Miniroboter – Neuer Antrieb durch hydraulische Pumpen nach Vorbild von Bäumen

Eine hydraulische Pumpe, deren Wirkprinzip dem der Bäume nachempfunden ist, soll künftig winzige Roboter antreiben. Tree-on-a-Chip nennen die Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ihre Entwicklung. Das kleine Gerät erzeugt hydraulische Kräfte, weil es die Technik kopiert, mit der Bäume das Wasser bis in die allerhöchsten Blätter pumpen.

Das gelingt mit einem raffinierten Zusammenspiel von Xylem und Pfloem - letzteres wird bei Bäumen auch als Bast bezeichnet. Xylem ist ein holziges Leitgewebe, das auch Stützfunktionen hat. Aufgrund von Kapillarkräften und seiner Oberflächenspannung kriecht Wasser in winzigen Mengen entgegen der Schwerkraft nach oben, um alle Pflanzenteile mit Wasser zu versorgen. Ähnlich arbeiten auch winzige Pumpen aus Papier, die kleine Mengen an Flüssigkeit in Reaktionsräume transportieren.

Anstoß für die Entwicklung war die Tatsache, dass es sehr schwer ist, technische Pumpen in winziger Größe zu bauen, die zudem auch noch sehr teuer sind. Das Ziel: ein preiswertes komplexes System nach dem Vorbild der Natur. Winzige Roboter mit hydraulischem Antrieb sollten das Gleiche können wie etwa Boston Dynamic's Big Dog, ein Roboter so groß wie ein Bernhardiner. Angetrieben wird er von hydraulischen Aktoren, wodurch er in jedem Gelände, sei es noch so schwer, vorankommt.

Zunächst träumten die Forscher von einer leistungsfähigen Pumpe, die ohne bewegliche Teile auskommt. Gelingt das irgendwo in der Natur? Es hat sich gezeigt, dass Bäume das können. Ein Teil des in den feinen Xylem-Kanälen emporsteigenden Wassers diffundiert durch eine halbdurchlässige Membran in den Phloem (Bast). Es nimmt dort vor allem Zucker und Aminosäuren auf und transportiert sie in den Wurzelbereich. Dies- und jenseits der Membran herrschen unterschiedliche Drücke – also das Phänomen der Osmose.

Die ersten Modelle liefen nur kurze Zeit. Dann stellten sie die Pumparbeit ein. MIT-Mitarbeiterin Jean Comtet fand das fehlende Glied. Dem Baum fehlten die Blätter, in denen durch Photosynthese Zucker erzeugt wird. Dieser sorgt dafür, dass Druck aufgebaut wird, weil Wasser die Membran passieren kann, die größeren Zuckermoleküle jedoch nicht. Wenn man den Roboter intelligent designt und eine dieser Pumpen integriert, muss man nur ein Zuckerstückchen drauflegen. Und schon beginnt sie zu arbeiten.

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