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Cyborg-Kakerlaken laufen dank „Tauchanzug“ drei Stunden unter Wasser
Unter Wasser bisher schnell am Ende: Ferngesteuerte Cyborg-Kakerlaken können mit einem flexiblen Tauchanzug bis zu drei Stunden aktiv bleiben. Ein chemischer Minigenerator liefert Sauerstoff direkt an ihre Atemöffnungen und hält zugleich Wasser fern. In Labortests durchquerten die Tiere damit sogar eine kombinierte Kohlendioxid- und Wasserzone sowie eine nur zwei Zentimeter hohe Unterwasserspalte.
Singapur (Singapur). Cyborg-Insekten verbinden den Bewegungsapparat eines lebenden Tieres mit elektronischer Steuerung. Solche Systeme können in enge Trümmerbereiche vordringen und verbrauchen für ihre Fortbewegung deutlich weniger Energie als kleine Roboter mit Motoren. Ihr biologischer Vorteil hat jedoch eine klare Grenze: Eine landlebende Kakerlake kann unter Wasser keinen Sauerstoff aus ihrer Umgebung aufnehmen.
Forscher der Nanyang Technological University (NTU) um Prof. Hirotaka Sato haben diese Grenze nun mit einem tragbaren Tauchanzug verschoben. Als Versuchstiere dienten Madagaskar-Fauchschaben, deren Bewegung über einen kleinen elektronischen Rucksack elektrisch angesteuert werden kann. Die Studie prüfte, ob eine eigene Sauerstoffversorgung den Cyborg-Insekten längere Einsätze im Wasser und in sauerstoffarmen Bereichen ermöglicht.
Der Tauchanzug besteht aus einer flexiblen wasserdichten Hülle, einem Miniatur-Sauerstoffgenerator und vier Silikonschläuchen. Diese Schläuche führen den erzeugten Sauerstoff direkt zu den Atemöffnungen am Brustabschnitt, den sogenannten Stigmen. Die Hülle schirmt weitere Atemöffnungen am Hinterleib gegen Wasser ab und dient zugleich als geschützter Gasraum.
Für den Sauerstoffgenerator nutzt das Team eine einfache chemische Reaktion. Ein mit Mangandioxid beschichteter Zelluloseschwamm katalysiert die Zersetzung einer dreiprozentigen Wasserstoffperoxid-Lösung. Mit einem Milliliter davon erzeugte das System im Versuch insgesamt rund 6,2 Milliliter Sauerstoff, ohne dafür eine zusätzliche Stromversorgung zu benötigen.
„Unser neuer Tauchanzug für Insekten funktioniert wie der Sauerstofftank menschlicher Taucher“, erklärt Prof. Hirotaka Sato.
Im Unterwassertest blieben die ausgerüsteten Cyborg-Kakerlaken zwei bis drei Stunden aktiv und reagierten weiter auf elektrische Steuersignale. Ein Kontrolltier ohne Tauchanzug erstickte dagegen innerhalb von rund zwei Minuten. Der entscheidende Unterschied war damit nicht nur eine wasserdichte Verpackung, sondern die kontinuierliche Versorgung des Atmungssystems mit Sauerstoff.
Auch die Fortbewegung blieb über längere Zeit möglich. An Land liefen die Tiere mit dem Anzug im Mittel 8,75 Zentimeter pro Sekunde vorwärts. Fünf Minuten nach dem Abtauchen waren es 7,84 Zentimeter pro Sekunde, nach drei Stunden noch 5,23 Zentimeter pro Sekunde. Vor allem beim Drehen bremste der Wasserwiderstand die Tiere deutlich stärker als beim geraden Lauf.
„Unser Ansatz kombiniert eine weiche wasserdichte Hülle mit einem einfachen, aber zuverlässigen chemischen Sauerstoffgenerator“, erklärt Prof. Shinjiro Umezu von der Waseda University.
Wie belastbar das Konzept in gemischten Gefahrenzonen ist, testeten die Forscher in einem 1,7 Meter langen Tunnel. Auf einen Abschnitt mit Kohlendioxid folgte dort eine vollständig mit Wasser gefüllte Zone. Ungeschützte Cyborg-Kakerlaken verloren im Kohlendioxid rasch ihre Reaktionsfähigkeit, ein weiteres Kontrolltier kam im Wasser innerhalb von 45 Sekunden zum Stillstand.