Eine mottenförmige Maschine aus transparentem Kunststoff kann an einer zuvor funktionslosen Stelle ihres Körpers einen neuen UV-Sensor erzeugen. Dafür pumpt sie chemische Bausteine durch künstliche Adern und wandelt sie dort, wo ultraviolettes Licht auftrifft, in leitfähiges Material um. Anschließend erkennt der neu entstandene Bereich UV-Strahlung und kann eine Reaktion des Roboters auslösen. Genau dieser Wechsel von einem passiven Körperteil zu einem funktionierenden Sensor macht den Versuch ungewöhnlich.
Im Labor der University of Tartu und des Italian Institute of Technology haben Kadri-Ann Pankratov und ihre Kollegen einen Roboterkörper gebaut, dessen Hardware nicht vollständig bei der Herstellung festgelegt ist. Die in Advanced Science veröffentlichte Arbeit beschreibt eine transparente, mottenähnliche Plattform mit inneren Flüssigkeitswegen, eingebetteten Kontakten und beweglichen Flügeln. Bevor die chemische Reaktion startet, besitzt der vorbereitete Bereich keine messbare Empfindlichkeit für UV-Licht; erst die lokale Materialbildung erzeugt die neue Funktion.
Als biologisches Vorbild wählten die Entwickler den Blauen Ordensbandfalter Catocala fraxini. Insektenflügel sind keine trockenen Folien, sondern von Adern durchzogen, durch die Hämolymphe zirkuliert und Material im Körper verteilt. Diese Idee übertrugen die Forscher auf Robotik: Statt jede spätere Funktion als fertiges Bauteil einzubauen, transportiert ein internes Flüssigkeitssystem Ausgangsstoffe dorthin, wo sie gebraucht werden. Ähnliche bioinspirierte Ansätze kennt die Robotik bereits von ferngesteuerten Insekten-Cyborgs, hier entsteht die eigentliche Sensorfunktion jedoch erst im Material des künstlichen Körpers.
Die transparente Struktur besteht aus PETG und verbindet zwei sehr unterschiedliche Transportebenen. Größere, millimeterbreite Kanäle führen Flüssigkeit durch die flachen Flügel, während feinere Zwischenräume im gedruckten Kunststoff als Mikrokanäle dienen. In diese poröse Zone kann das Gemisch aus den Hauptkanälen eindringen und einen dünnen Bereich des umgebenden Materials erreichen. So legt der 3D-Druck nicht nur die äußere Form der Motte fest, sondern erzeugt gleichzeitig ein internes Verteilernetz für spätere chemische Veränderungen.
Für die Versuche genügte eine einzige Pumpe, die den gesamten Körper mit ungefähr drei Millilitern Flüssigkeit versorgte. Die künstliche Hämolymphe enthielt Pyrrol, einen lichtaktivierbaren Initiator und einen Zusatz auf Cellulosebasis. Dieses Gemisch ist zunächst nur Rohmaterial. Seine Bedeutung entsteht erst dort, wo eine passende äußere Einwirkung die chemische Reaktion startet. Die Forscher nennen das Prinzip „Receptogenesis“, also die nachträgliche Entstehung eines Rezeptors innerhalb eines bereits gefertigten Roboters.
Der Ansatz unterscheidet sich damit von einer klassischen Sensorbestückung, bei der Kameras, Fotodioden oder Drucksensoren vor dem Einsatz an festgelegten Positionen montiert werden. Für gut bekannte Umgebungen ist diese herkömmliche Lösung effizient. Schwieriger wird es bei Maschinen, die in unbekannte Ruinen, Naturgebiete oder andere schwer vorhersehbare Umgebungen geschickt werden, weil dort erst im Einsatz sichtbar werden kann, welche Stelle eines Körpers besonders stark belastet oder einem bestimmten Signal ausgesetzt ist.
Im entscheidenden Versuch bestrahlte das Team einen vorbereiteten Bereich mit UV-Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern. Der Lichtimpuls aktiviert die Polymerisation des Pyrrols, sodass sich im Kunststoff Polypyrrol bildet. Dieses Material leitet elektrischen Strom, und seine Entstehung ist mit bloßem Auge erkennbar: Der zuvor durchscheinende Bereich wird dunkel. Damit entsteht an der bestrahlten Stelle ein neues elektrisches Element, während der übrige Roboterkörper seinen ursprünglichen Zustand behält.
Die Forscher benötigten für die Photopolymerisation etwa eine Minute. Eine Maske begrenzte dabei, welche Zone beleuchtet wurde, sodass sich der neue Rezeptor gezielt formen ließ. Entscheidend ist nicht nur die dunkle Färbung, sondern die Änderung der elektrischen Impedanz. Trifft später erneut UV-Licht auf den gebildeten Polypyrrolbereich, verändert sich dessen Leitfähigkeit messbar. Ein Mikrocontroller kann dieses Signal auslesen und damit eine körperliche Reaktion des Roboters verknüpfen.
Daraufhin schlug die Motte ihre Flügel oder aktivierte eine visuelle Anzeige. Für die Flügelbewegung nutzte das Team einen Draht aus einer Formgedächtnislegierung, der sich bei elektrischer Erwärmung in eine vorgegebene Form zurückbewegt. Solche Materialien sind auch aus anderer adaptiver Technik bekannt, doch hier kommt das Auslösesignal von einem Sensor, den der Roboter während des Experiments erst erzeugt hat. Der Versuchsaufbau verbindet damit Materialtransport, chemische Synthese, elektrische Messung und Bewegung zu einer einzigen Funktionskette.
Mit den verwendeten Masken konnten die Wissenschaftler Sensorstrukturen mit einer Genauigkeit von rund 0,3 Millimetern erzeugen. Diese räumliche Kontrolle ist wichtig, weil ein zukünftiger Roboter nicht einfach überall leitfähiges Material bilden soll. Stattdessen wäre denkbar, nur besonders exponierte Bereiche umzubauen. Die eigentliche Umgebung könnte dabei langfristig als Auslöser dienen und festlegen, an welchem Teil des Körpers eine neue Funktion entsteht.
Im aktuellen Experiment geschieht diese Entscheidung noch nicht autonom. Die Forscher bestimmen, wann die Vorstufen in das Kreislaufsystem gelangen, und die Maske legt den Ort der Reaktion fest. Auch die verwendete Chemie ist vorgegeben. Der Roboter erfindet also keinen Sensor und wählt nicht selbstständig ein neues Material aus. Das Experiment demonstriert vielmehr, dass ein vorbereiteter Körper chemisch so ausgestattet werden kann, dass er später an einer ausgewählten Stelle funktionierende Hardware ausbildet.
Diese Grenze ist für die Einordnung wichtig, weil der sichtbare Effekt leicht futuristischer wirkt, als der Entwicklungsstand tatsächlich ist. Das System besitzt weder einen freien Materialbaukasten noch eine allgemeine Selbstheilung. Es zeigt jedoch einen anderen Weg als austauschbare Module oder aufgesteckte Ersatzteile: Die neue Funktion entsteht innerhalb der vorhandenen Struktur. Verwandte Forschung an funktionaler Roboterhaut verfolgt ebenfalls das Ziel, Maschinen mehr Wahrnehmung direkt über ihre Oberfläche zu geben.
Während der Messungen bemerkte das Team außerdem, dass die Sensorantwort nach wiederholter UV-Bestrahlung stärker wurde. Restliches Pyrrol polymerisierte weiter, wodurch sich die elektrische Eigenschaft des Materials schrittweise veränderte. Die Autoren beschreiben dieses Verhalten als eine einfache Form von Materialgedächtnis, weil der physische Zustand des Sensors von seiner bisherigen Lichtexposition abhängt. Das Bauteil speichert keine digitale Erinnerung, trägt aber einen chemisch veränderten Zustand aus früheren Kontakten weiter.
Die erzeugten Sensoren blieben nach mehr als vier Monaten Lagerung funktionsfähig. Für eine technische Anwendung wären zusätzlich Alterung unter wechselnden Temperaturen, mechanische Belastungen, Feuchtigkeit und viele weitere Zyklen zu prüfen. Auch die irreversible Polymerisation begrenzt das aktuelle System: Ein einmal gebildeter Sensor verschwindet nicht wieder, wenn er an einer anderen Stelle hilfreicher wäre. Die Forscher wollen deshalb auch Materialsysteme untersuchen, deren Veränderungen umkehrbar sind.
Das künstliche Kreislaufsystem könnte grundsätzlich mehr als nur Pyrrol transportieren. Die Autoren nennen unter anderem Materialien für Korrosionsschutz, elektromagnetische Abschirmung oder Schnittstellen zu biologischem Gewebe als mögliche Richtungen. Solche Anwendungen sind noch keine getesteten Funktionen dieses Mottenroboters. Die bestehende Plattform zeigt lediglich, dass gelöste oder dispergierte Stoffe durch dieselben inneren Wege verteilt werden können, bevor eine lokale Reaktion sie in ein neues Material überführt.
Für künftige Systeme liegt die schwierigste Aufgabe weniger im Pumpen als in der Auswahl dessen, was überhaupt entstehen soll. Pankratov beschreibt als offene Frage, wie ein Roboter ohne vorher festgelegte Entscheidung erkennen könnte, welche neue Komponente ihm in einer bestimmten Situation fehlt. Ein zentraler Rechner müsste dafür nicht nur Umweltdaten bewerten, sondern auch wissen, welche chemischen Rohstoffe verfügbar sind und welche körperliche Veränderung daraus sicher hergestellt werden kann.
Gerade darin unterscheidet sich der Ansatz von Biorobotern aus lebenden Zellen. Die Mottenplattform besteht aus konventionell gefertigtem Kunststoff, Elektronik und chemischen Ausgangsstoffen. Ihre Anpassung beruht auf Materialchemie innerhalb eines künstlichen Gefäßnetzes. Der nächste Schritt muss zeigen, ob sich mehrere unterschiedliche Reaktionen in demselben Körper zuverlässig kontrollieren lassen, ohne dass sich die Ausgangsstoffe gegenseitig stören oder ungewollt an falschen Stellen reagieren.
Die Forscher planen deshalb, das Materialrepertoire des Systems zu erweitern und die Steuerung weniger vorbestimmt zu machen. Erst wenn ein Roboter verschiedene Bausteine sicher transportieren, eine passende Reaktion auswählen und deren Ergebnis selbst prüfen kann, würde aus dem heutigen Einzelversuch eine allgemeinere Plattform für adaptive Hardware. Bis dahin bleibt die schwarze Sensorfläche auf dem transparenten Mottenkörper vor allem ein sichtbarer Beleg dafür, dass ein bereits gebauter Roboter an seinem eigenen Material eine neue technische Funktion erzeugen kann.
Advanced Science, Receptogenesis in a Vascularized Robotic Embodiment; doi:10.1002/advs.76999
Estonian Research Council, Robot moth gained an extra sense via generative vascular embodiment
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