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Rückenflosse des Riemenfischs als Vorbild für große Unterwasserroboter
Riemenfische können durch das Meer gleiten, ohne ihren langen Körper stark seitlich zu bewegen, weil sie sich mit einer wellenförmig schwingenden Rückenflosse antreiben. Forscher haben nun den ungewöhnlichen Bewegungsapparat untersucht: Hunderte einzeln bewegliche Flossenstrahlen sitzen auf Kugelgelenken und werden von Muskeln gesteuert. Ihr Bauprinzip könnte die Entwicklung leiser Unterwasserroboter voranbringen.
Ithaca (U.S.A.). Der Große Riemenfisch gehört zu den längsten lebenden Knochenfischen und kann eine Körperlänge von mindestens acht Metern erreichen. Trotz seiner Größe wird er nur selten in freier Wildbahn beobachtet. Seine auffälligste Besonderheit ist eine schmale Rückenflosse, die sich fast über den gesamten langgestreckten Körper zieht.
Beim langsamen Schwimmen laufen Wellen durch diese Flosse, während der Rumpf vergleichsweise ruhig bleibt. Die Tiere können ihren Körper allerdings ebenfalls schlängelnd bewegen, beispielsweise bei schneller Flucht. Wie sie die zahlreichen Flossenstrahlen für ihre fein abgestimmten Bewegungen steuern, war bisher nur unzureichend verstanden.
Forscher der Cornell University um Gabriel Vinícius Felix Afonso haben den Antrieb nun anhand von acht konservierten Exemplaren des Großen Riemenfischs (Regalecus glesne) untersucht. Dafür kombinierten sie anatomische Präparationen, Gewebeschnitte, Röntgen- und Computertomografieaufnahmen mit dem Vergleich anderer Fischarten. Zusätzlich analysierten sie Unterwasseraufnahmen schwimmender Riemenfische.
Die Rückenflosse besteht aus einer dünnen Hautmembran, die von vielen schlanken, unverzweigten Knochenstrahlen aufgespannt wird. In einem untersuchten Tier zählte das Team 401 solcher Strahlen. Jeder sitzt an einem kleinen Kugelgelenk und wird durch zwei knöcherne Stützelemente stabilisiert.
Besonders aufwendig ist die zugehörige Muskulatur: Drei paarige Muskeln bewegen jeweils einen Flossenstrahl, insgesamt also sechs Muskeln pro Einheit. Die anatomische Anordnung ermöglicht dem Strahl nach der Rekonstruktion eine Drehbewegung über einen Winkel von 360 Grad, ähnlich dem beweglichen Hebel eines Joysticks. Das bedeutet nicht, dass sich die Strahlen beim Schwimmen fortwährend wie Propeller drehen.
„Die meisten langgestreckten Fische schwimmen wie Aale“, erklärt Prof. William E. Bemis von der Cornell University.
Beim Riemenfisch ist diese seitliche Körperbewegung jedoch nicht die einzige Antriebsart. Die einzeln beweglichen Flossenstrahlen können ihre Stellung verändern, ohne dass dafür der gesamte Rumpf kräftig hin und her schwingen muss. Zusammen übertragen sie ihre Bewegungen auf die durchgehende Flossenmembran.
Auf den ausgewerteten Unterwasservideos verfolgen die Forscher, wie sich Wellenberge entlang der Rückenflosse verschieben. Einige laufen zum Kopf, andere gleichzeitig zum Schwanz. Solche gegenläufigen Wellen können aufeinandertreffen, verschwinden oder ihre Ausbreitungsrichtung ändern, wie eine Bildfolge über 2,4 Sekunden zeigt.
Der Fisch kann damit unterschiedliche Abschnitte der Rückenflosse verschieden bewegen. Die Forscher schließen daraus, dass sich Schub und Körperhaltung sehr fein regulieren lassen. Die anatomischen Befunde erklären, wie die hohe Beweglichkeit möglich ist. Die tatsächliche Kraft jedes einzelnen Muskels wurde unter Wasser jedoch nicht gemessen.