Vom Nutzen der Blindfische

Die Maschine mit dem Ping, aktives Sonar, benutzen viele Minensuchboote, um damit im Wasser treibende Sprengsätze aufzuspüren. U-Boote hingegen möchten lieber selbst unentdeckt bleiben und verzichten daher auf Ping, setzten lieber auf passives Sonar, horchen also nur in ihre Umgebung hinein. Eine Alternative dazu sind Strömungssensoren, die ebenfalls geräuschlos eine Art Unterwasser-Bild liefern können. Solche künstlichen Sinneszellen konstruiert Michael McConney vom Georgia Institute of Technology in Atlanta – nicht für große U-Boote, sondern für autonome Unterwasserfahrzeuge.

"Die sollen von alleine ihren Weg finden, ohne dass Menschen sie steuern müssten, sondern vollkommen selbständig. Die können zum Beispiel einen Küstenstreifen bewachen, absichern gegen fremde U-Boote. Vor allem geht es dabei um militärische Verteidigung, aber sie können beispielsweise auch dazu benutzt werden, Ölplattformen zu inspizieren."

Inspiration holt sich der Materialwissenschaftler in der Natur, bei einer Kreatur, die im Dunklen haust und auf den Namen Astyanax fasciatus mexicanus hört. Auf deutsch: Blinder Höhlensalmler. Das ist ein Fisch, dessen Namen eigentlich schon alles sagt.

"Ja, er ist wirklich blind. Und ja, er lebt tatsächlich in Höhlen. Er hat auch einige nahe Verwandte, die sehen können. Aber diese spezielle Form hat sich an die Dunkelheit in den Höhlen angepasst. Und wer braucht da schon Augen?"

Deshalb haben sie sich einfach zurück gebildet. Viel wichtiger ist da ein anderer Sinn mit dem die Höhlenfische sich orientieren: dejavascript:act('speichern')r Ferntastsinn, wahrgenommen durch die so genannten Seitenlinienorgane. Das sind kleine natürliche Sensoren auf der Schuppenhaut von Fischen. Winzige Fingerchen, die entlang einer Linie vom Kopf bis zur Schwanzflosse sitzen. Mit ihnen können die Tiere zum Beispiel erkennen, wie schnell das Wasser an ihnen vorbei strömt. Bei den blinden Höhlenfischen sind die Seitenlinienorgane ausgesprochen empfindlich. Eine besondere Art von Sinneszellen bildet das Herzstück eines jeden einzelnen Fingers.

"Das sind Haarzellen. Wenn etwas gegen das Härchen drückt, dann geben sie einen Nervenimpuls ab, den das Tier als Reiz wahrnimmt."

Eine künstliche Haarzelle hat Michael McConney nun als Startpunkt für seinen Sensor ausgewählt. Sie besteht aus einem Piezo-Kristall, der einen Spannungsimpuls abgibt, wenn er leicht zusammengedrückt wird, und aus einem winzig kleinen Hebel mit einem künstlichen Haar daran. Allerdings hatte sich schnell heraus gestellt, dass die Empfindlichkeit dieser synthetischen Haarzelle sehr viel geringer ist als bei den natürlichen Sensoren der Höhlenfische. Bei den blinden Höhlenfischen stülpt sich nämlich noch jener winzige Finger über die Haarzellen. Er besteht aus einer Membran, die mit einer gallertartigen Masse gefüllt ist. Die Schwingungen des Wassers können so leichter aufgenommen werden. Michael McConney hat seinem Piezo-Sensor daher einen ähnlichen Verstärker verpasst – aus Kunststoff.

"Das ist ein Gel, dem natürlichen sehr ähnlich, das wir vorher chemisch analysiert hatten. Diese Gelatine-artigen Substanz haben wir unsere Sensoren aufgepfropft. Dadurch konnten wir deren Empfindlichkeit deutlich erhöhen – jetzt kommen wir damit fast in den Bereich der Sinneswahrnehmung der Fische."

Im Vergleich zu dem einfachen Piezo-Sensor hat die Gelatinehülle die Empfindlichkeit um das Vierzigfache gesteigert. Das künstliche Fisch-Organ kann damit feinste Strömungen wahrnehmen, die in einer Sekunde noch nicht einmal einen zehntel Haardurchmesser hinter sich lassen. Als nächstes wollen die Forscher aus Atlanta nun daran arbeiten, eine gewisse Anzahl der Sensoren zu großflächigen Messgeräten zusammen zu fassen – ähnlich wie die hintereinander sitzenden Seitenlinienorgane beim Blinden Höhlensalmler.