Kreislaufbatterie Robo-Fisch schwimmt dank künstlichem Blutkreislauf

Forscher haben einen Roboter mit einem künstlichen Blutkreislauf gebaut. Eine Flüssigkeit treibt den Fisch hydraulisch an und speichert zugleich Energie wie in einer Batterie.

Roboterfisch mit eigenem Gefäßsystem im Aquarium
James Pikul/ University of Pennsylvania/ DPA

Roboterfisch mit eigenem Gefäßsystem im Aquarium


Ohne den Blutkreislauf in Mensch und Tier geht nichts. Die rote Flüssigkeit bringt Sauerstoff und Nährstoffe zu den Organen und hilft, schädliche oder unnütze Stoffe abzutransportieren. Gleichzeitig reguliert das Blut die Innentemperatur des Körpers, den pH-Wert der Zellen und hilft, Krankheiten zu bekämpfen. Forscher haben nun versucht, das Prinzip für eine technische Anwendung zu nutzen.

Das Team um Robert Shepherd von der US-amerikanischen Cornell University in Ithaca hat einen Roboterfisch mit einem eigenen Gefäßsystem entwickelt. Vorbild für das Gerät war ein Rotfeuerfisch, der in der Natur tropische Korallenriffe bewohnt. Die Forscher statteten den Nachbau mit kleinen Schläuchen aus, in denen statt Blut ein Elektrolyt zirkuliert, die Flüssigkeit einer Batterie. Diese treibt den Fisch über ein hydraulisches System mechanisch an und dient gleichzeitig als Energiespeicher.

Während Roboter in der Regel einzelne Bauteile für einzelne Aufgaben besäßen, verfüge ein tierischer Organismus über Systeme mit mehreren Funktionen, schreiben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Nature". Ihre Erfindung hat zwar längst nicht so viele Fähigkeiten wie ein menschlicher Kreislauf, meistert aber immerhin zwei ganz unterschiedliche Aufgaben zugleich.

Die verschiedenen Flossen des Roboterfischs, darunter die langen, aufgefächerten Rückenflossen, nutzten die Forscher als Elektrolyt-Kreislauf. Das System ist nach dem Prinzip einer Redox-Flussbatterie mit Zink-Jodid-Elektrolyt aufgebaut: Während des Ladens scheidet sich Zink aus der Elektrolytflüssigkeit auf einer Elektrode ab, beim Energieverbrauch kehrt sich die Reaktion um.

Kunstfisch schwimmt gegen den Strom

Gleichzeitig kann das Kreislaufsystem hydraulisch Kraft übertragen: Wird die Elektrolyt-Flüssigkeit von einer Seite auf die andere Seite der Schwanzflosse gepumpt, dann bewegt sich die Flosse seitlich. Durch das Hin und Her der Schwanzflosse kann der Roboterfisch schwimmen. Gegen eine leichte Strömung im Meerwasserbecken kommt er immerhin anderthalb Körperlängen pro Minute voran.

Innenleben des Roboterfischs mit Silikonhülle
James Pikul/ University of Pennsylvania/ DPA

Innenleben des Roboterfischs mit Silikonhülle

Die Brustflosse kann der Roboterfisch ebenfalls bewegen. Lebende Rotfeuerfische nutzen das, um mit Artgenossen zu kommunizieren.

Ganz so gut wie eine moderne Lithium-Ionen-Batterie funktioniert die Kreislaufbatterie im Robo-Fisch allerdings noch nicht. Ihre Energiedichte sei nur halb so groß, berichten die Forscher. Dafür arbeite sie zuverlässig und könne an die Größe des Gesamtsystems angepasst werden.

Die Leistung der Kreislaufbatterie reicht nach Berechnungen der Wissenschaftler aus, um den Roboterfisch 36 Stunden gegen eine leichte Strömung schwimmen zu lassen. "Unsere Arbeit zeigt, dass energiedichte Hydraulikflüssigkeiten in Robotern eingesetzt werden können, um diese mechanisch zu betätigen und elektrisch anzutreiben", schreiben die Forscher.

joe/dpa



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Oberleerer 21.06.2019
1.
Ich würde aus dem Bauch heraus sagen: eine interessante Spielerei. Es gab mal eine Meldung über einen kleinen Vogel, der 1g Fett verbrennt, beim Flug über hunderte Kilometer, was 1/3 seines Gewichts ausmacht. Allerdings konnte man gegenrechnen und der Wirkungsgrad lag deutlich unter dem eines Automobils. Die Technik ist oft besser, als die Natur, weil man maßgeschneiderte Lösungen schaffen kann. Ein E-Motor ist nunmal leichter als ein Muskel. Eine Hydraulik kann man einsetzen, wenn große Kräfte wirken sollen, dann ist das Volumen eines Kolbens viel kleiner als ein Motor mit Getriebe. Im Falle des Fisches würde man dann wohl eher Pneumatik einsetzen oder statt eines agressiven Elektrolyts ein antiseptisches Öl oder Alkohol. Als Gesellenstück in der Robotik ist es aber ein gelungenes Projekt, um auf die Fähigkeiten der jungen Ingenieure aufmerksam zu machen.
egalitarian 21.06.2019
2. @1
Ich vermute Sie haben bei Ihrer Effizienzrechnung einen Hirntoten, seiner Sensorik befreiten Vogel vorausgesetzt. Sollten Sie die bildverarbeitenden und navigierenden Fähigkeiten eines Vogels auf einem autark fliegenden, 3g schweren Roboter unterbringen können, und Sie dabei noch die Effizienz der Natur überbieten, dürfte Ihnen der Nobelpreis sicher sein.
mhwse 22.06.2019
3. .. die Fähigkeit bzw. Eigenschaft
bei Lebewesen nicht vergessen: der Gesamtbauplan liegt holographisch in allen Zellen vor - jede Zelle kennt "ihren" Platz im Bauplan. UND das Gesamtlebewesen - kann sich entweder allein oder mit einem (i.d.R) zweiten Lebewesen komplett (meist mehrfach) reproduzieren .. bei 3 Gramm ist die informatorische Leistung bisher - unübertroffen. Dass da einzelne Effizienzklassen - an sich - leiden, kann man hinnehmen. UND: auch (i.d.R.) wird die Firmware (zumindest die Parametrisierung) durch Umweltfaktoren so beeinflusst, dass eine bedingte - im Rahmen der Grenzwerte - Anpassung möglich ist. Der Bauplan kann im Generationenwechsel - langsam - modifiziert werden. (da ist quasi ein unbewusster algorithmischer, "Mini" Ingenieur immer mit dabei) .. den Algorithmus kennt bisher keiner - bis in die späten 1980er durfte man das nicht im Abitur schreiben .. (heute wird das an Hauptschulen immer noch so gelehrt..) Da hat wohl der Vatikan immer noch das letzte Wort .. Dass ein optimierender Algorithmus wirken muss - ist bei den geringen Individuenzahlen - und auch bei längeren Generationenfolgen - fast nicht auszuschließen. Simulationen die rein auf Versuch und Irrtum bauen - enden mit dem erlöschen der Art .. (die Natur kann sich Irrtümer - eigentlich nicht leisten ..) UND: viele Lebewesen können zusätzlich dazu aktiv lernen - und dieses Wissen in jeweils mehr oder weniger großem Umfang den anderen Lebewesen übermitteln. Das alles können bereits Bakterien - daher kommen z.B. Antibiotika Resistenzen .. (Bakterien organisieren sich in Biofilmen zu pseudo Organismen .. sprechen eine gemeinsame Sprache, tauschen sich über Erfahrungen mit Chemikalien aus .. passen die Folgegeneration an diese an .. können sich aktiv klonen)
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