart
Bioinspired cilia arrays with programmable nonreciprocal motion and metachronal coordinatio; Sciences Advances 6.11.2020; https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabc9323.full

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Fotocredit: Canva