Künstliche Muschel schwimmt durch nichtnewtonsche Flüssigkeit

Bei Treibsand, Pudding oder Blut handelt es sich um sogenannte nichtnewtonsche Flüssigkeiten. Anders als beispielsweise im Fall von Wasser ist die Viskosität – also das Maß der Zähflüssigkeit – hier nicht konstant, sondern hängt von der auf die Flüssigkeit ausgeübten Kraft ab. Forscher um Tian Qiu vom Max-Planck-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart haben nun eine künstliche Mikromuschel entwickelt, die sich mithilfe eines einfachen Antriebsmechanismus durch solche nichtnewtonsche Flüssigkeiten bewegen kann – durch Auf- und Zuklappen ihrer Schalen. Darüber berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature Communications“.

Zur Rechten einer Jakobsmuschel ist nicht maßstabsgetreu die Mikromuschel der Stuttgarter Forscher abgebildet. Diese besteht neben ihren Schalen und dem Scharnier aus zwei Mikromagneten, die auf den Schalen aufgebracht sind.
Mikromuschel schwimmt durch eine nichtnewtonsche Flüssigkeit

Das Team stellte die Mikromuschel, deren Schalen lediglich jeweils 300 Mikrometer dick und durch ein Scharnier verbunden waren, aus einem Polymer auf Siliziumbasis her. Sobald sich diese Mikromuschel in einer nichtnewtonschen Flüssigkeit befand, konnten die Wissenschaftler sie über die Magnete, die außen an den Schalen angebracht waren, steuern: Die Schalen ließen sich öffnen oder schließen, indem sie ein äußeres Magnetfeld veränderten. Ließen Qiu und seine Kollegen das Feld langsam schwächer werden, öffneten sich die Schalen allmählich; verstärkten sie das Feld dann abrupt wieder, schlossen sich die Schalen ebenfalls abrupt. Indem das Team diesen Vorgang regelmäßig wiederholte, konnte sich die Mikromuschel in der Flüssigkeit bewegen – immerhin mit einer Geschwindigkeit von rund fünf Mikrometern pro Sekunde.

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Bewegung der Mikromuschel durch die Flüssigkeit

Der Trick besteht darin, dass das Magnetfeld nicht gleichmäßig zu- und abnimmt, sondern dass sich die Schalen der Mikromuschel langsam öffneten und anschließend abrupt zuschnappten. Dadurch veränderte sich die Viskosität der Flüssigkeit unregelmäßig und ermöglichte der Muschel so die Fortbewegung. Tests bestätigten dies: Wenn sich die Schalen genauso schnell schlossen, wie sie sich öffneten, bewegte sich die Muschel nicht vorwärts. Zudem ließ sich die Fortbewegungsrichtung einfach ändern, indem die Forscher die Schalen schnell öffneten und langsam schlossen: In diesem Fall bewegte sich die Mikromuschel rückwärts.

Mögliche Anwendungen ihrer Muschel sehen Qiu und seine Kollegen als Antrieb für einen Mikroroboter, der künftig im menschlichen Körper als Probe oder Sensor eingesetzt werden könnte: Der Antrieb und die Mechanik durch das einzelne Scharnier lassen sich einfacher realisieren als viele andere Entwürfe für derartige Roboter. Darüber hinaus handelt es sich bei den meisten biologischen Flüssigkeiten wie etwa Blut oder Speichel um nichtnewtonsche Flüssigkeiten, durch die sich die Mikromuschel mit ihrem reziproken Bewegungsablauf leicht fortbewegen könnte.