Ein Forscher könnte sich fragen, welchen Schub die Flügel von Schmetterlingen erzeugen, wenn sie über eine Wiese fliegen. Vielleicht weckt die Beobachtung von Eichhörnchen, die sich wie Parkourkünstler durch die Bäume auf dem Campus bewegen, die Neugierde auf das, was ihnen durch den Kopf geht, wenn sie sich entscheiden, von Ast zu Ast zu springen.

Andere wiederum lassen sich von weniger wahrscheinlichen Quellen inspirieren: Sie analysieren Haifischdärme oder untersuchen, wie mikroskopisch kleine Wasserbären laufen.

Diese und andere Szenarien haben die Wissenschaftler in diesem Jahr dazu inspiriert, die Natur genauer unter die Lupe zu nehmen, aber ihr Einfluss wird nicht aufhören. Entdeckungen in der Natur inspirieren oft zu neuen Entwürfen für Wasserfilter, Solarzellen, Baumaterialien und viele, viele Roboter.

Hier sind zehn Erkenntnisse aus dem Jahr 2021, die eines Tages zu neuen Erfindungen führen könnten.

Hai-Därme funktionieren wie Tesla-Ventile

Im Jahr 1920 entwickelte der serbisch-amerikanische Erfinder Nikola Tesla eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, die die Bewegung von Flüssigkeiten in eine Richtung ermöglicht und gleichzeitig einen Rückfluss verhindert.

Diese Ventile, wie Tesla sie selbst nannte, bestehen aus einer Reihe fester, tränenförmiger Schleifen, die es der Flüssigkeit ermöglichen, leicht durch die Vorrichtung zu fließen, aber zurückfließende Flüssigkeiten verlangsamen und blockieren. Er baute die Ventile als Teil einer neuen Dampfmaschine, an der er arbeitete, meldete aber einige Monate später Konkurs an, so dass das Patent für Jahrzehnte in Vergessenheit geriet.

Der Darm erfüllt einen ähnlichen Zweck: Er nimmt die Nährstoffe aus der Nahrung auf und spült die Abfälle aus, die natürlich nicht auf dem gleichen Weg wieder herauskommen sollten wie sie hineingekommen sind.

In der Tierwelt gibt es Därme in allen Formen und Größen. Die meisten Lebewesen – einschließlich des Menschen – haben einen röhrenförmigen Darm, der Muskelkontraktionen erfordert, um die Nahrung durchzuschieben. Der Darm von Haien hingegen transportiert die verdauten Mahlzeiten je nach Art langsam durch federförmige Spiralen oder verschachtelte Trichter, um auch noch die letzte Kalorie zu verwerten und den Rest loszuwerden.

In diesem Jahr fanden Forscher heraus, dass diese spiralförmigen Organe auch dem Design und der Funktion von Tesla-Ventilen ähneln. Die Windungen, Kurven und Trichter leiten Flüssigkeiten weiter, was eine energiesparende Form der Verdauung sein könnte.

Die Erforschung dieser natürlichen Wunder der Technik könnte die Abwasserfiltrationssysteme zur Entfernung von Mikroplastik verbessern.

Eichhörnchen können Robotern eine Lektion in Sachen Wendigkeit und Erholung erteilen

Wenn sie sich in den Baumkronen bewegen, riskieren Eichhörnchen einen weiten Sprung, wenn es einen stabilen Ast gibt, auf dem sie landen können. Aber selbst wenn ihr nächster Halt wackelig ist, können Eichhörnchen dank ihrer – möglicherweise durch frühere Fehler entwickelten – fachmännischen Rettungsfähigkeiten fast immer die Landung schaffen.

Diese beiden Lektionen, die wir von unseren pelzigen Freunden gelernt haben, könnten nützlich sein, wenn es darum geht, wie wendige Roboter ein anzusteuerndes Ziel analysieren und wie sie verfehlte Ziele wiederfinden, so eine im August veröffentlichte Studie.

Um mehr darüber zu erfahren, wie Eichhörnchen erfolgreich von Ast zu Ast navigieren, stellten Wissenschaftler wilde Fuchshörnchen auf einem Hindernisparcours in einem Eukalyptushain auf dem Campus der University of California, Berkeley, auf die Probe. Das Team analysierte, wie die Eichhörnchen ihre Sprünge in Abhängigkeit von der Flexibilität der Äste veränderten – indem sie ihren Absprung etwas früher ansetzten – und wie sie sich auf Entfernungs- und Höhenunterschiede einstellten – indem sie sich in der Luft drehten, um etwas zu finden, an dem sie abprallen konnten, um Auftrieb zu bekommen. Nachdem sie einen kniffligen Sprung ein paar Mal durchgespielt hatten, gelang ihnen der Stunt schließlich mit Leichtigkeit.

Aasfresser-Käfer laufen kopfüber unter der Wasseroberfläche

Dank der Oberflächenspannung können Spinnen, Ameisen, Schnecken und Eidechsen auf dem Wasser laufen, aber Wasserläufer-Käfer vollbringen ein schwierigeres Kunststück. Diese Käfer drehen sich auf den Kopf und krabbeln direkt unter der Wasseroberfläche entlang – als ob sie sich an der Unterseite eines Glastisches festhalten würden.

In der ersten Studie, in der diese Fähigkeit eingehend analysiert wurde, filmten die Forscher die umgekehrte Krabbeltechnik der Insekten. Diese Käfer sind dafür bekannt, dass sie mit ihren Beinhaaren Luftblasen einfangen, um sich mit Sauerstoff zu versorgen, aber die Videoaufnahmen zeigen, dass dieses Verhalten sie auch über Wasser halten und an der Oberfläche festhalten kann. Die Blase gibt dem Käfer wahrscheinlich genug Halt, um Druck auf die Wasser-Luft-Grenze auszuüben, ohne sie zu durchbrechen. Die Schritte des Käfers stoßen sogar kleine Wasserhügel an der Oberfläche auf, während sie gehen.

Die Wissenschaftler haben noch viele Fragen zur Physiologie des Käfers selbst, z. B. wie sich seine Fußanatomie auf diese Fähigkeit auswirkt oder ob verschiedene Teile seines Körpers wasserfest sind. Die Erforschung der Talente des Aaskäfers könnte winzige, kopfüber surfende Wasserroboter inspirieren.

Es gibt bereits einige wasserskippende Mikroroboter, und Ingenieure bauen auch Roboter, die sich zwischen Land- und Wasserumgebung bewegen können. Die derzeitigen Modelle erfordern jedoch „mehrere Fortbewegungsarten“ oder hemmen die Fortbewegung in einer Umgebung zugunsten der anderen. Ein Käfer-Roboter könnte die Notwendigkeit von Hybridmodellen überflüssig machen, da das Gerät an Land genauso laufen würde wie unter Wasser. Der Käfer in der Studie könnte sich nicht nur unter der Wasseroberfläche bewegen, sondern auch bewegungslos an einer Stelle verharren. Ein vom Käfer inspirierter Wasserklebstoff oder ein strukturelles Design könnte auch eine Lösung sein, um Objekte an der Wasseroberfläche zu halten, um Vibrationen zu messen, Temperaturmessungen vorzunehmen oder andere Daten zu sammeln.

Ein Gecko, der Krebs besiegt, und seine 900 Babys könnten neue Melanom-Behandlungen inspirieren

Zitronenfrostgeckos sind für ihre sonnige Hautfarbe und ihre Anfälligkeit für Krebstumore bekannt.  

Bei einer Auktion im Jahr 2015 erwarb der Reptilienzüchter Steve Sykes ein seltenes Paar „Lemon Frost“-Geckos für 10.000 US-Dollar. Doch als er begann, das Gecko-Männchen Mr. Frosty zu züchten, stellte er fest, dass viele der Nachkommen kleine, weiße Tumore auf ihrer Haut hatten. Fast 80 Prozent der Zitronenfrostgeckos – eine Art genetischer Morphe, die wegen ihrer sonnigen Farbe gezüchtet wird – entwickeln diesen Hautkrebs, der aus pigmentproduzierenden Zellen, den Iridophoren, entsteht.

Der Genetiker Longhua Guo von der University of California, Los Angeles, kam zufällig auf Sykes zu, um Gecko-Morphen zu untersuchen, und beschloss, das genetische Geheimnis der Zitronenfrostgeckos zu ergründen. Guo und sein Team fanden heraus, dass ein Gen namens SPINT1, das beim Menschen mit Hautkrebs in Verbindung gebracht wird, sowohl für das goldene Leuchten der Geckos als auch für ihre Tumore verantwortlich ist.

Die weitere Untersuchung von SPINT1 könnte den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie sich bestimmte Krebsarten beim Menschen entwickeln – und vielleicht neue Wege zur Behandlung der Krankheit aufzeigen.

In einem Gespräch mit Scientific American im Juni sagte Lara Urban, eine Genomforscherin an der Universität von Otago in Neuseeland, die nicht an der Studie beteiligt war, dass die Untersuchung der Expression des Gens bei Geckos, die nie an Krebs erkranken, ein Weg für zukünftige Studien sein könnte.

Wissenschaftler beobachten zum ersten Mal, wie Schmetterlingsflügeln Schuppen wachsen

Zum ersten Mal haben MIT-Forscher in eine Puppe geschaut, während sich die bunten Schuppen eines Schmetterlingsflügels bildeten – und dabei kontinuierliche Bilder des Prozesses aufgenommen. Dies geht aus einer Studie hervor, die diesen Monat in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht wurde. Die Untersuchung dieses Prozesses könnte eines Tages zu neuen multifunktionalen Materialien in leuchtenden Farben inspirieren, die auch Temperaturkontrolle und Wasserbeständigkeit bieten. Zunächst züchtete das Team die Raupen der Gemalten Dame (Vanessa cardui), bis sie sich metamorphisierten und eine Puppe entwickelten. Dann entfernten sie vorsichtig einen Teil der äußeren Hülle und legten mit einem Biokleber ein transparentes Deckglas über die Öffnung. Das Team nutzte die Speckle-Korrelations-Reflexions-Phasenmikroskopie, um einen genaueren Blick auf die Verwandlung werfen zu können. Anstelle eines breiten Lichtstrahls, der für den empfindlichen Flügel phototoxisch sein könnte, werden bei der Speckle-Korrelations-Reflexionsphasenmikroskopie kleine Lichtpunkte auf bestimmte Stellen gepfeffert, wodurch ein Beleuchtungsfeld entsteht, das an Glühwürmchen auf einer Wiese in der Abenddämmerung erinnert.

Innerhalb weniger Tage reihten sich die Zellen zu Schuppenreihen auf, die abwechselnd oberhalb und unterhalb des Flügels angeordnet waren, wie Schindeln auf einem Dach. Jede Schuppe entwickelte dann nanometerhohe Rillen. Die Forscher vermuten, dass diese Rillen den Schmetterlingen helfen, Wasser wie mikroskopische Regenrinnen abzuleiten und Wärme zu sammeln, um sie trocken zu halten.

Da jede Schuppe aus Chitin besteht, dem nach Zellulose am zweithäufigsten vorkommenden Biopolymer auf der Erde, könnte ein neues, von Schmetterlingsflügeln inspiriertes Material auch biologisch abbaubar sein und sich leicht austauschen oder erneuern lassen. So oder so, stellen Sie sich vor, wie cool es wäre, wenn wir einfach eine Trommel hätten, in der wir die Zellen züchten, die die Schuppen bilden, und sie dann auf eine Oberfläche sprühen und einen Auslöser bereitstellen, der die Zellen dazu bringt, Schuppen mit der gewünschten Farbe, Textur und dem gewünschten Benetzungsverhalten zu bilden.

Fettschwanz-Zwerglemmuren halten erstmals Winterschlaf in Gefangenschaft

Fettschwanz-Zwerglemuren sind unsere engsten Primatenverwandten, die in freier Wildbahn einen Winterschlaf halten. Zum ersten Mal konnten Forscher im Lemurenzentrum der Duke University die Bedingungen nachstellen, die nötig sind, um die Lemuren in den Winterschlaf zu versetzen, und so einen Sitzplatz in der ersten Reihe einnehmen, um mehr über diesen einzigartigen Stoffwechselprozess zu erfahren – und darüber, was er uns über den Menschen lehren könnte. Die auf das Verhalten von Primaten spezialisierte Wissenschaftlerin Marina Blanco und ihr Team berichteten im März in der Zeitschrift Scientific Reports über ihre Ergebnisse.

Um sich auf ein wirklich gutes Nickerchen einzustimmen, bauten die Forscher eine behelfsmäßige Baumhöhle, in der sich die Lemuren in ihrem Gehege niederlassen konnten. Sie setzten die Tiere 9,5 Stunden statt der sommerlichen 11 Stunden Licht aus, um das kürzere Tageslicht im Winter zu imitieren. Außerdem senkten sie die Temperatur im Gehege auf 50 Grad Fahrenheit.

Vier Monate lang hatten die schläfrigen Lemuren einen verlangsamten Stoffwechsel, kühlere Körpertemperaturen und einen deutlich geringeren Appetit. Ihre Herzfrequenz verlangsamte sich auf acht Schläge pro Minute. Als sie im Frühjahr wieder aufstanden, waren sie sofort wieder auf den Beinen.

Obwohl sie sich monatelang nicht bewegten oder aßen, behielten diese Tiere ihre Muskelmasse und Organfunktionen bei.

Das Wissen darüber, wie andere Primaten Winterschlaf halten, könnte unsere derzeitigen Methoden zur Verlangsamung der körpereigenen Prozesse bei lebensrettenden Operationen oder vielleicht sogar bei langfristigen Weltraumreisen verbessern.

Wissenschaftler entschlüsseln das „Klatschen“ von Schmetterlingsflügeln

Ein Schmetterling ist anders geformt als jedes andere fliegende Tier, was die Analyse seines Fluges für Wissenschaftler umso spannender und inspirierender macht. Eine im Januar 2021 veröffentlichte Studie hat ergeben, dass Schmetterlinge eine effiziente Methode des Klatschens verwenden, um Schub zu erzeugen.

Zunächst führten die beiden Biologen Christoffer Johansson und Per Henningsson von der Universität Lund eine aerodynamische Analyse von frei fliegenden Schmetterlingen durch. Dabei stellten sie fest, dass die breitflügeligen Insekten beim Aufwärtsschlag mit den Flügeln klatschen – allerdings drücken sie die Flügel nicht flach zusammen wie ein Paar Hände beim Applaus. Stattdessen krümmen sich die Schmetterlingsflügel, was die Forscher vermuten lässt, dass sie Luft zwischen sich einschließen, um den Abwärtsschlag zu verstärken.

Um ihre Vermutung zu überprüfen, verglichen die Wissenschaftler die Schlagkraft von zwei Roboterklatschern: einen mit starren und einen mit flexiblen Flügeln. Sie stellten fest, dass die Flexibilität die Effizienz der Flügel um 28 Prozent erhöhte und die Klappen 22 Prozent mehr Kraft aufbrachten.

In der Natur gibt der Flügelschlag einem Schmetterling wahrscheinlich den zusätzlichen Schub, den er braucht, um Raubtieren zu entkommen. Zurück im Labor hoffen die beiden, dass ihre Beobachtungen neue Flug- und Schwimmroboter inspirieren werden.

Die Herstellung flexibler Schlagroboter könnte ein energiesparender Weg sein, um die Schubkraft zu erhöhen. Ebenso könnte die zusätzliche Flexibilität ein Segen für die Unterwasserrobotik in beengten Umgebungen sein – vielleicht für die Unterwasserarchäologie.

Tardigraden haben einen insektenähnlichen Gang

Wie inspirierend sind Bärtierchen? Lassen Sie uns die Möglichkeiten aufzählen.

Erstens sehen sie aus wie winzige, achtbeinige, klobige Bären – daher auch ihr Spitzname: Wasserbären. Diese nahezu mikroskopisch kleinen, aquatischen Extremophilen können an den unwirtlichsten Orten der Erde überleben, darunter eisige Temperaturen am absoluten Nullpunkt, kochend heiße Hydrothermalquellen, das Vakuum des Weltraums und ein Druck, der sechsmal stärker ist als in der Tiefsee (National Geographic).

Während andere Lebewesen mit weichem Körper wie Würmer strampeln, schlittern und zappeln, sind Bärtierchen die einzigen Lebewesen mit weichem Körper, die laufen können. In einer Studie, die im August in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurde, sahen sich Forscher stundenlanges Filmmaterial von Wasserbären an, die auf verschiedenen Oberflächen – von Glas bis zu Gelen – laufen.

Das Team fand heraus, dass Bärtierchen wie Insekten laufen, die 500.000 Mal so groß sind wie sie. Obwohl sie im Durchschnitt nur die Hälfte ihrer ohnehin schon winzigen Körperlänge (0,5 Millimeter) pro Sekunde zurücklegen, können sie bei Höchstgeschwindigkeit zwei Körperlängen in der gleichen Zeit zurücklegen. So langsam sie auch sein mögen, sie scheinen ihre Schritte an das Gelände anzupassen, in dem sie sich bewegen.

Da sie mit ihrer Stütze bis in die entlegensten Winkel der Erde vorgedrungen sind, könnte die Untersuchung ihres Gangs neue Formen der Fortbewegung für Roboter im Mikrobereich inspirieren.

Von Bärtierchen inspirierte Nanoroboter könnten in beschädigtes Gewebe injiziert werden, um es zu reparieren, oder in eine Arterie, um Plaqueablagerungen zu entfernen – ähnlich wie die geschrumpfte U-Boot-Besatzung in dem Science-Fiction-Film Fantastic Voyage von 1966.

Schleimpilz speichert „Erinnerungen“, ohne selbst ein Gehirn zu haben

Obwohl sie gelegentlich Pilzen ähneln, sind Schleimpilze kugelförmige, im Boden lebende Amöben, die es in vielen seltsamen Formen und leuchtenden Farben gibt. Obwohl sie weder ein Gehirn noch ein Nervensystem haben, können sie sich in einem Labyrinth zurechtfinden oder sich an den Standort von Lebensmitteln erinnern.

Wie klebrige Fraktale setzen die Einzeller röhrenförmige Ranken frei, die auch Flüssigkeit und Nährstoffe durch ihren netzartigen Körperplan transportieren, um neue Umgebungen zu erkunden.

In einer im Februar in der Zeitschrift PNAS veröffentlichten Studie fanden Forscher heraus, dass sie wichtige Details ihrer Umgebung aufzeichnen, indem sie den Durchmesser dieser ausgestreckten Röhren verändern.

Als die Wissenschaftler einen sonnengelben Schleimpilz namens Physarum polycephalum unter dem Mikroskop untersuchten, beobachteten sie, dass die Röhren dicker wurden, wenn sie auf Nahrung stießen, und dünner, wenn sie keine fanden. Wahrscheinlich werden diese Veränderungen durch eine Art chemisches Signal ausgelöst.

Dieses Netzwerk ahmt in gewisser Weise nach, wie unser Gehirn mit Hilfe der synaptischen Plastizität Erinnerungen speichert, d. h. Synapsen werden je nach Gebrauch stärker oder schwächer. Ebenso wachsen Schleimpilzröhren, die Nahrung finden, und Sackgassen verwelken.

Mit Hilfe von Polymeren auf Proteinbasis, Gelen oder anderen biologischen Materialien könnten Forscher diese Art von Gedächtnisspeicherung und chemischer Signalübertragung in der künstlichen Intelligenz anpassen, ohne dass dafür Elektronik erforderlich ist, was ein Segen für die Soft-Robotik sein könnte, der es an solcher Hardware fehlt. Wenn der Rest des Roboters aus Biomaterialien besteht, sagt sie, könnte ein von Schleimpilzen inspiriertes System in Situationen eingesetzt werden, in denen Toxizität ein Problem darstellt, wie bei medizinischen Anwendungen oder der Wasseraufbereitung.

Mit einem seifenähnlichen Protein können menschliche Zellen Bakterien abwehren

Unser Immunsystem verfügt über spezialisierte zelluläre Soldaten – wie T-Zellen und B-Zellen – die bereit sind, bakterielle Invasionen abzuwehren. Aber auch nicht-immune Zellen sind nicht völlig wehrlos. In einer im Juli in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie wurde festgestellt, dass bestimmte Proteine buchstäblich wie ein Waschmittel Bakterien wie einen Fettfleck wegwischen können. Die weitere Erforschung dieser Proteine könnte zu einer völlig neuen Art von Antibiotikum führen.

Zunächst infizierte das Team nicht-immune Zellen mit Salmonellen, einem stäbchenförmigen Bakterium, das den Darm befällt. Dann untersuchten sie die Gene der Zellen auf schützende Proteine und fanden eine Übereinstimmung: APOL3. Dieses Protein hat Teile, die von Wasser angezogen werden, und andere Teile, die von Fetten angezogen werden – genau wie Waschmittel. APOL3 greift die fettigen Lipide, mit denen die innere Bakterienmembran ausgekleidet ist, mit Präzision an und verwechselt dabei niemals eine menschliche Zellmembran mit dem Eindringling.

Da die Resistenz gegen Antibiotika zunimmt, ist eine Alternative erforderlich. Krankheitserreger haben möglicherweise ihre eigenen Proteine, die die Gegenangriffe von APOL3 behindern, aber Forscher könnten ein neues Antibiotikum entwickeln, das auf diese lästigen Proteine abzielt, so dass APOL3 seine Arbeit tun kann. Die Entwicklung kleiner Moleküle, die die Wirkung von APOL3 nachahmen, erfolgt durch eine so genannte wirtsspezifische Therapie, die ein raues Umfeld für den Erreger schafft, anstatt ihn direkt zu entwaffnen.

Doch zunächst müssen die Wissenschaftler die Bandbreite der Infektionen verstehen, die von APOL3 und anderen Immunabwehrproteinen kontrolliert werden.