Bionik: Robben-Barthaare sind Vorbild für Sensoren

Auf Sehvermögen, Geruchs- oder Gehörsinn können Seehunde verzichten, wenn sie unter Wasser auf Beutezug sind. Erst wenn es ihnen an den Schnauzer geht, verlieren sie die Orientierung. Die Barthaare, auch Vibrissen genannt, sind ihr wichtigstes Sinnesorgan: Mit deren Hilfe erspüren die Jäger schwächste Verwirbelungen, die Fische beim Schwimmen verursachen. Mehrere Minuten nachdem die Beute vorbeigezogen ist, können sie der unsichtbaren Fährte noch folgen.

"Die Vibrissen dienen als ultraempfindliche Sensoren, die kleinste Wasserbewegungen detektieren und an das Gehirn weiterleiten", sagt Lars Miersch, Physiker am Marine Science Center der Universität Rostock. Gemeinsam mit Kollegen nimmt er die Barthaare genau unter die Lupe. Schließlich sind die Vibrissen ideale Vorbilder für präzise Strömungssensoren – sei es für U-Boote, Tauchroboter oder Molche, Roboter, die in Rohrleitungen nach Lecks suchen. Gefördert wird das Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Die Besonderheit der Vibrissen: Sie flattern nicht in der Strömung, sondern stehen nahezu still. So können die Seehunde feine Wirbel im Wasser besser wahrnehmen. Mierschs Kollege Matthias Witte, Strömungsmechaniker an der Universität Rostock, erklärt nun in seiner Doktorarbeit, woran das liegt. Dazu legte er die Barthaare unters Mikroskop und steckte sie in einen winzigen Strömungskanal. Mit Lasern strahlte er Mikropartikel im Wasser an und rekonstruierte so den Fluss um die Vibrisse herum.

Preiswert zu reparieren

Das Ergebnis: Die Vibrissen erzeugen selbst keine Wirbel, die sie in Schwingung versetzen könnten. Das liegt daran, dass die Barthaare der Robben einen ovalen Querschnitt haben und in Längsrichtung auf ganz spezielle Weise gewellt sind. "Durch ihre besondere Form greifen an der Robbenvibrisse sehr geringe Strömungskräfte an", sagt Alfred Leder, Leiter des Lehrstuhls für Strömungsmechanik an der Uni Rostock. "Wir haben bei unseren Untersuchungen selbst ziemlich gestaunt. Der Strömungswiderstand ist kleiner als bei jedem Patent zu diesem Thema."

Als nächstes Projekt plant Leder einen ferngesteuerten Unterwasserroboter, der seinen Weg mit Hilfe von künstlichen Robbenvibrissen findet. Mit dieser Idee ist er nicht allein: Auch Anthony Pipe, der im Roboterlabor der University of West England forscht, könnte sich vorstellen, Unterwassersensoren nach dem Vorbild der Meeressäuger zu bauen.

Sensoren nach dem Prinzip tierischer Tasthaare hätten einen entscheidenden Vorteil, sagt Pipe: Im Gegensatz zu Berührungssensoren nach Vorbild von Fingerspitzen seien sie robuster und preiswerter zu reparieren. Schließlich sitzen die empfindlichen Messgeräte nicht an der Oberfläche, sondern an der Wurzel der Tasthaare, wo sie kleinste Bewegungen erfassen.

Besonders interessiert zeigten sich Forscher bisher an den Tasthaaren von Nagetieren. Mäuse und Ratten halten ihre Schnurrhaare im Gegensatz zu Seehunden nicht still, sondern bewegen sie gezielt vor und zurück. So können sie die Form und Struktur von Objekten ertasten, die sich in der Nähe ihrer Schnauze befinden. Als Anwendung haben die Forscher Roboter im Sinn, die sich im Dunklen, in dichtem Rauch oder Nebel zurechtfinden. Systeme, die ihre Umwelt mit Hilfe von Kameras erkunden, versagen in solchen Situationen.

Pipe war bereits im Rahmen des im Dezember beendeten Projekts Biotact der Europäischen Union am Bau eines Modellroboters namens Shrewbot beteiligt. Sein Vorbild war die Etruskerspitzmaus. Die Forscher orientierten sich so eng wie möglich am lebenden Vorbild: Sie beobachteten die Insektenfresser, untersuchten den Aufbau ihrer Tasthaare und maßen ihre Hirnaktivität, um lernende Software für den Roboter zu entwickeln. Shrewbot konnte sich am Ende des Projekts mit Hilfe des Programms und der künstlichen Barthaare in einem Raum orientieren und herumfahren.

Vorbild für Hochhäuser

In das Hirn mussten sich die Robben am Marine Science Center in Rostock bisher noch nicht schauen lassen. Dafür verbanden die Forscher ihnen die Augen und setzten ihnen Ohrenschützer auf, um so die Qualität ihres Tastsinns zu testen. Doch ihre einzigartigen Vibrissen sollen nicht nur Sensoren als Vorbild dienen.

Die besonderen Strömungseigenschaften machen sie zu einem idealen Vorbild für allerlei Strukturen, die bei Wind unerwünschte Schwingungen aufweisen: Hochhäuser, Windturbinen oder Brückenpfeiler beispielsweise. Die Rostocker haben bereits ein vergrößertes Haarmodell mit einem Durchmesser von zwei Zentimetern aus Aluminium gefräst, das sie im Windkanal testen.

Ob das Prinzip auch funktioniert, wenn die Struktur auf die Größe eines Hochhauses skaliert wird, daran scheiden sich die Geister. Rolf-Dieter Lieb vom Institut für Industrieaerodynamik in Aachen zweifelt: Im Gegensatz zum Robbenhaar, das unter Wasser einer gleichmäßigen Strömung ausgesetzt sei, sorge Wind für Turbulenzen – Schwingungseffekte, wie sie das Robbenhaar durch seine Struktur vermeide, spielten nur eine untergeordnete Rolle. Zudem kämen bei Hochhäusern schon aufgrund des Durchmessers andere Strömungseffekte zum Tragen.

Bodo Ruck, Experte für die Aerodynamik von Gebäuden am Karlsruher Institut für Technologie, sagt hingegen: "Der Übertragung der Geometrie der Vibrisse auf umströmte technische Strukturen steht meines Erachtens nichts im Weg." Sowohl Schwingungen in Strömungsrichtung als auch quer zur Strömung ließen sich seiner Meinung nach mit der Architektur in den Griff bekommen. Zumal Architekten gern in der Natur spicken: Der Taipei-101-Turm in Taiwan etwa, bei der Eröffnung im Jahr 2004 mit 509 Metern das höchste Gebäude der Welt, ist nach Vorbild eines Bambushalms gebaut worden.