Ein grüner Streifen aus Gel, kaum größer als eine Büroklammer, krümmt sich unter Wasser, sobald Licht auf ihn fällt. Angetrieben wird dieser weiche Roboterarm nicht von Strom oder Motoren, sondern von lebenden Mikroalgen auf seiner Oberfläche. Ihr Stoffwechsel verändert im Licht den pH-Wert im Material, im Dunkeln kehrt sich die Bewegung wieder um. Forscher der TU Delft haben damit eine kleine Metallkugel und einen Gummiring gegriffen. Es handelt sich um einen Prototyp aus dem Labor, der langsam arbeitet und nur sehr geringe Kräfte entwickelt.
Der Roboterarm ist eigentlich ein sogenannter Aktuator, also ein Bauteil, das Energie in Bewegung umsetzt. Er besteht aus zwei aufeinanderliegenden Schichten aus Hydrogel, einem wasserreichen, weichen Kunststoffnetz, und ist 20 Millimeter lang, 5 Millimeter breit und 1 Millimeter dick. Auf seiner Oberfläche wächst ein dünner Film aus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, die in der Biologie als Modellorganismus weit verbreitet ist. Entwickelt hat ihn ein Team um Marie-Eve Aubin-Tam, Professorin für technische Biomaterialien, vom Kavli-Institut für Nanowissenschaften der Technischen Universität Delft in den Niederlanden. Erstautor der Studie, die im Fachjournal Nature Communications erschienen ist, ist Fan Jiang. Die Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat gefördert.
Der Trick beruht auf einer Nebenwirkung der Photosynthese. Wenn die Algen im Licht Kohlendioxid binden, holen sie sich gelösten Kohlenstoff aus dem umgebenden Wasser, und dabei werden Wasserstoffionen verbraucht. Zugleich nehmen sie Nitrat als Stickstoffquelle auf und verarbeiten es zu Bausteinen für Eiweiße, was ihre Umgebung ebenfalls basischer macht. In einer reinen Algenkultur stieg der pH-Wert dadurch innerhalb von knapp drei Stunden Licht von 8,1 auf 10,8. Im Dunkeln läuft vor allem die Atmung weiter, die Algen setzen Kohlendioxid frei, und der pH-Wert sinkt wieder. Damit diese Schwankungen groß genug ausfallen, verzichteten die Forscher auf die sonst üblichen Puffer im Nährmedium und boten den Algen Nitrat statt Ammonium als Stickstoff an.
Die beiden Gelschichten reagieren auf diese Änderung ganz unterschiedlich. Die aktive Schicht enthält Phenylboronsäure, eine Verbindung, die bei steigendem pH-Wert negative Ladungen annimmt. Die Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, das Netz weitet sich und saugt Wasser auf. Bei pH 11 wog diese Schicht in Versuchen ohne Algen gut das Vierfache ihres Ausgangsgewichts, während die zweite Schicht aus reinem Polyacrylamid bei jedem pH-Wert gleich stark quoll. Weil sich also nur eine Seite ausdehnt, krümmt sich der Streifen wie ein Bimetall im Thermostat. Sinkt der pH-Wert, zieht sich die aktive Schicht wieder zusammen, und der Streifen biegt sich in die Gegenrichtung.
Aufgetragen wurden die Algen nicht mit einem Pinsel oder Drucker. Die Forscher legten den fertigen Gelstreifen sieben Tage lang in eine Algenkultur mit wechselnden Licht- und Dunkelphasen. In dieser Zeit setzten sich die Zellen fest und bildeten einen Biofilm, der auf der aktiven Schicht nach einer Woche gut 70 Mikrometer dick war. Auf der passiven Schicht blieb er mit gut 40 Mikrometern dünner. Die Forscher vermuten, dass die Phenylboronsäure an zuckerhaltige Moleküle auf der Zelloberfläche bindet und den Algen so das Anhaften erleichtert. Ausgerechnet die Seite, die sich bewegen soll, wird damit am dichtesten besiedelt.
Bemerkenswert ist, wo der pH-Wert sich ändert. Für die eigentlichen Versuche kam der besiedelte Streifen in frisches Nährmedium ohne frei schwimmende Algen. Das umgebende Wasser schwankte dort nur zwischen pH 8,3 und 9,2. Im Inneren des Gels lagen die Werte nach Infrarotmessungen dagegen zwischen etwa 7 und 11. Die Algen verändern also vor allem ihre unmittelbare Umgebung im Material und kaum das Wasser drumherum. Herkömmliche pH-gesteuerte Gele müssen dagegen in Lösungen mit anderem pH-Wert umgesetzt werden, um sich zu bewegen. Für Anwendungen unter Wasser, bei denen die Umgebung nicht verändert werden soll, halten die Autoren das für einen Vorteil.
Um auszuschließen, dass das Licht selbst das Gel bewegt, testeten die Forscher mehrere Varianten. Ein Gelstreifen ohne Algen reagierte unter demselben Licht überhaupt nicht. Ein Puffer im Wasser, der den pH-Wert festhält, legte die Bewegung ebenfalls lahm. Als die Forscher den Hemmstoff DCMU zugaben, der einen zentralen Schritt der Photosynthese blockiert, kehrte der Streifen trotz weiterer Beleuchtung sofort seine Richtung um und reagierte danach nicht mehr auf Licht. Auch Streifen, deren Algen eine Stunde lang bei 60 Grad Celsius abgetötet worden waren, blieben starr. Legte man sie erneut in eine lebende Algenkultur, bewegten sie sich wieder. Entscheidend ist also der Stoffwechsel lebender Zellen, nicht die bloße grüne Biomasse.
Biohybride Roboter, die mit lebenden Zellen arbeiten, gibt es schon länger. Bekannte Beispiele nutzen Muskelzellen, wachsende Hefen oder den Stoffwechsel von Bakterien. Dazu zählt etwa ein Roboter mit lebenden Muskeln, der durch ein Labyrinth schwimmt. Als große Schwierigkeit solcher Systeme nennen die Autoren, dass die Zellen oft nur kurz überleben, strenge Bedingungen brauchen und sich die Bewegung schlecht umkehren lässt. Die Algen haben einen Vorteil: Sie brauchen keinen Zucker als Nahrung, sondern gewinnen ihre Energie aus Licht und Kohlendioxid. Gentechnisch verändert wurden sie für den Versuch nicht.
Schnell ist der Roboterarm nicht. Bis der Streifen sich stark krümmt, vergehen Stunden, eine große Auslenkung erreichte er innerhalb von 18 Stunden. In einem Rhythmus aus drei Stunden Licht und 15 Stunden Dunkelheit schwang er zehn Zyklen lang mit einer nahezu gleichbleibenden Spannweite von etwa 300 Grad hin und her, gemessen als Winkel an der Spitze. Auch nach 60 Tagen im selben Nährmedium reagierte er noch auf Licht, und Messungen der Photosynthese zeigten über sechs Tage hinweg gesunde Algen. Kürzere Takte funktionieren ebenfalls: Zehn Minuten Licht krümmten den Streifen um gut 30 Grad, nach 30 Minuten Dunkelheit stand er wieder fast senkrecht.
Die erste Reaktion kommt dagegen überraschend schnell. Nach dem Ausschalten des Lichts begann der Streifen schon nach etwa 10 Sekunden, sich in die Gegenrichtung zu biegen, beim Einschalten nach etwa 20 Sekunden. Die Kraft bleibt winzig. Gegen einen Kraftsensor drückte der Streifen nach 15 Stunden Beleuchtung mit höchstens 0,8 Millinewton, das entspricht ungefähr der Gewichtskraft von 80 Milligramm. Hydrogel-Aktuatoren mit Kräften im Bereich von Millinewton werden nach Angaben der Autoren bereits für das sanfte Greifen kleiner und empfindlicher Gegenstände genutzt.
Für ihre Vorführungen bauten die Forscher den Streifen zu verschiedenen Formen um. Ein Greifer mit vier Fingern von 3 Zentimetern Spannweite schloss sich im Licht um eine hohle Metallkugel mit 9 Millimetern Durchmesser und 18,4 Milligramm Gewicht und hielt sie fest, während er angehoben wurde. Im Dunkeln öffnete er sich wieder und gab die Kugel frei. Ein einzelner Streifen krümmte sich zu einem Haken und fing einen Gummiring von 14 Millimetern Durchmesser und 52,5 Milligramm Gewicht ein. Das Anheben selbst übernahm in beiden Fällen eine von außen geführte Bewegung, die Algen sorgten für das Schließen und Öffnen. Eine blütenförmige Variante öffnete sich in fünf Stunden Licht vollständig und schloss sich in zehn Stunden Dunkelheit wieder.
Gerade bei zerbrechlichen Objekten sind weiche Greifer im Vorteil gegenüber starren Metallzangen, wie auch ein weicher Roboter zeigt, der rohes Eigelb greift, ohne es zu zerdrücken. Am Anfang habe keine bestimmte Anwendung gestanden, sagte Aubin-Tam laut einer Mitteilung der TU Delft. Ziel sei gewesen auszuloten, was möglich wird, wenn lebende Zellen in funktionale Materialien eingebaut werden. Als denkbare Einsatzfelder nennen die Forscher Greifer für die Unterwasserrobotik, landwirtschaftliche Vorrichtungen oder Jalousien, die sich nach dem Licht ausrichten, sowie die Steuerung winziger Flüssigkeitsströme auf Laborchips. Getestet wurde davon bislang nichts.
Bis zu einem praktischen Einsatz sind mehrere Hürden zu nehmen. Der Roboterarm funktioniert nur im Wasser und in einem speziellen, ungepufferten Nährmedium mit Nitrat, gemessen wurde bei 20 Grad Celsius unter einer roten und blauen Pflanzenlampe. Schon ein gelöster Puffer stoppt die Bewegung, was in natürlichen Gewässern oder in Gegenwart anderer Stoffe zum Problem werden könnte. Wie sich Temperaturschwankungen, Sonnenlicht im Freien oder konkurrierende Mikroorganismen auswirken, beschreibt die Studie nicht. Die Autoren gehen davon aus, dass die Robustheit der Algen gegenüber Temperatur, Salzgehalt und Lichtstärke dabei hilft, belegt ist das für den Aktuator aber noch nicht.
Auch die Aussagen zur Umweltbilanz sind vorerst Erwartungen. Weil die Algen Kohlendioxid binden und nur Licht als Energiequelle brauchen, könnte ein solcher Antrieb nach Ansicht der Autoren den CO₂-Fußabdruck von Robotern deutlich senken. Gemessen haben sie Energieverbrauch oder CO₂-Bilanz in der Studie nicht. Der Wert der Arbeit liegt daher vor allem im Prinzip: Ein Material kann den Stoffwechsel lebender Zellen direkt in eine umkehrbare Bewegung übersetzen, und es tut das über Wochen. Die vollständigen Messdaten und Versuchsbeschreibungen sind in der frei zugänglichen Studie im Fachjournal Nature Communications nachzulesen.
Nature Communications, Light-powered photosynthetic living actuator; doi:10.1038/s41467-026-78653-z
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