Dirt Eater

Dezember 2006

Kletterwand für Stammzellen
Forscher züchten Herzmuskel im Labor
Forscher schaffen Maschine aus Fleisch

November 2006

Der kritische Blick ins Gehirn
Muskeln aus Gelee

Oktober 2006

Forscher entwickeln Tarnumhang

September 2006

Naturfasern aus Bakterien: Fester als Stahl und so rein wie Medizin

Juli 2006

Querschnittsgelähmter steuert Roboterarm mit seinem Gehirn

Juni 2006

Spinnennetze aus Glas

Mai 2006

Was Nervenfasern wieder wachsen lässt

April 2006

Bienenaugen aus Plastik
Funktionsfähige Organe aus dem Labor

Dezember 2005

Mechanische Schneckenkopie

November 2005

Herzschrittmacher ohne Batterie

Oktober 2005

Trotz Taubheit Musik hören

September 2005

Schmucke Kunstgelenke

August 2005

Roboter mit Fledermaussonar
Tastsinn für die Roboter
Robbie mit den flinken Händen

Juli 2005

Scharfe Superdisk

Mai 2005

Mechanischer Balanceakt
Kamerahandy mit Insektenauge

April 2005

Auf dem Weg zum Gedankenlesen
Roboter zum Anziehen

März 2005

Schlangenroboter überwindet fast jedes Hindernis
Plastikkugeln schlagen DVD
Turbo-Akku ist schneller, besser und haltbarer

Februar 2005

Mit einem doppelten Trick gegen kaputte Nerven
Automatischer Wächter zum Kugeln

Januar 2005

Mauszeiger mit Köpfchen
Kugelsichere Schneckenhäuser
Mikrorobot mit Muskeln

Kletterwand für Stammzellen

29.12.2006

Amerikanische Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Zellen im Labor dreidimensional wachsen lassen können. Bislang züchten Mediziner neues Körpergewebe überwiegend auf ebenen Oberflächen. Die Forscher um Shuguang Zhang vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) brachten nun Eiweißfragmente dazu, lange Fasern zu bilden. In das resultierende wollknäuelartige Gerüst lagerten sie Mäusestammzellen ein, die sich dort durch Zellteilung vermehrten und ein dreidimensionales Gewebe aus Hautzellen oder Nervenzellen formten. Das Gewebe könne dann mitsamt des unterstützenden Gerüsts transplantiert werden, berichten die Forscher.

Mit biochemischen Verfahren erzeugten die Forscher aus einer Vielzahl von Eiweißfragmenten lange Proteinketten, von denen eine einzelne Faser 5000-mal dünner war als ein menschliches Haar. Diese feinen Faserketten lagerten sich zu einem Gerüst zusammen. Ab und an schleusten die Forscher in die Ketten Signalmoleküle ein, die bei Stammzellen bestimmte Reaktionen hervorrufen können, beispielsweise sich anzuheften und sich in bestimmte spezialisierte Zelltypen zu verwandeln. Dieses Gerüst impften die Forscher dann mit Mäusestammzellen und steuerten deren Entwicklung in ein Gewebe aus Haut- und Nervenzellen.

Im Körper bilden sich Zellen immer in einer dreidimensionalen Umgebung, die Sauerstoff, Nährstoffe und Botenstoffe für das Wachstum liefert. Auch die Bewegung von Zellen geschieht in räumlichen Strukturen. Mediziner sehen es daher schon lange als Nachteil an, Zellgewebe fast nur auf flachen Oberflächen züchten zu können: Zellstoffwechsel und Wachstumsmuster entsprechen dort nicht den körpereigenen Prozessen. Innerhalb räumlicher Strukturen können die Forscher diese Prozesse dagegen besser imitieren, und so aus den Stammzellen auch dreidimensionale Kulturen aus Knochen-, Herz-, Leber-, Haut- und Blutgefäßzellen bilden. Diese könnten dann einmal als Ersatzgewebe bei Verletzungen oder Erkrankungen dienen.

Shuguang Zhang (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al.: PLoS ONE, DOI:10.1371/journal.pone.0000119

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Forscher züchten Herzmuskel im Labor

11.12.2006

Eine sensationelle Züchtung ist jetzt US-Forschern gelungen: Sie haben aus den Zellen von Ratten einen Herzmuskel gezüchtet. Das Organ sei halb so leistungsfähig wie ein durchschnittlich gesundes menschliches Herz.

Möglich wurde dies durch eine Technik, bei der die Muskelzellen durch ein Gerüst gestützt werden, das sich auflöst, sobald sich die Zellen zu einem Gewebe entwickelt haben. Nach nur einigen Tagen formieren sich so dreidimensionale Herzmuskeln. Yen-Chih Huang und seine Kollegen von der Universität von Michigan hoffen, im Labor hergestelltes Herzmuskelgewebe in schwache oder kranke Herzen einpflanzen zu können, um diese zu heilen.

Das Gerüst besteht aus dem Stoff Fibrin, der normalerweise im Körper bei der Wundheilung hilft. Das klebrige Protein bildet netzartige Strukturen, die Wunden verschließen. Für ihre künstlichen Herzmuskeln ließen die Forscher etwa eine Million Herzmuskelzellen zu dreidimensionalen Geweben heranwachsen, die sich selbst organisierten und anfingen zu kontrahieren.

Die Wissenschaftler konnten die Aktivität der Herzmuskeln durch Gaben von zusätzlichem Kalzium und Herzmedikamenten verstärken und die Pulsfrequenz elektrisch beeinflussen. Die Kontraktionen der gezüchteten Herzmuskeln dauerten bis zu zwei Monate an.

Mit diesen Eigenschaften sind die Herzmuskeln des Forscherteams um Huang natürlich gewachsenen Herzen bisher am ähnlichsten. Jedoch sei die Entwicklung zur Transplantation von gezüchteten Teilen des Herzen oder gar eines ganzen Herzens aus dem Labor noch Jahre entfernt.

Als nächsten Schritt wollen Huang und seine Kollegen Gewebeteile in die Herzen von Ratten transplantieren, die einen Herzinfarkt hatten, um zu sehen, ob das Gewebe den Schaden heilen kann.

(aus dem News-Ticker RP-Online)

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Forscher schaffen Maschine aus Fleisch

2.12.2006

Japanische Forscher haben eine Maschine entwickelt, die teilweise aus lebendigem Fleisch besteht. Sie schafften es, in einer speziellen Nährlösung eine kleine Pumpe mit Herzgewebe einer Ratte zu betreiben. Die Zellen hatten sie künstlich gezüchtet. Der "lebendige Automat" arbeitete tagelang ohne jede Stromzufuhr.

Die Wissenschaftler umwickelten einen elastischen Ball mit gezüchtetem Gewebe aus Herzmuskelzellen von Ratten. Die synchronisierten Kontraktionen der Zellen pumpten eine Flüssigkeit im Ball durch zwei Öffnungen hinein und wieder heraus. Die Pumpe ist nur einen halben Zentimeter groß und funktioniert völlig unabhängig von einer externen Stromquelle, da sie ihre Energie aus umgebenen Nährstoffen gewinnt.

Die Forscher steckten in den Ball aus Silikon zwei winzige Röhrchen in zwei gegenüberliegende Öffnungen, überzogen den Ball mit einer Proteinschicht, an der Zellen leichter haften und wickelten das Herzzellengewebe darüber. Bereits nach einer Stunde hatte sich das Gewebe vollständig an den Ball geheftet und fing an, die Pumpe zu betreiben. Der Wissenschaftler Yo Tanaka von der Universität von Tokio und sein Team vergleichen den Aufbau mit dem Ein-Kammer-Herz von Regenwürmern.

In eine 37 Grad Celsius warme Nährflüssigkeit getaucht, arbeitete die Pumpe fünf Tage lang, währenddessen die Forscher die Pumpleistungen mithilfe eines Mikroskops untersuchten. Die Bewegung der Flüssigkeit, die von dem pulsierenden Muskelgewebe ausgelöst wurde, konnten sie dabei in den dünnen Röhrchen beobachten und so Pulsfrequenz und Fließvolumen berechnen.

Die Tatsache, dass die Maschine völlig ohne Stromzufuhr arbeitete, mache sie besonders interessant für die Anwendung in medizinischen Implantaten, schreiben Tanaka und seine Kollegen in der Fachzeitschrift "Lab Chip".

In ihrem nächsten Schritt wollen sie Kammern und Ventile in die Pumpe einbauen, damit die Flüssigkeit in eine Richtung befördert werden kann und nicht wie im diesem Experiment nur hin und her gepumpt wird. Neben einem möglichen Einsatz der lebenden Pumpe im menschlichen Körper sehen die Japaner Anwendungsmöglichkeiten auch in der Forschung, zum Beispiel als Teil von Herz-Kreislauf-Modellen.

(aus dem News-Ticker RP-Online)

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Der kritische Blick ins Gehirn

16.11.2006

Die Hirnforschung macht rasante Fortschritte. Wissenschaftler untersuchen die Möglichkeit der Verbindung von Denkapparat und Computer. Welche Einflüsse kann es von außen geben? Müssen wir künftig ferngesteuerte Menschen fürchten?

Ein Bewerbungsgespräch im Jahr 2030 könnte wie folgt ablaufen: Der Chef legt dem Job-Bewerber Drähte an den Kopf. Freundlich lächeln genügt nicht mehr. Ein gutes Zeugnis ebenso wenig. Der Bewerber wird mit dem Computer vernetzt; und der Rechner liefert die Daten, die für den potenziellen Arbeitgeber von Interesse sein können: Wie reagiert der Untersuchte auf Stress-Situationen? Was lässt ihn aus der Haut fahren? Dieser Hirnscan liefert schlussendlich verlässliche Antworten auf die Frage, ob der Bewerber eingestellt oder ob er nach Hause geschickt werden soll.

Noch ist dieses Szenario eine Vision. Noch kann der Mensch Gedanken nicht lesen. Doch die Erforschung unseres Gehirns schreitet stetig voran. Am Wochenende trafen sich in Düsseldorf Hirnforscher zu einem Kongress. Das Thema: „Die Gedanken sind frei“. Es ging um „Hirnforschung und Persönlichkeitsrechte“.

Und auf der Rednerliste standen neben verschiedenen Neurologen auch Mitarbeiter der Landesbehörde für Datenschutz und Informationsfreiheit sowie Philosophen. Die Gästeliste beweist: Längst ist die Hirnforschung keine rein medizinische Angelegenheit mehr. Längst wollen auch andere Disziplinen mitbestimmen, welchen Verlauf die Erforschung des menschlichen Gehirns nimmt. Denn wenn alle Gedanken lesbar werden, so fordern es jene, die der Hirnforschung kritisch begegnen, müssen die Menschen in ihren Persönlichkeitsrechten geschützt werden.

Innerhalb von zwei Jahrzehnten entwickelte sich die Hirnforschung von einem Randgebiet zu einem der großen Wissenschaftszweige. „Wir befinden uns bei der Wissenschaft der Hirnforschung erst bei etwa zehn Prozent des Möglichen“, sagt Georg Northoff. Der Magdeburger Philosoph und Neurologe ist einer der führenden seiner Zunft in Deutschland. Er glaubt: „Die Hirnforschung wird ein neues Selbstbild des Menschen erschaffen.“ Und er behauptet: „Irgendwann wird der Computer möglicherweise auch unsere Gedanken lenken können.“

In den vergangenen Jahren sorgte besonders die Stammzellforschung für Konfliktstoff. Schon bald könnte sich das Problemfeld verlagern. Die Hirnforschung entdeckt nach und nach eines der letzten Geheimnisse des Menschen. Wie und was denken wir? Der Geheimcode in unserem Kopf wird erforscht, das komplizierte Gebilde aus vielen Nervenzellen, die aufeinander einwirken.

Auf der einen Seite steht das Horrorszenario: die Angst vor dem gläsernen Menschen, dessen Gedanken messbar oder gar steuerbar werden. Im stetigen Konflikt befindet sich die Hirnforschung hier mit der Philosophie. Die Streitfrage: Können Menschen, die selbst nur über ein normales Gehirn verfügen, ein menschliches Gehirn erforschen? Sind wir also in der Lage, mit den uns geschenkten Möglichkeiten dem Geheimcode in unserem eigenen Kopf auf die Schliche zu kommen? Diese Frage polarisiert.

Northoff sagt: „Unsere Forschung wird die Philosophie nicht überflüssig machen, aber sie wird sie grundlegend verändern. Wir lernen, dass psychische Krankheiten immer medizinische Ursachen haben.“ Das Denken über den Menschen könne ein Neues werden - die Erkenntnisse der Philosophie werden ergänzt durch konkrete medizinische Forschungsergebnisse aus der Hirnforschung.

Neben all den Ängsten ist jedoch auch Zuversicht angebracht. Hirnforschung kann heilen helfen: Depressionen, eine der größten und schädlichsten Volkskrankheiten, werden durch neue Entwicklungen vielleicht behoben.

Northoff entwickelte eine Technik, mit der Patienten das eigene Gehirn betrachten können und jene Regionen entdecken, in denen das Gehirn zu wenig arbeitet, die Depression entsteht. Northoff behauptet, dass, indem sich der Mensch sich seiner schwachen Zone bewusst wird, eine Heilung möglich ist. Er selbst hat sich testweise sein Gehirn einmal scannen lassen. Er ist zufrieden mit dem Ergebnis, sagt er.

Die Erforschung der Vorgänge im Gehirn, die Entdeckung der neuronalen Codes, ist ein Wettlauf der Forscher. Noch ist keiner der Ziellinie nahe: „Da tappen wir derzeit noch völlig im Dunkeln“ gesteht auch Northoff ein. Auf den Tag, an dem der Code geknackt ist, an dem die Wissenschaft also das menschliche Gehirn versteht, arbeiten sie alle hin. Dabei geht es genau genommen ja nur um zweieinhalb Pfund in Wasser schwimmende Körpermasse. Doch in der befinden sich 100 Milliarden Nervenzellen. Wenn die Entwicklung in den kommenden Jahren so rasant voranschreitet, dann könnte das Geheimnis um unser Gehirn bald geknackt werden. Vielleicht ja schon 2030.

(aus dem News-Ticker RP-Online)

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Muskeln aus Gelee

4.11.2006

Mini-Roboter könnten in Zukunft von chemischen Muskeln aus einem pulsierenden Gel angetrieben werden, das sich bei Kontakt mit einer Flüssigkeit regelmäßig ausdehnt und zusammenzieht. Möglich machen soll dies eine genaue Beschreibung des Verhaltens solcher Gele, die die amerikanischen Forscher Victor Yashin und Anna Balazs auf der Basis eines theoretischen Modells entwickelt haben. Damit kann sehr viel genauer als bisher vorhergesagt werden, wie sich das Material während des Pulsierens verformt und wo es eingesetzt werden kann.

Bei den so genannten Belousov-Zhabotinsky-Gelen handelt es sich um Verbindungen aus langen Molekülketten, in die ein Katalysator aus Ruthenium, einem platinartigen Metall, eingebettet ist. Kommt ein solches Material mit einer bestimmten stickstoffhaltigen Flüssigkeit in Kontakt, beginnt eine zyklische Reaktion: Das Metall nimmt Elektronen aus der Flüssigkeit auf und verändert dabei die Länge der Molekülkette. Das führt wiederum dazu, dass der Katalysator die Elektronen wieder abgibt, die Kette in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt und der Prozess erneut startet. Diese regelmäßigen Längenveränderungen verursachen das sichtbare Pulsieren des Gels. "Eine kleines Stück eines solchen Gels schlägt von ganz alleine, wie ein kleines Herz in einer Petrischale", beschreibt Balazs das Prinzip. Diese Bewegung hält so lange an, bis der Treibstoff in der Flüssigkeit verbraucht ist und lässt sich durch erneute Zugabe des Reagenzes wieder neu starten.

Obwohl diese Gele schon seit 1996 bekannt sind, konnte ihr Verhalten bisher nur schlecht berechnet werden. Die verwendeten Modelle ermöglichten lediglich, die Änderung des Volumens während des Zusammenziehens vorherzusagen. Um zusätzlich berechnen zu können, wie sich die Form des Gels beim Pulsieren verändert, entwickelten Balazs und Yashin nun ein neues Computermodell: Es betrachtet das Gel als ein Gitter aus winzigen Federn, die an ganz bestimmten Punkten miteinander verbunden sind. Für die Simulation der Bewegungen verwendet es die Energien, die bei den chemischen Reaktionen im Gel freigesetzt oder verbraucht werden. Auf diese Weise kann der Computer für jeden Punkt im Gitter berechnen, welche Kräfte auf ihn einwirken und damit auch, ob und wohin er sich bewegt.

Jetzt müsse nur noch überprüft werden, ob das in der Simulation berechnete Verhalten auch tatsächlich dem in der Praxis entspricht, erklärt Balazs. Sollte sich das Modell bewähren, könnten die Eigenschaften eines Gels nicht nur vorhergesagt, sondern auch maßgeschneidert werden – eine wichtige Voraussetzung für einen potenziellen Einsatz der Materialien als künstliche Muskeln in kleinen Robotern.

New Scientist, Online-Dienst, 03.November

Originalarbeit der Forscher: Victor Yashin und Anna Balazs (Universität Pittsburgh): Science, Bd. 314, S. 798

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Forscher entwickeln Tarnumhang

20.10.2006

Harry Potter ist mit seinem Tarnumhang durch Hogwarts' verbotene Gänge geschlichen - nun versuchen auch Wissenschaftler, die Unsichtbarkeit zu ermöglichen. Kleine Gegenstände können sie durch eine umschließende Kappe schon für Mikrowellen - etwa von Radargeräten und Satelliten - unsichtbar machen.

Amerikanische Forscher haben in Laborversuchen demonstriert, wie kleine Gegenstände durch ein sie umschließendes Material zum Verschwinden gebracht werden können. Bislang funktioniert dies allerdings nicht mit sichtbarem Licht, sondern nur mit Mikrowellen, wie sie etwa von Radargeräten, Handys oder Satelliten verwendet werden.

Die Tarnkappe der Forscher um David Smith von der Duke-Universität in Durham besteht aus einem Ring aus so genannten Metamaterialien. Solche Materialien leiten dank ihrer speziellen Struktur die auftreffende Strahlung von der Vorderseite über die Ringstruktur auf die Rückseite um. Damit ist es für die Radarstrahlen so, als wäre an der Position der Materialien lediglich leerer Raum, schreiben die Forscher im Fachmagazin "Science" (Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1126/science.1133628).

Die Forscher vergleichen den Effekt mit einem glatten Stein, der in einem fließenden Gewässer liegt. Bewegt sich eine Wasserwelle darüber, teil der Stein zwar die Welle, doch hinter dem Stein ist der Welle die Störung nicht mehr anzusehen. Auch die Tarnkappe arbeitet so, dass die Wellenfront der Mikrowellenstrahlen trotz darin positionierter Gegenstände scheinbar nicht gestört wird.

Die Forscher haben dazu aus Kupferringen und -drähten sowie Glasfaserfolien einen Ring mit einem Durchmesser von zwölf Zentimetern gebaut. Als Vorlage diente ihnen dabei ein theoretischer Entwurf eines solchen Metamaterials. Dank der speziellen Anordnung der einzelnen Teile brach das Metamaterial elektromagnetische Strahlen dann tatsächlich anders als beispielsweise Glas. Während Glas auftreffende Lichtstrahlen senkrecht zur Oberfläche bricht, brechen Metamaterialien den Strahl von der senkrechten Achse weg.

Den Ring aus ihrem Metamaterial haben die Forscher nun so konstruiert, dass Mikrowellenstrahlen sozusagen um das Innere des Rings herum gebrochen werden. Die Wellen von Radarstrahlen erscheinen dadurch vor wie nach dem Ring ungestört. Auf diese Weise wird sowohl die Reflexion der Wellen am Objekt als auch der Schatten des Gegenstandes deutlich vermindert - anders gesagt: der Ring und Gegenstände in seinem Hohlraum sind praktisch unsichtbar.

Die Technik habe das Potenzial, Gegenstände beliebiger Größe aus den unterschiedlichsten Materialien zum Verschwinden zu bringen, berichten die Forscher. Bislang funktioniert die Tarnkappe allerdings nur in zwei Dimensionen. Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, Objekte in allen drei Dimensionen unsichtbar zu machen. Ob sich das Prinzip irgendwann auch für den Einsatz bei sichtbarem Licht realisieren lässt, können sie jedoch noch nicht sicher sagen.

(aus dem News-Ticker RP-Online)

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Naturfasern aus Bakterien: Fester als Stahl und so rein wie Medizin

8.9.2006

Im Wettlauf versuchen Forscher weltweit, Mikroben dazu zu bringen, Naturfasern herzustellen. Fäden aus Muscheln, Spinnen und Pflanzen dienen dabei als Vorbild, da diese mit ungekannten Eigenschaften aufwarten: Manche dieser Naturgarne können enorme Gewichte halten. Andere beruhigen die gereizte Haut von Allergikern.

In der Natur wimmelt es von Fäden und Fasern: Allein die Gartenkreuzspinne webt mit sieben verschiedenen Seiden. Für die Rahmenkonstruktion ihres Netzes wählt sie ein besonders reißfestes Material. Für die Fäden in der Mitte spinnt sie ein trampolinartiges Gewebe. Das hält selbst dann noch Stand, wenn sich große Insekten darin verheddern. Ihre Beute wickelt die Spinne indes mit einem konservierenden, klebrigen Faden ein, damit das Futter lange frisch bleibt. Wiederum mit einer zementartigen Paste wird der Abseilfaden am Boden festgetackert.

"Diese Spinnenseiden haben außergewöhnliche Eigenschaften, die mit keiner Kunstfaser erreicht werden", schwärmt Thomas Scheibel, Biotechnologe an der Technischen Universität München. Schon in der Antike wurden die Seiden von Spinnen, Muscheln und Raupen deshalb für Wundabdeckungen und für Netze zum Fischfang verwendet.

Seit einigen Jahren hat die chemische Industrie die Naturmaterialien neu entdeckt. Sie will die ungewöhnlichen Garne möglichst schnell in großen Mengen gewinnen. Abgesehen von den chinesischen Seidenraupen lassen sich die meisten Tiere allerdings nicht in großer Zahl in Terrarien halten. Deshalb setzen die Forscher nun auf die Biotechnologie.

So entschlüsselt Scheibel die genetischen Baupläne für die Spinnenseiden, um sie in das Erbgut von Kolibakterien einzusetzen. Die Bakterien werden so zur Biofabrik für den Spinnenfaden umfunktioniert. Die Mikroben ernähren sich von Zucker und liefern dabei nebenbei den Rohstoff für die Seide.

Während für die trampolinartige Fangspiralseide der Gartenkreuzspinne ein einzelnes Gen verantwortlich zeichnet, ist die Anleitung für den Abseilfaden in zwei Genen niedergelegt. Jedes Gen beinhaltet das Rezept für ein Eiweiß. Aus den Eiweißen wird dann im Hinterleib der Spinne die eigentliche Seide gesponnen. "Die beiden Gene für den Abseilfaden haben wir erfolgreich in die Bakterien verpflanzt", erklärt Scheibel. "Bei diesem Zweikomponentensystem können wir genau steuern, wann ein Faden entsteht, indem wir festlegen, wann sich die beiden Eiweiße mischen. Es ist wie mit einem Kleber: Der darf auch erst fest werden, wenn er aus der Flasche herausgedrückt wird."

Mittlerweile haben die Münchner sogar einen Apparat gebaut, aus dem sie täglich einige Meter des Abseilfadens entnehmen können. Der Faden erreicht 95 Prozent der mechanischen Eigenschaften des Naturmaterials. Er lässt sich bis zum Dreifachen seiner Länge ausdehnen, bevor er reißt. Gleichzeitig ist der Faden fünfmal fester als Stahl. Ein daumendickes Geflecht könnte damit problemlos ein Flugzeug anheben. "Er ließe sich zu kugelsicheren Westen verarbeiten oder zu einem neuen Gewebe für Airbags", glaubt Scheibel.

Da das Garn keine Entzündungen hervorruft, könnte es auch für Wundauflagen oder als chirurgisches Nahtmaterial verwendet werden. Überhaupt wittern alle Naturfaserforscher ihre große Chance in der Medizintechnik. An der Universität Jena produzieren Bakterien beispielsweise ein kuschelweiches Vlies aus Zellulose, das ebenfalls Wundauflagen und künstliche Blutgefäße ergeben soll. Das Netzwerk der filigranen Fäden enthält reichlich Wasser. Daher beruhigt es die empfindsame Haut von Allergikern. "Die Bakterien stellen sehr reine Fasern her. Sie sind viel sauberer als die Zellulose, die wir heute aus Holz gewinnen", erklärt Dieter Klemm, Chemiker an der Friedrich-Schiller Universität Jena.

Da das Gewebe aus Nanozellulose außerdem extrem reißfest ist, hat das Unternehmen Sony es für Lautsprechermembranen getestet. Das Bakterien-Produkt trotzte dem extremen Druck lauter Rock- oder Disco-Musik. "Überall auf der Welt versuchen Firmen und Uni-Forscher, die Bakterien dazu zu bringen, große Mengen Zellulose zu erzeugen. Wem das gelingt, dem eröffnet sich ein Milliardenmarkt", ist Klemm überzeugt. Klemms Bakterienstamm Gluconacetobacter xylinus stellt im Labor bereits eifrig Nano-Zellulose her. Einziges Problem: Die Mikroben dürfen keinesfalls hin- und hergeschüttelt oder gerührt werden. Dann beginnen sie zu mutieren.

"Es ist für uns die größte Herausforderung, Mikroben dazu zu bringen, die Rohstoffe für die Fasern zu erzeugen", sagt der Münchner Biotechnologe Scheibel. Oft vergehen viele Jahre, bis ein passender Einzeller gefunden ist. Ähnlich widerspenstig verhielt es sich mit dem Faden der Miesmuschel. Das Tier heftet sich mit diesen Fäden an steile Felsvorsprünge. Gleichzeitig dämpft das Material die Wucht der Wellen, damit die Muschel nicht gegen den Stein geschmettert wird. "Das ist ein unglaubliches Material, das Ebbe und Flut, sengender Sonne und eisigem Wasser trotzt", begeistert Scheibel sich. Seit kurzem kann er die Muschelseide von Bäckerhefe herstellen lassen. Vielleicht könnten eines Tages Zelte oder Segel dank des Garnes aus der Muschel Wind und Wetter widerstehen.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Querschnittsgelähmter steuert Roboterarm mit seinem Gehirn

13.07.2006

Forscher entwickeln effektive Schnittstelle zwischen Hirnzellen und Computer

Gelähmte Patienten könnten in Zukunft allein mithilfe ihrer Gedanken eine Armprothese steuern. Das zeigen Tests amerikanischer Forscher mit einem querschnittsgelähmten Patienten, dem eine Reihe von Elektroden ins Gehirn eingesetzt wurden. Der Freiwillige konnte allein durch seine Gedanken E-Mails öffnen, die Fernbedienung des Fernsehers bedienen und einfache Handbewegungen ausführen.

Dem 25-jährigen vom Hals ab gelähmten Patienten, dem durch einen Messerstich das Rückenmark durchtrennt worden war, setzten die Forscher 96 Elektroden ins Gehirn, welche die elektrische Aktivität einzelner Gehirnzellen registrieren können. Dabei wurde genau die Region gewählt, die bei Gesunden für die Steuerung von Armbewegungen zuständig ist. Ein Computer entschlüsselt dann die Muster in der Aktivität der angezapften Hirnzellen und übersetzt diese in Befehle für Bewegungsabläufe. Mit diesen Befehlen kann wiederum ein äußeres Hilfsmittel gesteuert werden, zum Beispiel einen Computercursor oder eine Armprothese.

Allein durch die Vorstellung einer bestimmten Bewegung gelang es dem Patienten anschließend, mithilfe der Prothese in Echtzeit einfache Bewegungen auszuführen. Mit ihrem Versuch konnten John Donoghue und seine Kollegen auch erstmals zeigen, dass das Gehirn auch Jahre nach einer Rückenmarksverletzung noch in der Lage ist, die Signale für Bewegungen zu produzieren. Die Messerstichverletzung hatte der Patient nämlich schon im Jahr 2001 erlitten, die Elektroden wurden jedoch erst 2004 eingesetzt.

Dass solche neuro-motorischen Prothesen in Zukunft deutlich schneller und präziser werden könnten, zeigt eine Studie der Forscher um Gopal Santhanam. Mit einem neuen mathematischen Algorithmus gelang es den Wissenschaftlern, die Übersetzung der Nervenimpulse so schnell zu machen, dass innerhalb von 250 Millisekunden eine exakte Position der Prothese angesteuert werden kann. Mit dieser Geschwindigkeit wäre es einem Patient beispielsweise möglich, 15 Wörter pro Minute tippen. Bisher wurde diese Technik jedoch nur an Affen erprobt.

John Donoghue (Brown University, Providence) et al.: Nature (doi: 10.1038/nature04970), Gopal Santhanam (Universität Stanford) et al.: Nature (doi: 10.1038/nature04968)

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Spinnennetze aus Glas

22.06.2006

Von der Biologie abgeschautes Material könnte für künstliche Knochen eingesetzt werden

Wissenschafter der Tufts University in Boston haben ein mit Quarz überzogenes Spinnennetz hergestellt. Dazu mischten sie ein Protein, das für den Aufbau der Netzfasern zuständig ist, mit Bioquarz, einem in Zellen natürlich vorkommenden Silikat. Dadurch konnten die Proteinfasern mit einer dichten Packung aus nur etwa einen Mikrometer kleinen Quarzteilchen überzogen werden. Der so entstandene neuartige Werkstoff ist gleichzeitig elastisch und doch hart, und könnte vielfältige Anwendungen in der Medizintechnik oder der Bauindustrie finden, glauben die Forscher.

David Kaplan und seine Kollegen mischten in ihrem Experiment das dem Spinnennetz zugrunde liegende Protein in wässriger Lösung mit Bioquarz, den sie aus Zellen gewonnen hatten. Dabei entstand ein faserartiges Material mit herausragenden mechanischen Eigenschaften: Zum einen nahm die Festigkeit der elastischen Proteinfasern zu, und zum anderen erhöhte sich auch deren Adhäsionskraft.

Eine Untersuchung mit einem Elektronenmikroskops bestätigte, dass sich Quarzteilchen einer Größe zwischen 0,5 und zwei Mikrometern an der Oberfläche der Fasern in dichter Packung anlagerten (siehe Bild). Die relativ kleine Variation der Größe der an den Fasern entstandenen Quarzteilchen überraschte die Forscher, da die Größe von Quarzpartikeln in Zellen oder anderen biologischen Strukturen normalerweise sehr viel stärker schwankt.

Kaplan will nun die Anlagerung der Quarzteilchen an die Fasern noch weiter verbessern, bevor der neue Stoff dann in ersten Anwendungen erprobt werden kann.

PNAS, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1073/pnas.0601096103

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Was Nervenfasern wieder wachsen lässt

15.05.2006

Neuentdeckter Wachstumsfaktor stimuliert selbst Nerven des zentralen Nervensystems

Amerikanische Forscher haben einen Wachstumsfaktor entdeckt, der die Regeneration von verletzten Nervenfasern im zentralen Nervensystem stimuliert. Normalerweise können die Nervenzellen im Hirn und Rückenmark von Erwachsenen nach Verletzungen nicht wieder wachsen. Die Substanz namens Oncomodulin könnte einmal bei der Behandlung von Nervenschäden im Auge eingesetzt werden, glauben die Forscher.

Die Wissenschaftler untersuchten Sehnerven, die die Netzhaut des Auges mit dem visuellen Zentrum im Gehirn verbinden. Diese Nerven dienen Forschern häufig als Modell, um die Erneuerung von Nervenzellen in Hirn und Rückenmark zu untersuchen. In ihrer Studie brachten die Forscher um Yuqin Yin von der Harvard Medical School in Boston Nervenzellen der Netzhaut in einer Petrischale mit Oncomodulin und bestimmten anderen Substanzen in Kontakt. Daraufhin verdoppelte sich das Wachstum der Nervenfasern fast. Keine andere Substanz wirkte als ähnlich starker Wachstumsfaktor.

Auch bei Versuchen mit lebenden Ratten mit Verletzungen der Augennerven konnten die Forscher die wachstumsfördernde Wirkung von Oncomodulin beobachten. Die Substanz regte in den Tests die Regeneration der Nervenzellen um das fünf- bis siebenfache an. Die Forscher führen die Wirkung der Substanz darauf zurück, dass Oncomodulin eine Vielzahl von Genen anschaltet, die das Wachstum der Nervenzellen steuern.

Oncomodulin könnte sich eines Tages bei der Behandlung von Schäden an Nerven des Auges als nützlich erweisen, die durch Tumoren oder durch Verletzungen entstanden sind. Der Wachstumsfaktor könnte auch zur Behandlung des Grünen Stars eingesetzt werden. Bei dieser auch Glaukom genannten Augenkrankheit führt ein erhöhter Augeninnendruck zur Beschädigung des Sehnervs.

Die Forscher wollen nun erproben, ob die Substanz auch zur Behandlung von Nervenzellen eingesetzt werden kann, die bei Schlaganfällen oder Rückenmarksverletzungen geschädigt werden. Möglicherweise kann die Wirkung zudem noch durch zusätzliche Stoffe gesteigert werden, die Wachstumshemmstoffen entgegenwirken.

Yuqin Yin (Harvard Medical School, Boston) et al.: Nature Neuroscience (Online-Vorabveröffentlichung, doi:10.1038/nn1701

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Bienenaugen aus Plastik

28.04.2006

Wissenschaftler bauen aus Kunststofflinsen ein künstliches Facettenauge

Amerikanische Bioingenieure haben ein künstliches Auge nach dem Vorbild der Facettenaugen von Insekten entwickelt. Das Auge besteht aus mehreren tausend künstlichen Einzelaugen, die eine Halbkugel mit nur 2,5 Millimetern Durchmesser bilden. Das künstliche Insektenauge könnte in winzigen Überwachungs- und Zeitlupenkameras oder in Endoskopen für minimalinvasive Operationen eingesetzt werden.

Facettenaugen haben gegenüber den Linsenaugen der Wirbeltiere zwei Vorteile: Sie können ein sehr großen Blickfeld erfassen und sind sehr schnell. So können fliegende Insekten etwa 250 Bilder pro Sekunde einfangen, während das menschliche Auge nur ungefähr ein Zehntel dieser Geschwindigkeit erreicht. Diese Vorteile wollen die amerikanischen Bioingenieure mit ihrem künstlichen Facettenauge nutzen. Die Schwierigkeit bei der Entwicklung ist jedoch, eine große Zahl der winzigen künstlichen Einzelaugen, aus denen sich ein Facettenauge zusammensetzt, auf engstem Raum geordnet auf einer gewölbten Oberfläche zu platzieren.

Bei dem nun vorgestellten Verfahren arrangierten Ki-Hun Jeong und seine Kollegen zunächst rund 8.700 kleine Linsen aus einem Kunststoffmaterial in einem flachen, bienenwabenähnlichen Muster. Diese Linsen verbanden sie durch eine dünne Kunststoffschicht miteinander und brachten diese mithilfe eines Vakuums in die gewünschte gewölbte Form. Die Form füllten sie mit einem speziellen Kunstharz aus, das nur unter Einwirkung von UV-Licht aushärtet. Durch die geschickte Kombination von Wärme und UV-Licht konnten die Forscher dabei das Material so formen, dass sich unterhalb jeder Minilinse ein kleiner, lichtleitender Kanal im Kunstharz ausbildete. So gelang es, ein künstliches Auge aus mehreren tausend Einzelaugen herzustellen.

Dieses Facettenauge ähnelt in seinen optischen Eigenschaften den Augen von Bienen, wiesen die Forscher in zahlreichen Tests nach. Was nun für die technische Anwendung noch fehlt, ist die Integration eines lichtempfindlichen Elements am Ende jedes der lichtleitenden Kanäle. Hier könnten Photozellen zum Einsatz kommen, wie sie auch in Digitalkameras oder Camcordern verwendet werden.

Ki-Hun Jeong (Universität von Kalifornien, Berkeley) et al.: Science, Bd. 312, S. 557

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Funktionsfähige Organe aus dem Labor

04.04.2006

Forscher verpflanzen künstlich erzeugte menschliche Blasen

Amerikanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, maßgeschneidertes menschliches Blasengewebe im Labor zu züchten und es anschließend erfolgreich zu transplantieren. Die Empfänger, sieben Patienten im Alter zwischen 4 und 19 Jahren, hatten zuvor an angeborenen Fehlbildungen der Blase gelitten. Bei allen Patienten verbesserte sich die Blasenfunktion in den Jahren nach der Transplantation deutlich, berichten die Forscher. Auch traten keine der Nebenwirkungen auf, die bei der heute gängigen Verpflanzung von Darmgewebe in solchen Fällen typisch sind.

Die sieben Patienten litten unter Inkontinenz und einem stark erhöhten Risiko für Nierenschäden, da sich in ihren Blasen aufgrund der fehlenden Elastizität des Gewebes ein hoher Druck aufbaute. In solchen Fällen kann die geschädigte Blase durch eine Operation wiederhergestellt werden, in der ein Gewebestück aus dem Darm oder dem Magen in das Blasengewebe eingesetzt wird. Obwohl sich dadurch häufig die Symptome deutlich verbessern, hat die Prozedur oft starke Nebenwirkungen. So können die Patienten Stoffwechselstörungen und Nierensteine entwickeln, leiden an einer verstärkten Schleimbildung in der Blase und haben ein erhöhtes Risiko für bösartige Erkrankungen. Aus diesem Grund suchen Mediziner seit langem nach einer Alternative für das Ersatzgewebe.

Eine Möglichkeit einer solchen Alternative ist im Labor gezüchtetes Gewebe aus den eigenen Zellen des Patienten, wie es nun Anthony Atala von der Wake-Forest-Universität in Winston-Salem und seine Kollegen eingesetzt haben. Dazu wurden den Betroffenen bei einer Biopsie Muskel- und Auskleidungszellen aus der Blase entnommen und diese im Labor vermehrt. Sobald genügend Zellen zur Verfügung standen, wurden sie auf ein Gerüst aus einem Kunststoff übertragen, der sich im Körper zersetzt. Im Fall der Forscher um Atala waren diese Gerüste genauso geformt wie die Blasen der jeweiligen Empfänger. Nachdem die Zellen weitere sieben bis acht Wochen auf den künstlichen Blasen gewachsen waren, umwickelten die Forscher das Transplantat zusätzlich noch mit Bauchfellgewebe, um eine optimale Nährstoffversorgung sicherzustellen. Anschließend verbanden sie die künstlichen Organe in einer Operation durch Nähte mit den eigenen Blasen der Patienten.

Die neuen Blasen nahmen ihre Funktion genauso gut auf wie solche, die mit Darmgewebe repariert wurden, allerdings ohne deren Nebenwirkungen zu zeigen. Sowohl die Inkontinenz als auch der Druck auf die Nieren reduzierten sich im Lauf der folgenden zwei bis sieben Jahren deutlich, berichten die Forscher. Eine weitere Langzeitbeobachtung müsse nun zeigen, ob sich dieser positive Trend fortsetze. Die Wissenschaftler wollen nun beginnen, auch andere Gewebearten aus dem Labor wie Blutgefäß- und Herzgewebe in klinischen Studien zu testen.

Anthony Atala (Wake-Forest-Universität, Winston-Salem) et al.: Lancet, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1016/S0140-6736(06)68438-9

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Mechanische Schneckenkopie

16.12.2005

Neuer Roboter kann Wände hochkriechen

Wissenschaftler vom MIT in Cambridge haben einen Roboter entwickelt, dessen Aufbau dem einer Schnecke gleicht. Der Roboter besitzt fünf flache Füße, die auf einem geleeartigen Film gleiten. In ersten Experimenten ist es den Forschern gelungen, die Bewegungsform des natürlichen Vorbilds zu imitieren – ihre künstliche Schnecke kann senkrechte Wände bezwingen und sogar über die Decke kriechen.

Schnecken setzen zur Fortbewegung eine Muskelkontraktionswelle in ihrem auf einer Schleimschicht gleitenden Fuß ein. Dabei wird dieser zunächst durch die Kontraktionen in Vorwärtsrichtung bewegt, bevor der Oberkörper nachfolgt. Die Schleimschicht verhindert dabei, dass die Schnecke bei diesem Vorgang den Halt verliert und nach hinten zurückgleitet.

Um diesen Vorgang so gut wie möglich zu simulieren, bauten Anette Hosoi und ihre Kollegen einen nur wenige Duzend Gramm schweren Roboter, der mit fünf flachen Füssen ausgestattet war. Diese bewegten sich zunächst einer nach dem anderen einen kleinen Schritt nach vorne – in Analogie zu der Kontraktionswelle des Schneckenfußes –, bevor der Körper des Roboters nachfolgte.

Anstelle von Schleim setzten die Forscher eine geleeartige Substanz namens Laponit als Gleitschicht ein. Zu ihrer Überraschung gelang es der Roboterschnecke nicht nur, an praktisch senkrechten Wänden hochzukriechen, sondern sogar an der Decke des Labors entlang. Hosoi will nun mit ihrem Roboter zunächst mehr über die Dynamik der Schneckenbewegung erfahren, bevor technische Anwendungen in Betracht gezogen werden.

Physics of Fluids, Band 17, Artikel 113101

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Herzschrittmacher ohne Batterie

18.11.2005

Taktgeber besteht aus Bindegewebe und Muskelzellen

Amerikanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, einen biologischen Schrittmacher aus Körpergewebe herzustellen: Sie koppelten Herzmuskelzellen mit Bindegewebszellen, die dank einer genetischen Veränderung selbstständig elektrische Spannung in einem regelmäßigen Rhythmus erzeugen konnten. Die Forscher hoffen, das System so weiterentwickeln zu können, dass es irgendwann die herkömmlichen elektrischen Herzschrittmacher ersetzen kann.

Normalerweise kontrollieren zwei Gruppen von Steuerzellen den Herzrhythmus, indem sie die Muskelzellen dazu animieren, sich zusammenzuziehen. Sind diese Schrittmacherzellen jedoch so geschädigt, dass sie ihre Signale nicht mehr regelmäßig aussenden können, muss ein künstlicher Taktgeber diese Aufgabe übernehmen. Momentan werden dazu kleine Elektroden in den Herzmuskel implantiert, die mithilfe eines batteriebetriebenen Impulsgebers elektrische Impulse an die Zellen leiten. Um jedoch die Abhängigkeit von Batterien und die Notwendigkeit eines permanenten äußeren Zugangs zum Gerät zu umgehen, suchen Wissenschaftler überall nach einer Möglichkeit, die elektrischen Geräte durch biologische zu ersetzen.

Für ihre Variante benutzten die Forscher Bindegewebszellen aus dem Lungen von Meerschweinchen, in die sie zwei zusätzliche Gene eingesetzt hatten. Diese Gene trugen Informationen für so genannte Kanalproteine, durch die elektrische Ladungsträger transportiert werden. Schon drei Minuten nach der Vereinigung mit herkömmlichen Herzmuskelzellen begannen die veränderten Zellen, ihre Arbeit aufzunehmen und die gleichen Spannungsmuster zu erzeugen wie die natürlichen Taktgeberzellen. Diese Fähigkeit behielten sie etwa zwei Wochen, berichteten die Wissenschaftler.

Auch im Körper erfüllten die modifizierten Bindegewebszellen ihre Aufgabe, zeigte ein weiterer Test: Als die Wissenschaftler einigen herzkranken Meerschweinchen die Zellen ins Herz injizierten, fusionierten sie mit dem Herzmuskel und halfen tatsächlich, den Herzschlag zu regulieren – von einem Schlag alle zwei Sekunden auf zwei Schläge pro Sekunde, was praktisch dem natürlichen Herzschlag entspricht. Die Bioschrittmacher könnten nach Ansicht der Wissenschaftler eine wichtige Alternative für Patienten werden, bei denen die herkömmliche Methode wegen der Infektionsgefahr zu viele Risiken birgt oder für Kinder, deren Herz für ein elektrisches Gerät zu klein ist.

Hee Cheol Cho (Johns-Hopkins-Universität, Baltimore) et al.: Beitrag auf dem Jahrestreffen der American Heart Association, Dallas

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Trotz Taubheit Musik hören

20.10.2005

Neue Hörprothese soll Gehörlosen Musik ins Ohr bringen

Mit einer weiter entwickelten Hörprothese können gehörlose Menschen neben der gesprochenen Sprache bald auch Musik hören. Bislang sind so genannte Cochleaimplantate, die ein zerstörtes Innenohr ersetzen, auf das Verstehen von Sprache optimiert. Der Geräteprototyp des Forschers Markys Cain vom britischen physikalischen Nationallabor NPL in Teddington ermöglicht es nun, den Frequenzbereich für das Hören zu erweitern und auf Gesprächssituationen sowie Musikhören variabel einzustellen.

Ein Cochleaimplantat besteht im Wesentlichen aus einem miniaturisierten Mikrofon, das akustische Schwingungen in elektrische Impulse umwandelt. Diese Impulse werden an den Hörnerv weitergeleitet. Der Physiker Cain setzt als akustischen Sensor vier schwingfähige Balken ein, die durch Töne und Geräusche angeregt werden. Die Balken bestehen aus so genannten piezoelektrischen Materialien, die sich durch eine angelegte elektrische Spannung verlängern oder verkürzen lassen. Abhängig von der Balkenlänge können die Forscher das Gerät auf bestimmte Frequenzen gezielt abstimmen. Auch lassen sich aus dem Gesprächswirrwarr einer Menschengruppe gezielt einzelne Tonlagen herausfiltern.

Bislang ist der Prototyp mit zwei Quadratzentimetern Querschnitt noch zu groß. Die Forscher rechnen aber damit, die Größe mit nanotechnologischen Verfahren weiter reduzieren zu können. Das Endgerät müsste über zehn Vibrationselemente für das Sprachverstehen und zwanzig Elemente für Musik verfügen, schätzt Cain. Von der Marktreife sind die Forscher aber noch mindestens zehn Jahre entfernt.

New Scientist (22. Oktober, S. 32)

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Schmucke Kunstgelenke

20.09.2005

Beschichtung aus Diamanten macht Implantate reibungsarm und weniger anfällig für Infektionen

Diamanten sollen in Zukunft helfen, medizinische Implantate zu verbessern: Eine dünne Schicht aus künstlich erzeugtem, diamantartigem Kohlenstoff kann bei künstlichen Gelenken beispielsweise Infektionen verhindern, die Verträglichkeit verbessern und die Reibung vermindern. Das haben amerikanische Materialforscher entdeckt. Dank eines neuen, sehr schonenden Verfahrens können dabei auch extrem empfindliche Materialien wie das Eiweiß Kollagen beschichtet werden.

So genannte DLC-Beschichtungen, bei denen diamantartiger Kohlenstoff auf eine Oberfläche aufgebracht wird, vereinigen die extreme Härte von Diamanten mit den hervorragenden Reibungseigenschaften von Graphit. Erstmals produziert wurden sie bereits in den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts, indem geladene Kohlenstoffteilchen in einer Vakuumkammer auf die Oberfläche gesprüht wurden – ein damals noch sehr aufwändiges und teures Verfahren, das jedoch im Lauf der Zeit stetig verbessert wurde.

Studienleiter Joe Franks und seine Kollegen haben nun eine noch effektivere Beschichtungsmethode entwickelt: Das zu veredelnde Material wird auf eine Elektrode montiert, die an einen Hochenergieradiosender gekoppelt ist. Anschließend werden gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan oder Erdgas in die Kammer geleitet und mit den Radiowellen bestrahlt. Die hohe Energie spaltet die Moleküle, so dass positiv geladene Kohlenstoffionen entstehen, die wiederum von der negativ geladenen Elektrode angezogen werden und sich auf der Oberfläche niederlassen. Der Vorteil dieses Verfahrens: Die Werkstoffe müssen im Gegensatz zu früheren Methoden nicht erhitzt werden und erleiden dadurch keinen Schaden. Aus diesem Grund können nicht nur Kunststoffe und Keramiken, sondern auch biologische und biokompatible Materialien beschichtet werden, berichteten die Forscher.

Franks und seine Kollegen haben in Zusammenarbeit mit einem großen britischen Krankenhaus bereits beschichtete Knieprothesen entwickelt, die keine allergischen Reaktionen mehr hervorrufen. Außerdem arbeiten die Forscher an Kathetern und anderen medizinischen Implantaten, auf denen sich keine Bakterienkolonien festsetzen können und die daher das Infektionsrisiko nach Operationen vermindern. Selbst künstliche Arterien aus dem körpereigenen Protein Kollagen können die Wissenschaftler mit ihrem Verfahren beschichten. Damit werde sowohl die Bildung von Blutklumpen an der künstlichen Gefäßwand verhindert als auch der Abbau des Kollagens durch den Körper, kommentiert Franks.

Joe Franks (Brunel-Universität, London) et al.: Beitrag auf der Tagung Novel Applications of Surface Modification, Chester

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Roboter mit Fledermaussonar

24.08.2005

Künstlicher Kopf kann zur Orientierung Ultraschallwellen aussenden und empfangen

Belgische Wissenschaftler haben einen künstlichen Fledermauskopf entwickelt, der Robotern die Orientierung ermöglichen soll. Er sendet Ultraschallwellen im gleichen Frequenzbereich wie Fledermäuse aus und hat bewegliche Ohren, die er optimal auf die eingehenden Signale einstellen kann.

Einige Tiere wie zum Beispiel Fledermäuse und Wale benutzen die so genannte Echoortung, um ihre Position in der Landschaft zu bestimmen. Dieses technische Prinzip setzt der Mensch auch in Schiffen und U-Booten ein. "Im Wasser ist das Echolot eine sehr gut entwickelte Technik, doch die Echoortung in der Luft ist weniger weit fortgeschritten", erklärt Entwickler Herbert Peremans. Zusammen mit seinen Kollegen hat er daher den "Bat-Bot" genannten künstlichen Fledermauskopf entwickelt.

Der Bat-Bot arbeitet mit Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich von 20 bis 200 Kilohertz – ähnlich wie die rund 700 Fledermausarten, die sich mit Ultraschall orientieren. Da sich auch die Ohrformen der Tiere stark unterscheiden, wollen die Wissenschaftler nun mit ihren nachempfundenen Ohren aus Nylon untersuchen, wie deren Form den Schallempfang beeinflusst.

Mit den Resultaten sollen bereits existierende Sonar-Systeme weiter verbessert werden, erklären die Forscher. Mit dem Bat-Bot soll auch getestet werden, wie Insekten, Fische und Säuger Informationen über die eigene Position erhalten. Da verschiedene Pflanzen für jede Art charakteristische Echos aussenden, könnte die Roboterfledermaus zudem zur Erkennung von Pflanzen eingesetzt werden.

Herbert Peremans (Universität Antwerpen) et al.: IST-Results

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Tastsinn für die Roboter

17.08.2005

Forscher entwickeln druck- und temperatursensible künstliche Haut

Japanische Forscher haben eine elektronische Haut für Roboter entwickelt, die Druck und Temperaturen wahrnehmen kann. Die Roboterhaut soll der menschlichen Haut in nichts mehr nachstehen, im Gegenteil: Künftig könnte sie sogar Licht wahrnehmen, Feuchtigkeit spüren und Töne hören.

In ihrer Arbeit hatten Studienleiter Takao Someya und sein Team zunächst eine künstliche Haut entwickelt, die mithilfe von Sensoren Druck fühlen kann. Die Wissenschaftler betteten dazu in eine dünne Plastikfolie elektronische Schaltungen ein, die auf Transistoren basieren und Druck registrieren. So entstand ein netzähnliches Grundgerüst, das eine Ausdehnung der Haut um bis zu 25 Prozent ermöglichte. Da das Material so beweglich ist, dass es sich exakt der Form der Oberfläche eines Hühnereies anpassen kann, sei es auch für den Einsatz bei kleinen, dreidimensionalen Strukturen wie Roboterfingern geeignet, schreiben die Forscher.

Damit die Kunsthaut auch Temperaturen wahrnehmen kann, bauten die Wissenschaftler anschließend mit organischen Halbleitern ein Netzwerk von Temperatursensoren auf. Wurden Druck- und Temperatursensoren zusammen in die elektronische Haut eingebaut, war sie in der Lage, beide Reize gleichzeitig wahrzunehmen.

Mit einer solchen billig und leicht herzustellenden Kunsthaut könnten Roboter vor allem in unstrukturierten Umgebungen besser arbeiten. Weitere Verfeinerungen der elektronischen Haut wie der Einsatz von Licht-, Dehnungs- oder Feuchtigkeitssensoren könnten der Haut sogar übermenschliche Fähigkeiten verleihen.

Takao Someya (Universität von Tokyo, Tokyo) et al.: PNAS, Online-Vorabveröffentlichung, doi:10.1073/pnas.0502392102

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Robbie mit den flinken Händen

08.08.2005

Neuentwickelte mechanische Hand kann schnell geworfene Bälle fangen

Eine neu entwickelte Roboterhand japanischer Forscher würde dem Fänger im Baseball alle Ehre machen: Sie fängt selbst Bälle mit Geschwindigkeiten von 300 Kilometern pro Stunde absolut sicher. Wird ein Ball in Richtung Hand geworfen, so krallen sich blitzschnell die Glieder der drei Finger um den Fang. Die Forscher um Akio Namiki von der Universität Tokio sehen in der Roboterhand einen wesentlichen Schritt, um Roboter auch in kritischen Situationen schnell reagieren zu lassen.

Die Roboterhand besteht aus drei Fingern, die ähnlich wie die menschliche Hand Gelenke aufweisen. An die Stelle der Handfläche haben die Forscher eine Hochgeschwindigkeitskamera gesetzt: Mit deren rund 1500 Pixeln verfolgt die Roboterhand das Wurfgeschoss. Nähert es sich der Hand, so wird sie mithilfe von Elektromotoren ausgerichtet. In Greifnähe schickt dann die Steuerelektronik kurze Strompulse in die Fingerglieder. Diese schnappen in Sekundenbruchteilen zu und fangen den Ball gewissermaßen mit spitzen Fingern. Eine Einschränkung gibt es momentan jedoch noch: Die Hand kann sich nicht seitlich oder vertikal verschieben, um vorbeirasende Bälle einzufangen.

Bislang ist die Roboterhand noch nicht so robust, um auf einem echten Baseball-Feld eingesetzt zu werden und die extrem harten Bälle bei hohen Wurfgeschwindigkeiten zu fangen. Dafür bewährte sich die künstliche Hand aber bei Softbällen und auch bei anderen Objekten wie etwa Zylindern. Die hohe Geschwindigkeit und Präzision beim Fangen unterscheide die Roboterhand von derzeitigen Industrierobotern, kommentiert die Robotik-Forscher Ulrich Nehmzow von der Universität in Essex. "Wenn es so einfach ist, bewegende Objekte zu verfolgen und schließlich zu fangen, sollte das Aufsammeln von Gegenständen ein Kinderspiel sein", sagt Nehmzow.

New Scientist, Online-Dienst (4. August 2005)

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Scharfe Superdisk

15.07.2005

Nachkömmling der DVD kann 100 Gigabyte speichern

Die japanische Elektronikfirma Sharp wird auf der ISOM/ODS Messe zur Speichertechnologie auf Hawaii erstmals eine optische Disk vorstellen, auf deren Oberfläche Daten in einem Abstand unterhalb der Beugungsgrenze gespeichert sind. Diese "Superauflösung" ermöglicht es, eine Datenmenge von 100 Gigabyte über zwei Schichten verteilt auf einer Scheibe von der Größe einer herkömmlichen DVD zu speichern und auszulesen.

Das Beugungslimit der Optik besagt, dass sich ein Lichtstrahl nicht auf einen kleineren Raum als einen Punkt mit einem Durchmesser von etwa der halben Wellenlänge des verwendeten Lichts fokussieren lässt. Für kurzwelliges blaues Licht beträgt die Beugungsgrenze daher ungefähr 200 Nanometer. Dieses Naturgesetz setzt daher der Speicherdichte eines optischen Speichers eine obere Grenze.

Entwickler von Sharp haben nun allerdings eine vor wenigen Jahren von japanischen Forschern entdeckte Technik verfeinert, die es erlaubt, die Beugungsgrenze zu durchbrechen. Auf der dieser Tage vorgestellten Disk sind Bits in einem Abstand von nur 100 Nanometern voneinander gespeichert. Das neue Speichermedium kann daher pro Schicht doppelt so viele Daten speichern wie der Nachfolger der bekannten DVD, die Blu-Ray Disk – in diesem Falle 50 Gigabyte.

Sharps Trick besteht darin, die Datenschicht mit einem dünnen lichtempfindlichen Film zu überziehen (siehe Bild). Wenn der die Daten auslesende blaue Laserstrahl auf diese Schicht trifft, so wird der Film im vorderen Bereich des Lichtpunkts undurchsichtig. Daher scheint nur ein Teil des Lichtflecks auf die darunter liegende Datenschicht durch und wird dort reflektiert, so dass ein Bit ausgelesen werden kann.

Dieses Verfahren ermöglicht es daher, einen Lichtpunkt mit einem der Beugungsgrenze entsprechenden Durchmesser effektiv zu verkleinern, da ein Teil des Flecks quasi abgeschottet wird. Den Forschern zufolge bestand das größte Problem ihrer Entwicklung darin, geeignete Materialien für die verschiedenen Schichten der Disk zu finden.

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Mechanischer Balanceakt

13.05.2005

Angeschubster Roboter bringt sich durch Ausfallschritt wieder ins Gleichgewicht

Eine zweibeinige Laufmaschine hält selbst die Balance, wenn sie angeschubst wird. Wie ein Mensch macht der Roboter "Rabbit" dann einen Ausfallschritt, fängt sich damit wieder und geht weiter. Die Konstruktion der amerikanischen und französischen Forscher kann sogar vom ruhigen Gang ins Rennen umschalten. Dies gelingt allerdings nur für rund sechs Laufschritte. Dann versagt der Kontrollmechanismus und der Roboter fällt um.

Die Forscher um Jessy Grizzle feiern den Balanceakt als großen Fortschritt für das autonome Gehen von Robotern. Bislang verhinderten Roboterkonstrukteure ein Umfallen der Zweibeiner durch große und breite Füße. Die Konstruktion von Grizzle läuft aber quasi auf kurzen Stelzen. Die Füße fehlen, Knie- und Hüftbewegungen werden durch Elektromotoren gesteuert. "Um einen Roboter zu bauen, der von Punkt zu Punkt stakst, muss man die Bewegungsabläufe des Gesamtsystems genau kennen", sagt Grizzle. Das Stabilitätsverhalten von Rabbit wird von zwei mathematischen Formeln beschrieben. Daraus lässt sich ableiten, wie sich die Maschine im jeweils nächsten Moment bewegen muss.

Mit der analytischen Stabilisierung könnten auch andere Robotergenerationen schneller und besser Laufen lernen. Bislang beruhte das Balancehalten auf langen Versuchsreihen und groben Abschätzungen der Ingenieure. Auch auf die Entwicklung von Beinprothesen könnten die Forschungsergebnisse Einfluss haben. Die Forscher denken dabei an so genannte intelligente Prothesen. Diese könnten sich aktiv auf die Gehbewegungen und -gewohnheiten von Patienten einstellen. Bislang mussten sich die Betroffenen an die mechanischen Eigenschaften ihrer Prothesen anpassen.

Jessy Grizzle et al. (Universität Michigan, Ann Arbor): Pressemitteilung der Universität

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Kamerahandy mit Insektenauge

03.05.2005

Facettenlinsen sind sehr viel dünner als herkömmliche Varianten und können helfen, optische Geräte zu verkleinern

Eine Linse nach dem Vorbild von Insektenaugen soll Kamerahandys in Zukunft kleiner und leichter machen. Zusammengesetzt aus mehreren hundert winzigen Mikrolinsen würde eine solche Linse für die gleiche Bildqualität nur etwa ein zehntel der Dicke herkömmlicher Varianten benötigen. Einen Prototypen haben Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik in Jena zusammen mit Schweizer Kollegen bereits entwickelt.

Die Facettenlinse der Forscher ist knapp zwei Millimeter dick und besteht aus 21 lichtleitenden Kanälen, die jeweils drei separate Mini-Linsen enthalten. Die Ausrichtung der kleinen Linsen unterscheidet sich leicht voneinander, so dass jede einen anderen Teil eines Bildes auf einen Photosensor projiziert. "Eigentlich ist jeder der Lichtkanäle eine Lochkamera", erklärt Studienleiter Andreas Bäumer das Prinzip.

Die Stärke der zusammengesetzten Linsen kann nach Ansicht der Forscher auch noch weiter reduziert werden. So könnten beispielsweise Linsen mit nur wenigen zehntel Millimetern Dicke in Kameras im Scheckkartenformat eingebaut werden, mit denen Bildanalysen für Sicherheitssysteme möglich würden. Solche Linsen hätten dann allerdings nur eine Auflösung von etwa 250 mal 250 Pixeln. Ihre Herstellung wäre jedoch sehr einfach und günstig, da bereits existierende Lithographie-Techniken eingesetzt werden könnten.

Andreas Bäumer (Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena) et al.: New Scientist, Online-Dienst

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Auf dem Weg zum Gedankenlesen

25.04.2005

Das Muster der Hirnaktivität spiegelt nicht nur die Wahrnehmung, sondern auch die Gedanken eines Menschen wider: Japanischen Forschern ist es gelungen, die Signale eines Hirnscans zu entschlüsseln und daraus auf die Überlegungen des Probanden im Moment der Untersuchung zurückzuschließen. Eine solche Methode könnte möglicherweise die Basis für die Entwicklung besserer Mensch-Maschinen-Schnittstellen sein, hoffen die Wissenschaftler.

Die Forscher zeigten vier Probanden Streifenmuster, die senkrecht, waagerecht oder diagonal in verschiedenen Winkeln angeordnet waren. Gleichzeitig bestimmten sie mithilfe der so genannten funktionellen Magnetresonanztomographie die Gehirnaktivität im Sehzentrum der Testteilnehmer. Dabei zeigte sich, dass sich das Aktivitätsmuster im Gehirn abhängig von der Orientierung der betrachteten Streifen veränderte. Aus diesen unterschiedlichen Messungen erstellten die Forscher eine Art Landkarte, in der jedem Streifenmuster eine bestimmte Aktivitätsverteilung zugeordnet war.

Anschließend ließen sie die Probanden ein Bild anschauen, in dem sich zwei Arten von diagonalen Streifen überkreuzten. Die Teilnehmer sollten sich jedoch nur auf eins der beiden Muster konzentrieren. Während dieser Übung fertigten die Forscher wiederum Gehirnscans der Probanden an und verglichen diese mit ihrer Aktivitätskarte. Das Ergebnis war eindeutiger als vermutet: Die Forscher konnten auf diese Weise zuverlässig bestimmen, welchem Muster der Proband mehr Aufmerksamkeit geschenkt hatte.

Bislang waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass die räumliche Auflösung der funktionellen Magnetresonanztomographie nicht ausreicht, um so feine Unterschiede in der Gehirnaktivität festzustellen wie sie durch das Betrachten verschiedener Muster entstehen. Dieses Problem konnten die Forscher jedoch umgehen, indem die Aktivitätsverteilung in einem genau abgegrenzten Gebiet bestimmten. Sie hoffen, mithilfe ihrer Ergebnisse genauere Einblicke in die Arbeitsweise des Gehirns zu erhalten. Ein ähnlicher Ansatz könnte ihrer Ansicht nach auch eingesetzt werden, um beispielsweise das Bewusstsein oder das Erinnerungsvermögen zu untersuchen.

Yukiyasu Kamitani, (ATR-Labors, Kyoto), Frank Tong (Vanderbilt-Universität, Nashville): Nature Neuroscience, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1038/nn1444

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Roboter zum Anziehen

07.04.2005

Mechanischer Anzug wird durch Nervensignale gesteuert und hilft beim Treppensteigen und Laufen

Ein mechanischer Anzug soll älteren oder behinderten Menschen das Laufen, Treppensteigen und das Heben schwerer Lasten erleichtern. Arme und Beine werden dabei von einem motorgetriebenem Außenskelett aus Metall unterstützt, dessen Bewegungen mithilfe eines Computers koordiniert werden. Gesteuert werden die Motoren des Roboteranzugs von den elektrischen Signalen, die vom Gehirn über die Nerven an die Muskeln geleitet werden. Über die Entwicklung des Teams um Yoshiyuki Sankai von der Universität von Tsukuba, deren neueste Versionen auf der Expo in Japan vorgestellt werden sollen, berichtet das Wissenschaftsmagazin New Scientist (9. April, S. 19).

Der bislang am weitesten entwickelte Prototyp trägt den Namen HAL3 und assistiert beim Bewegen der Beine. Er besteht aus zwei Beinschienen mit jeweils zwei Motoren in Hüft- und Kniehöhe, einem Batteriegürtel und einem Rucksack, in dem der Steuercomputer untergebracht ist. Bioelektrische Sensoren, die direkt auf der Haut der Beine befestigt werden, messen die Nervensignale, mit denen das Gehirn den Muskeln befiehlt, sich zu bewegen. Wird ein solcher Impuls detektiert, sendet der Sensor ein Signal an den Steuercomputer, der daraufhin den entsprechenden Motor in Bewegung versetzt. Diese Reaktion ist genauso schnell wie die eigentliche Muskelbewegung, schreibt der "New Scientist".

Ein zweites Steuersystem sorgt für die richtige Koordination der individuellen Motorbewegungen, indem es beispielsweise eine Gehbewegung simuliert. Beim ersten Benutzen analysiert und speichert dieses System dazu die typischen Bewegungsmuster jedes einzelnen Nutzers. So erkennt es später, ob der Träger gehen möchte oder lediglich sein Bein bewegt und kann ihn bei dem speziellen Bewegungsablauf unterstützen. Obwohl HAL3 etwa 22 Kilogramm wiegt, bemerkt der Nutzer dieses Gewicht kaum, da sich das System praktisch aus eigener Kraft trägt.

Auch HAL4 und HAL5, die weiter entwickelten Prototypen, stehen bereits in den Startlöchern. Sie haben zusätzlich zu den Beinschienen auch mechanische Armstützen, die beim Heben schwerer Lasten helfen sollen. Mit den Roboterarmen wird der Nutzer etwa 40 Kilogramm mehr anheben können als ohne die Hilfe, so die Planung. Bei den neuen Systemen ist der Steuercomputer nicht mehr in einem sperrigen Rucksack untergebracht, sondern im Batteriegürtel. Auch die Motorgehäuse sind kleiner, so dass der Anzug insgesamt weniger sperrig ist. Die Entwickler planen, die ersten kommerziellen Versionen bereits Ende dieses Jahres auf den Markt zu bringen. Sie sollen zwischen 10.000 und 15.000 Euro kosten.

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Schlangenroboter überwindet fast jedes Hindernis

29.03.2005

Für die knapp 1,5 Meter lange künstliche Schlange sind selbst hohe Stufen und tiefe Gräben kein Problem

Ein neuartiger Roboter in Gestalt einer Schlange kommt auch auf unebenem Gelände voran und bewältigt mühelos kleine Hindernisse. Er kann sich nicht nur ohne Probleme über sandigen und steinigen Untergrund bewegen, sondern auch Stufen und kleine Gräben überwinden. Der OmniTread genannte Roboter soll riskante Einsätze in unwegsamem Gelände übernehmen, zum Beispiel die Suche nach Überlebenden in Trümmern eingestürzter Häuser. Über ihre Erfindung berichten Johann Borenstein von der Universität von Michigan in Ann Arbor und seine Kollegen in der Fachzeitschrift "International Journal on Industrial Robots".

Der etwa zwölf Kilogramm schwere Roboter wird über einen Joystick gesteuert. Er ist in fünf würfelförmige Segmente unterteilt, die über biegsame Achsen verbunden sind. Angetrieben wird er wie ein Panzer: Viele kleine gerippte Laufbänder bewegen ihn vorwärts. Diese Laufbänder sind rings um den OmniTred angeordnet. Er kann seine Fahrt somit auch fortsetzen, falls er zur Seite rollen sollte. In den Achsen zwischen den einzelnen Segmenten befinden sich hydraulische Pumpen. Diese ermöglichen es dem OmniTred, seine beiden vorderen oder hinteren Segmente anzuheben und somit über Hindernisse zu klettern.

Bei Tests überwand der Roboter einen Bordstein von ungefähr 46 Zentimetern Höhe. Das ist mehr als das Doppelte seiner Höhe. Außerdem konnte er einen Graben überqueren, der mit 66 Zentimetern halb so breit war, wie der OmniTred lang ist. Für gefährliche Einsätze in der Industrie und beim Militär sei diese Erfindung ideal, sagt Borenstein.

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Plastikkugeln schlagen DVD

07.03.2005

Neues Speichermedium punktet mit deutlich höherer Speicherdichte

Dank winziger Kunststoffkügelchen kann ein neues optisches Speichermedium mehr Daten speichern als eine DVD. Der Datenträger besteht aus einem Gitter, das die mit fluoreszierenden Farbstoffen ausgestatteten Kügelchen trägt. Beim Speichern werden die optischen Eigenschaften einzelner Kugeln verändert, so dass sie entweder eine 0 oder eine 1 repräsentieren. Auf diese Weise erreichten die japanischen Entwickler des Mediums bereits eine doppelt so hohe Speicherdichte wie bei der DVD. Durch eine dreidimensionale Beschichtung und noch kleinere Kügelchen wollen Naoki Kobayashi und Chikara Egami von der Universität in Shizuoka diese Dichte jedoch noch deutlich steigern, berichtet der Online-Dienst Optics.org.

Die momentan verwendeten Polystyrolkugeln haben einen Durchmesser von 500 Nanometern und enthalten Farbstoffe, die bei Anregung mit einem Laser rotes Licht aussenden. Jedes der Kügelchen fungiert im Prinzip als ein Datenbit, das über die Analyse des reflektierten Lichts ausgelesen werden kann. Zum Speichern von Daten werden die Kugeln mit grünem Laserlicht bestrahlt. Dabei verändert sich der Winkel, unter dem einfallendes Licht von den Kügelchen zurückgeworfen wird: Reflektieren sie hinterher mehr Licht, stehen sie für ein 1-Bit, reflektieren sie weniger, repräsentieren sie ein 0-Bit.

Die Kügelchen sind schon in der momentanen Version so dicht angeordnet sind, dass sie doppelt so viele Daten pro Flächeneinheit speichern können wie eine DVD. Spätere Versionen des Datenträgers sollen die Speicherdichte einer DVD sogar um das 10fache übertreffen, planen die Forscher. Um dieses Ziel zu erreichen, wollen sie nicht nur die einzelnen Kügelchen verkleinern, sondern sie auch in mehreren Schichten übereinander auftragen. Auch die Speichertechnik soll noch verbessert werden, so dass mehrere Ebenen auf dem gleichen Medium beschrieben werden können.

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Turbo-Akku ist schneller, besser und haltbarer

03.03.2005

Neuartiges Batteriesystem ist innerhalb von sechs Minuten aufgeladen und deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Varianten

Ein neu entwickelter Akku lässt sich innerhalb von nur sechs Minuten aufladen. Er ist außerdem dreimal so leistungsfähig und 100-mal so langlebig wie die heute verwendeten Akkus. Entwickelt hat ihn die Firma Altair Technologies in Reno (USA). Über das Patent berichtet das Wissenschaftsmagazin New Scientist (5. März, S. 27).

Der neue Akku ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Eine der Elektroden des Stromspeichers besteht dabei statt aus Kohlenstoff aus Lithium-Titanat-Nanokristallen. Dieses Material ist stark zerklüftet und besitzt daher eine enorm große Oberfläche: Ein Gramm erreicht eine Fläche von 100 Quadratmetern. Das ist mehr als 30-mal soviel wie herkömmliche Materialien. Wegen der großen Oberfläche können Elektronen besonders schnell ausgetauscht werden.

So kann der Akku nicht nur schnell geladen werden, sondern auch in kurzer Zeit eine große Menge an Energie abgeben. Das konnten bisher nur die relativ teuren und schweren Nickel-Cadmium-Akkus und Nickel-Hydrid-Batterien. Deshalb mussten Benutzer von mobilen Geräten bislang auf viele Zusatzfunktionen verzichten. Durch den neuen Akku werden diese nun möglich. Zum Beispiel hätten Kamerahandys, in denen der neuartige Akku eingebaut ist, genug Leistung für ein Blitzlicht.

Laut Altair Technologies lässt sich der Akku 20.000 Mal wieder aufladen. Durch die lange Lebensdauer sei er umweltfreundlicher als die derzeitigen Varianten, die nur 400 Mal aufgeladen werden können. Das Unternehmen plant, ihn für die verschiedensten Geräte, vom Handy bis zum Elektromobil, zu produzieren. Außerdem möchte es Lizenzen für sein Patent an große Batteriehersteller zu verkaufen. Die ersten Geräte, die mit dem neuen Akku ausgestattet sind, könnten dann in zwei Jahren auf dem Markt sein.

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Mit einem doppelten Trick gegen kaputte Nerven

25.02.2005

Durch Überwindung einer inneren und einer äußeren Barriere können zerstörte Sehnerven regeneriert werden

Einem amerikanischen Forscherteam ist es gelungen, durchtrennte Sehnerven bei Mäusen wiederherzustellen. Dabei identifizierten die Wissenschaftler zwei Schlüsselmechanismen, die normalerweise die Regeneration von Nerven im Zentralen Nervensystem verhindern: das Fehlen eines wachstumsfördernden Proteins innerhalb der Nervenzellen und eine äußere Blockade des Wachstums durch Narbenbildung. Diese Entdeckung könnte nicht nur dabei helfen, Erblindeten ihre Sehfähigkeit wiederzugeben, sondern auch den Grundstein für die Heilung von Rückenmarksverletzungen legen, berichten Dong Feng Chen und ihre Kollegen von der Harvard-Universität in der Fachzeitschrift Journal of Cell Science (Bd. 118, S. 863).

Im Gegensatz zum größten Teil des restlichen Körpergewebes verlieren die Nervenzellen in Gehirn, Sinnesorganen und Rückenmark etwa zum Zeitpunkt der Geburt ihre Fähigkeit, sich nach Verletzungen zu erneuern. Was genau diese Zellen von anderen Nervenzellen, die sich durchaus noch regenerieren können, unterscheidet, war bislang unklar. Wissenschaftler vermuteten jedoch, dass dabei zwei Blockademechanismen zusammenarbeiten: die Unfähigkeit der erwachsenen Zellen, erneut zu wachsen und die äußere Umgebung der Nervenzellen in Gehirn und Rückenmark, die ein solches Wachstum verhindert.

Einer der Schlüssel für die Regenerationsblockade scheint dabei ein Gen namens Bcl-2 zu sein, entdeckten Chen und ihre Kollegen nun. Während der Embryonalentwicklung ist es angeschaltet, und das gebildete Protein aktiviert Wachstum und Regeneration der Nerven. Später stellen die Zellen die Produktion jedoch ein, und ihre Fähigkeit zur Wiederherstellung verschwindet. Als die Wissenschaftler Mäuse genetisch so veränderten, dass das Gen in den Nervenzellen ständig aktiv war, blieb die Regenerationsfähigkeit der Nerven tatsächlich länger erhalten: Nach einer Durchtrennung wuchsen die Sehnerven der Tiere vom Auge bis ins Gehirn.

Das galt jedoch nur für neugeborene Mäuse, zeigten weitere Untersuchungen. Bei älteren Tieren mit einem voll entwickelten Gehirn war offenbar noch ein zweiter Schlüssel nötig: Trotz Bcl-2-Aktivierung bildeten die Stützzellen in der Umgebung der durchtrennten Nerven nämlich eine Barriere aus Narbengewebe, die das Wachstum blockierte. Durch eine weitere genetische Veränderung, die die Narbenbildung verhinderte, konnten die Forscher jedoch auch bei diesen Tieren die Regenerationsblockade durchbrechen.

Eine Therapie, bei der Bcl-2 aktiviert und die Narbenbildung verhindert wird, könnte in Zukunft Menschen mit Verletzungen oder Krankheiten des Sehnervs ihr Augenlicht zurückgeben, hoffen die Forscher. Sie vermuten außerdem, dass eine ähnliche Kombination auch eine Regeneration des Rückenmarks und damit Querschnittsgelähmten eine neue Beweglichkeit ermöglicht.

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Automatischer Wächter zum Kugeln

01.02.2005

Ballförmiger Roboter kann sich gut durch schwieriges Gelände bewegen und soll in Zukunft auf Patrouille gehen

Ein neu entwickelter kugelförmiger Roboter könnte künftig als automatisches Wachpersonal eingesetzt werden. Angetrieben durch ein Pendel bahnt er sich rollend selbst durch Matsch und Schnee seinen Weg und beobachtet dabei mit Kameras seine Umgebung. Eindringlinge kann die robuste Kugel dann sofort an ein Kontrollzentrum melden. Entwickelt wurde der Roboter ursprünglich von Wissenschaftlern der Universität in Uppsala (Schweden) für die Erkundung von Planeten. Jetzt wird der kleine Roboter von dem schwedischen Start-up Unternehmen Rotundus technisch für seine Arbeit als Wachposten ausgerüstet, berichtet der Online-Dienst des Wissenschaftsmagazin New Scientist.

Durch einen GPS-Sensor gesteuert kann der robuste Roboter auf Patrouille gehen. Auf seinem Kontrollgang nimmt er durch kleine Weitwinkelkameras an den Seiten seine Umgebung auf. Zukünftig soll er mit Radarsensoren auch um Hindernisse herumnavigieren können. Eine Software, die auf Bewegung reagiert, soll automatisch einen Eindringling entdecken und Alarm schlagen. Durch seine Kugelform bewegt sich der Roboter geschickter als seine mit Beinen oder Rädern ausgestatteten Kollegen - er bleibt beispielsweise nicht so leicht in Ecken stecken.

Die Rollbewegung geht von einem kleinen Motor in seinem Inneren aus, der die Achse antreibt, an der ein Pendel aufgehängt ist: Schwingt das Pendel nach vorn oder nach hinten, bewegt sich der Roboter vorwärts beziehungsweise rückwärts, schwingt es zur Seite, rollt der Roboter nach links oder rechts. Die nächste Version soll sogar genug Kraft haben, um Hänge hinaufrollen zu können. Für Kontrollgänge in Gebäuden ist der Roboter jedoch nur bedingt geeignet, da er an Absätzen und Treppen scheitert.

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Mauszeiger mit Köpfchen

21.01.2005

Computercursor lässt sich durch Gedanken kontrollieren

Amerikanische Wissenschaftler aus St. Louis haben mit Hilfe einer Gruppe von Versuchspersonen demonstriert, dass sich ein Computercursor durch bloße Gedankensteuerung über den Bildschirm bewegen lässt. Dies gelang durch die Überwachung der elektrischen Gehirnströme der Teilnehmer mit Hilfe von Elektroden, die durch eine Operation direkt auf der Oberfläche des Gehirns platziert worden waren. Die Studie ist im Fachmagazin "Journal of Neural Engineering" abgedruckt (Band 1 Seite 63).

Das von dem an der Washington-Universität beschäftigten Forscher Daniel Moran und seinen Kollegen entwickelte Verfahren ist eine Variante der so genannten Elektrocortikographie. Im Gegensatz zu der vom Arzt bekannteren Elektroenzephalographie (EEG) werden dabei Elektroden nicht auf der Oberfläche des Schädels, sondern direkt unterhalb der Schädeldecke auf der Gehirnoberfläche aufgebracht. Derartige Operationen werden bereits routinemäßig zur Überwachung und Kontrolle von Patienten mit Epilepsie ausgeführt.

Die Teilnehmer der Studie wurden aufgefordert, bestimmte Bewegungen ihrer Hände auszuführen, und die diesen Bewegungen vorausgehenden Gehirnströme mithilfe der Elektroden aufgezeichnet. Auf diese Weise gelang es den Forschern herauszufinden, welche Gehirnströme die verschiedenen Bewegungen verursachten.

Die nächste Aufgabe der Versuchspersonen bestand nun darin, einen Mauscursor auf einem Bildschirm durch bloße Gedanken zu bewegen. Dazu wurden die von den Elektroden aufgefangenen Stromimpulse mit einem Computerprogramm verarbeitet. Tatsächlich gelang es den Patienten innerhalb kurzer Zeit, den Cursor mit einer Genauigkeit von mehr als 70 Prozent zu bestimmten Punkten des Bildschirms zu bewegen.

Moran ist der Ansicht, dass ein derartiges Verfahren in Zukunft zur Kontrolle künstlicher Gliedmaßen eingesetzt werden könnte. Dies würde insbesondere Patienten mit Rückenmarksverletzungen eine wesentlich verbesserte Lebensqualität ermöglichen.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Kugelsichere Schneckenhäuser

20.01.2005

Die stabile Schale von Wasserschnecken soll beim Design von Schutzwesten helfen

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität von Kalifornien in San Diego will von der Natur lernen, wie brüchige Materialien dank einer cleveren räumlichen Anordnung zu festen Stoffen verarbeitet werden können. Ein gutes Beispiel dafür ist die Abalon-Wasserschnecke, deren aus kleinen Kalktäfelchen aufgebaute Schale selbst heftigen Drücken standhalten kann. Darüber berichtet das Fachmagazin Materials Science and Engineering A (Ausgabe vom 15. Januar 2005).

Dass aus Kalk aufgebaute Körper in der Regel spröde und brüchig sind, ist wohlbekannt – man denke etwa nur an Tafelkreide. Daher ist es überraschend, dass das Schneckenhaus der Abalon-Schnecke gegenüber hohen Drücken und sogar Einschlägen weitgehend unempfindlich ist, obwohl es zu 95 Prozent aus Kalk besteht.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Marc Meyers ist dem Geheimnis der hohen mechanischen Belastbarkeit des Kalkgehäuses nun mit einem Elektronenmikroskop auf den Grund gegangen. Dabei stellte sich heraus, dass die Schale aus winzigen, nur wenigen Mikrometer großen Tafeln aus Kalk besteht, die durch einen Proteinklebstoff miteinander verbunden sind.

Wenn nun ein äußerer Druck auf die Schale ausgeübt wird, können die Kacheln ein wenig aneinander vorbei gleiten und somit die Energie des Aufpralls absorbieren. Meyers glaubt, dass ähnliche Konzepte in Zukunft die Herstellung leichtgewichtiger schusssicherer Westen ermöglichen könnten. Diese wären dann allerdings natürlich nicht aus Kalk, sondern aus etwas härteren Stoffen wie etwa Aluminium aufgebaut.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Mikrorobot mit Muskeln

17.01.2005

Lebende Muskelstränge sollen winzige Maschinenteile bewegen

Amerikanische Wissenschaftler haben eine neue Technik entwickelt, mit der sich lebende Muskelzellen mit mechanischen Bauteilen verbinden lassen. Dabei werden einzelne Muskelzellen auf einen Goldfilm aufgetragen und können dort genau an der gewünschten Stelle zu einem Muskelbündel heranwachsen. Über das Verfahren, das einmal den Bau winzigkleiner muskelbetriebener Maschinen ermöglichen könnte, berichten Carlo Montemagno und seine Kollegen von der Universität von Kalifornien in Los Angeles im Fachmagazin Nature (Online-Vorabveröffentlichung, doi 10.1038/nmat1308).

Muskeln leisten bei Lebewesen seit Millionen von Jahren gute Dienste und sollen nun auch Mikrobauteile, so genannte mikromechanische Systeme, bewegen. Die Technologie, die Mikromaschinen von der Größe weniger Millimeter mit altbewährten biologischen Elementen kombiniert, ist nicht neu. Doch die Entwicklung war bisher sehr aufwändig. In manueller Kleinarbeit mussten Muskelbündel aus Gewebe isoliert werden, was zeitintensiv war und auch viel Gewebe zerstörte.

Muskelzellen wachsen auf einem Acrylamidgel schlecht, auf einer Goldschicht hingegen gut, fanden die Forscher um Carlo Montemagno nun heraus. Diese Eigenschaft wendeten sie für ein kontrolliertes und gerichtetes Zellwachstum an, indem sie eine Siliziumplatte mit einem Acrylamidgel beschichteten und an den Stellen, wo Muskelzellen wachsen sollten, einen Chrom-Gold-Film auftrugen. Dort verbanden sich die Zellen innerhalb von drei Tagen zu kleinen Muskelstrukturen. Nach dem Entfernen des Gels bleiben dann freiliegende Muskelbündel zurück.

Um die Funktionsfähigkeit ihres Verfahrens zu erproben, ließen die Wissenschaftler diese Muskelbündel an einem Kraftaufnehmer anwachsen, so dass sie die Kraft der Muskeln direkt messen konnten. Auch brachten sie Zellen an einem beweglichen Metallgerüst zum Wachsen und beobachteten, wie sich die Metallteile bei Kontraktion des Muskelbündels bewegten. Das Verfahren könnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung mechanisch-elektrischer Biomotoren eröffnen, erläutert Montemagno. Als Energiequelle für die Muskeln dient dabei eine einfache Zuckerlösung. Kontraktionen werden durch elektrische Impulse ausgelöst.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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