Hinter dem besonderen Tastsinn von dickhäutigen Elefantenrüsseln stecken materialintelligente Haare - eine Grundlage für zukünftige Sensortechnik von Robotern
- Tastsinn trotz dicker Elefantenhaut: Forschende haben entdeckt, dass die Rüsselhaare von Elefanten für ihren außergewöhnlichen Tastsinn verantwortlich sind. Diese Haare zeigen eine besondere Materialintelligenz.
- Besondere Materialeigenschaften: Die Tasthaare der Elefanten besitzen eine steife Basis und eine weiche Spitze, was es ihnen ermöglicht, Objekte präzise zu ertasten und zu erkennen, wo Berührungen stattfinden. Diese Eigenschaften ähneln den Schnurrhaaren von Katzen und unterscheiden sich von den gänzlich steifen Tasthaaren von Ratten und Mäusen
- Interdisziplinäre Zusammenarbeit: Das Forschungsteam der Abteilung für Haptische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intellitente Systeme wurde ergänzt durch Forschende der Neuround Materialwissenschaften
- Anwendungen in der Robotik: Die Erkenntnisse sollen in der Entwicklung von robotergestützten Sensortechnologien genutzt werden, die den Steifigkeitsgradienten der Elefantentasthaaren nachahmen.
Eine neue Studie einer interdisziplinären deutschen Forschungsgruppe unter der Leitung der Abteilung für Haptische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme hat das Geheimnis der sanften Geschicklichkeit von Elefantenrüsseln gelüftet. Die rund 1.000 Tasthaare, die den Rüssel bedecken, weisen ungewöhnliche Materialeigenschaften auf. Dank dieser Tasthaare spürt der Elefant genau, wo eine Berührung erfolgt. Sie verleihen dem Tier einen erstaunlichen Tastsinn, der seine dicke Haut sowie sein schlechtes Sehvermögen kompensiert.
Variable Steifigkeit eines Tasthaares
Das interdisziplinäre Team untersuchte die Tasthaare von Elefantenrüsseln, um zu verstehen, wie sie geformt sind, wie porös und wie weich sie sind. Sie gingen zunächst davon aus, dass Rüsselhaare den spitz zulaufenden Tasthaaren von Mäusen und Ratten ähneln. Deren Querschnitt ist kreisförmig, die Haare sind durchgehend fest und weisen eine annähernd gleichmäßige Steifigkeit auf. Mithilfe von Mikrocomputertomographie konnten das Team die dreidimensionale Form mehrerer Rüsselhaare vermessen und feststellen, dass Elefantentasthaare dick und klingenförmig sind, einen abgeflachten Querschnitt sowie eine hohle Basis und mehrere lange innere Kanäle aufweisen, die der Struktur von Schafshörnern oder Pferdehufen ähneln. Diese poröse Architektur reduziert das Gewicht der Haare und sorgt für Stoßfestigkeit, sodass Elefanten täglich Hunderte Kilogramm Futter zu sich nehmen können, ohne dass die Tasthaare beschädigt werden oder ausfallen - sie wachsen nämlich nicht nach.
Eine Nanohärteprüfung sowohl der Elefantenals auch der Katzenhaare wurde mit einem Diamantwürfel so klein wie eine einzelne Zelle durchgeführt, der zyklisch in die Haaraußenseite gedrückt wurde. Die Härtemessung am Ansatz und der Spitze der Elefantenund Katzenhaare zeigte einen Ébergang von einer steifen, kunststoffartigen Basis zu einer weichen, gummiartigen Spitze, die nicht dauerhaft eingedrückt werden konnte - eine Eigenschaft, die als Elastizität bekannt ist. Das Team verglich die Tasthaare auf dem Rüssel auch mit den Körperhaaren der Elefanten.
-Die Haare auf dem Kopf, dem Körper und dem Schwanz asiatischer Elefanten sind von der Basis bis zur Spitze steif, was wir erwartet hatten, als wir den überraschenden Steifigkeitsgradienten der Tasthaare am Rüssel von Elefanten feststellten-, sagt Schulz. Eine Herausforderung für die Forschenden war zu erklären, wie sich eine Veränderung der Steifigkeit entlang eines Tasthaares auf die Berührungswahrnehmung auswirken würde.
Ein Elefantenhaar-Imitat aus dem 3D-Drucker
Um herauszufinden, warum das so ist, arbeitete Schulz mit Kolleginnen und Kollegen am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme zusammen. Mit einem 3D-Drucker druckten sie ein vergrößertes Tasthaar mit einer steifen, dunklen Basis sowie einer weichen, transparenten Spitze. Der Prototyp eines -whisker wand- (Tasthaar-Zauberstab) half den Forschenden, ein Gefühl dafür zu entwickeln, was ein Elefant mit seinen Tasthaaren wahrnimmt. Kuchenbecker trug den Stab in ihrer Hand, als sie durch die Flure des Instituts ging, und klopfte sanft gegen die Säulen und Geländer. -Ich bemerkte, dass sich das Klopfen mit verschiedenen Teilen des Tasthaarstabs unterschiedlich anfühlte - weich und sanft an der Spitze und hart und stark an der Basis. Ich musste nicht hinsehen, um zu wissen, wo der Kontakt stattfand; ich konnte es einfach fühlen-, berichtet Kuchenbecker.
Um ihre Hypothese anhand des 3D-gedruckten Haares zu überprüfen, entwickelten die Forschenden ein computergestütztes Modellierungstoolkit, mit dem sie untersuchten, wie sich die von ihnen gemessenen einzigartigen Geometrie-, Porositätsund Steifigkeitsgradienten auf die Reaktion des Tasthaars bei Kontakt auswirken. Simulationen zeigten, dass der Ébergang von einer steifen Basis zu einer weichen Spitze es tatsächlich einfacher macht, zu spüren, wo etwas das Haar berührt, sodass der Elefant angemessen reagieren und selbst empfindliche Gegenstände wie Tortilla-Chips vorsichtig greifen kann.
-Der Steifigkeitsgradient liefert eine Karte, anhand derer Elefanten erkennen können, wo entlang jedes Tasthaares ein Kontakt stattfindet. Diese Eigenschaft hilft ihnen zu erkennen, wie nah oder wie weit ihr Rüssel von einem Objekt entfernt ist. All das ist in der Geometrie, Porosität und Steifigkeit des Haares enthalten. Ingenieure bezeichnen dieses natürliche Phänomen als verkörperte Intelligenz-, sagt Schulz. Auch die Schnurrhaare von Hauskatzen weisen denselben Steifigkeitsgradienten auf.
Transfer aus der Natur in die Robotik
Das gemeinsame Ziel von Schulz und Kuchenbecker ist es nun, Erkenntnisse aus der Natur auf Anwendungen in der Robotik und auf intelligente Systeme zu übertragen. -Bioinspirierte Sensoren mit künstlichen, den Rüsselhaaren ähnlichen Steifigkeitsgradienten könnten allein durch intelligentes Materialdesign präzise Informationen mit geringem Rechenaufwand liefern-, so Schulz. -Unsere Ergebnisse tragen zu unserem Verständnis der taktilen Wahrnehmung dieser faszinierenden Tiere bei und eröffnen Möglichkeiten, die Beziehung zwischen den Materialeigenschaften der Tasthaare und der neuronalen Informationsverarbeitung im Gehirn der Tiere weiter zu untersuchen-, sagt Lena V. Kaufmann, Mitautorin
Kuchenbecker blickt auf das gesamte Projekt zurück: -Ich bin sehr stolz auf das, was wir durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit herausgefunden haben. Andrew hat ein großartiges Team aus Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Neurowissenschaftlern aus fünf verschiedenen Forschungsgruppen zusammengestellt und uns auf eine spannende dreijährige Reise mitgenommen, um die Geheimnisse des sanften Tastsinns der Elefanten zu entschlüsseln.-
