Die Flug- und Laufkybernetik von drei Echsenarten

Gecko

Den derzeitigen Stand der Wissenschaft belegen die nachfolgenden Veröffentlichungen von 2014 und 2012(Auszug) 

 aus der Zeitschrift scinexx.de                                                      American Institute of Physics (AIP), 13.08.2014 - NPO)                    Alex Greaney,Congcong Hu ,Oregon State University                  Computational Materials Research Group

Gecko schaltet Haftung an - und ab

Raffinierter Mechanismus ermöglicht das schnelle und energiesparende Loslassen

Patent der Natur: Wie schaffen es Geckos, dass ihre Haftfüße nur dann kleben, wenn sie es sollen? Das haben US-Forscher nun herausgefunden. Die Geckos schalten ihre Haftkraft gezielt an und aus, indem sie den Winkel und Flexibilität der winzigen Hafthärchen minimal verändern. Dadurch können die Tiere ihre Füße ohne Gezerre vom Untergrund lösen – und gewinnen dabei sogar noch einen Teil der Energie zurück, wie die Forscher im Fachmagazin "Journal of Applied Physics" berichten.

Die Haftkraft der Gecko-Füße ist legendär. Sie ermöglicht es den flinken Echsen, problemlos an senkrechten Flächen und selbst an der Decke entlang zu laufen. Möglich wird dies durch ein System von hierarchisch gegliederten Hafthaaren an ihren Füßen. Die zwischen der Oberfläche und den Härchen wirkenden Van der Waals-Kräfte halten den Geckofuß fest. "Die Härchen deformieren sich und bilden Millionen von Kontaktpunkten, von denen jeder eine kleine Last trägt", erklärt Koautor Alex Greaney von der Oregon State University. Dadurch haftet der Gecko selbst an sehr rauen Oberflächen. 

Das Loslassen ist entscheidend

Doch es gibt noch einen zweiten, ebenso entscheidenden Aspekt der Haftung: das Loslassen. Nur wenn die Haftkraft auch schnell wieder aufhört, kann der Gecko seinen Fuß vom Untergrund abheben, um einen Vorwärtsschritt zu machen. Versuche mit nachgebauten Haftsystemen zeigten bereits, dass die leichten Verdickungen an den Enden vieler tierischer Haftorgane die schnelle Ablösung vom Untergrund fördern, dies benötigt aber relativ viel Energie. 

Um herauszufinden, wie der Gecko seine Haftung steuert, untersuchten Greaney und sein Kollege Congcong Hu das physikalische Verhalten der Gecko-Hafthaare nun mit Hilfe eines mathematischen Modells. Dabei zeigte sich: "Geckofüße sind von Natur aus eigentlich nichthaftend", erklärt Greaney. "Erst ein simpler, aber genialer Mechanismus erlaubt es dem Gecko, zwischen Haften und Nichthaften hin- und her zu wechseln." 

 

Winkel und Scherkraft als Schalter

Wie ihr Modell enthüllte, wird die Haftkraft erst aktiviert, wenn die Haare den Untergrund in einem bestimmten Winkel berühren. Die Haftzone ist dabei stark asymmetrisch, das hilft dem Gecko dabei, in verschiedensten Ausrichtungen an der Wand zu kleben, so die Forscher. Eine winzige Scherkraft ist dabei für das eigentliche Anschalten der Haftung verantwortlich. Winkel, Flexibilität und Ausziehbarkeit der Haare wirken dabei synergistisch zusammen und das erst resultiert in der robusten und enorm tragfähigen Haftkraft. 

Umgekehrt erlauben schon geringste Veränderungen des Winkels, die Haare ohne großes Zerren wieder vom Untergrund abzulösen. Der Gecko schaltet damit seine Haftkraft sofort aus – und verliert dabei so gut wie keine Energie. Aber nicht nur das: "Eine der wirklich coolen Dinge ist, dass die Hafthaare des Geckos eine große Menge an Energie absorbieren können, diese aber auch wieder freisetzen", erkläret Greaney. 

Energie wird zurückgewonnen

Ähnlich wie eine Feder nach dem Zusammenstauchen zurückschnellt, könnten die Hafthaare dem Gecko damit sogar eine Art Zusatzschub verleihen, wenn er beispielweise plötzlich schnell wegspringt. Gleichzeitig schlucken sie die Aufprallenergie, die frei wird, wenn die Echse sich nach einem Sturz abfängt. 

Das subtile Geschehen beim An- und Abschalten der Haftung zu verstehen, könnte dazu beitragen, künstliche Haftmaterialien nach dem Gecko-Prinzip weiter zu verbessern. Auch Greaney und Hu wollen nun versuchen, in weiteren Tests und Experimenten, ihre Erkenntnisse auf solche Materialien zu übertragen. (American Institute of Physics (AIP), 13.08.2014 - NPO) 

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Jesus Christus Echse

ZEIT MAGAZIN WISSEN

Die Echse, die wie Jesus über das Wasser läuft

Gejagt von Schlangen flüchten Jesus-Christus-Echsen rasend schnell übers Wasser. Und Forscher tüfteln an Robotern nach dem Vorbild dieser Reptilien.

Von Gianna-Carina Grün

3. Januar 2012,

Der eine lief über das Wasser, der andere teilte es. Wer die Gesetze der Physik überlistete, gelangte in der Bibel zu großem Ruhm. Dabei sindJesus und Moses nicht die einzigen, die das seit jeher wichtige Element Wasser beherrschen. Auch Insekten wie etwa der Wasserläufer bewegen sich auf der flüssigen Masse so als wäre sie fester Grund.

Wenn so ein leichtgewichtiges Insekt die Gesetze der Physik bezwingt, ist das nicht wirklich verwunderlich. Aber wenn eine ausgewachsene Echse es schafft, über das Wasser zu laufen, ist das schon bemerkenswerter. Und tatsächlich sind die Jesus-Christus-Echsen (ja, so heißen sie wirklich) keine Bibel-Tiere oder Fabelwesen , sondern sprinten in Fleisch und Farbe über die Urwaldseen und -flüsse zwischen dem Süden Mexikos und dem Norden Brasiliens .

Rund zehn Meter kann eine Jesus-Echse übers Wasser laufen, bevor die Physik zurückschlägt. Bis dahin gelingt es dem Reptil meist, seine 200 Gramm Körpergewicht verteilt auf 70 Zentimeter Länge vor gefräßigen Schlangen zu retten.

Ermöglicht wird das zum einen durch die hohe Geschwindigkeit des Tieres: Je schneller etwas auf der Wasseroberfläche auftrifft, umso fester wird diese als Untergrund. Das weiß jeder, der schon einmal mit einem Bauchplatscher vom Fünf-Meter-Brett im Schwimmbecken gelandet ist. Diesen Effekt macht sich die Jesus-Echse zunutze indem sie ihre Füße mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche klatscht.

Zwar werden die Füße dabei etwas nass, weil sie die Oberfläche sehr stark krümmen, doch die Echse sprintet immer weiter. Ihre Beine bewegt sie dabei nach einem ausgefeilten Muster , wie Tonia Hsieh von der Harvard Universität herausfand . Sollte sie doch einmal ins Wasser eintauchen macht das nichts, denn die Leguane sind sehr gute Schwimmer und können bis zu 30 Minuten am Stück tauchen .

Dass die Echse über das Wasser gehen kann, hängt außerdem mit den Häuten an ihren Füßen zusammen. Durch eine spezielle Struktur bilden sich kleine Luftpolster unter der Sohle, die den Tieren zusätzlichen Auftrieb verleihen.

So schnappt das Schlangenmaul auf der Suche nach Nahrung häufig ins Leere. Ob Leguane dieser Art wohl wegen dieser Überlegenheit eigentlich Basilisken heißen, also " Könige der Schlangen "?

Jedenfalls könnte sich ihre besondere Fähigkeit als galaktischer Exportschlager der Tierwelt erweisen: Wenn Forscher verstehen, wie sich Lebewesen auf glitschigen, matschigen, flüssigen oder schotterigen Oberflächen sicher und schnell fortbewegen, könnte das helfen, neue Roboter zu entwickeln, die sich ebenso souverän auf der Oberfläche fremder Planeten oder Monde bewegen.

 

Die Flug- und Laufkybernetik von drei Echsenarten

Die biokybernetische Umschaltung des Repulsions-Kraftfeldes eines Lamellengeckos zu einem ventralen Attraktions-Kraftfeld.

Berlin März 2017

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