SZ-Serie: Exzellent ausgedacht, Teil 1:Bauroboter und der Ursprung des Lebens

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Welche bahnbrechenden Erkenntnisse Wissenschaftlerinnen und Forscher an LMU und TU im vergangenen Jahr geglückt sind.

Von René Hofmann

Sieht aus wie Science Fiction, wurde im Jahr 2022 aber dank Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universität in Ansätzen schon realisiert: Roboter, die schwebend Strukturen drucken. (Foto: Imperial College London)

Flugroboter als 3D-Drucker

Worum geht es? Um Drohnen, also ferngesteuerte Flugroboter. Diese Technik wurde mit einem Verfahren kombiniert, das in der Bauindustrie immer wichtiger wird: dem 3D-Druck. In Fabriken und auch auf Baustellen kommt derlei immer häufiger zum Einsatz, um komplexe Teile aus Stahl oder Beton passgenau zu fertigen. Warum sollte das nicht auch im Flug möglich sein, fragten sich die Forscherinnen und Forscher. Bei dem Ansatz ließen sie sich von Baumeistern aus der Natur inspirieren - von Bienen und Wespen, die im Flug miteinander kooperieren, um Neues zu schaffen. So entstanden zwei Arten von Drohnen, die zusammen losgeschickt wurden: "BuilDrones", die das Material auftragen, und "ScanDrones", die kontinuierlich nachmessen und die nächsten Schritte vorgeben. Die Drohnen arbeiten anhand eines vorgegebenen Bauplans, passen ihre Aktionen aber laufend an. Während des Fluges sind sie autonom und werden von einem Menschen nur überwacht. Im Labor gelang es dem Forscherteam, einen zwei Meter hohen Zylinder mit einem Schaumstoff zu drucken und einen knapp 20 Zentimeter hohen Zylinder aus einem speziell entwickelten Zement. Angestrebt wird eine Genauigkeit bis auf fünf Millimeter.

Warum ist das wichtig? An schwer zugänglichen oder gefährlichen Orten zu bauen, erfordert intensive Sicherungsmaßnahmen. Mit den Drucker-Drohnen könnte es leichter werden. Auch Unterkünfte für Geflüchtete oder Betroffene von Naturkatastrophen könnten so schneller entstehen. Gleiches gilt für den Bau von hohen Gebäuden - oder wenn an solchen Reparaturen nötig werden.

Wer hat's erfunden? Ein internationales Forschungsteam, dessen Leitung am Imperial College London und bei der Empa lag, der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt. Einer der Hauptverantwortlichen war Stefan Leutenegger, seit 2021 Professor für Machine Leaning for Robotics an der Technischen Universität München (TUM). Er sagt: "Die größte Herausforderung war es, die Drohnen in die Lage zu versetzen, sehr präzise zu navigieren."

Wie geht es weiter? Zusammen mit Kathrin Dörfler, Professorin für Digitale Fabrikation an der TUM, hat Leutenegger ein Projekt gestartet, das erforschen soll, was räumliche Künstliche Intelligenz der kooperativen Baurobotik bringen kann. Eines der Ziele ist es, Robotern beizubringen, sich auf realen Baustellen zu bewegen - inmitten von Menschen und Maschinen, die ständig in Bewegung sind und zwischen Strukturen, die sich täglich ändern.

Mini-Brennstoffzelle mit körpereigenem Zucker

Worum geht es? Um Traubenzucker, auch Glucose genannt. Der Stoff ist einer der wichtigsten Energielieferanten im Körper. Nun ist es gelungen, diese Energiequelle dank einer Mini-Brennstoffzelle in Elektrizität umzuwandeln.

Warum ist das wichtig? Medizinische Implantate benötigen zuverlässige und möglichst kleine Stromquellen: Sensoren, die Vitalfunktionen messen, Elektroden, die bei Parkinson-Patienten zur Hirntiefenstimulation eingesetzt werden, oder auch Herzschrittmacher - ohne Strom fallen sie aus. Batterien müssen gewechselt werden, und: Sie können nicht immer noch kleiner werden, weil sie ein gewisses Volumen benötigen, um Energie zu speichern. Die Idee, Glucose-Brennstoffzellen als Stromquelle zu nutzen, gibt es schon länger. Bisher wurde dafür meist mit Kunststoffen experimentiert. Den Durchbruch verspricht nun der Umstieg auf Keramik. Die Forscherinnen und Forscher stellten 150 Glucose-Brennstoffzellen auf einem Chip her, jede etwa 400 Nanometer dünn - ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Sie stellten fest, dass viele der Zellen eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt erzeugten. Das reicht, um Sensoren und viele andere elektronische Geräte für Implantate zu betreiben.

Wer hat's erfunden? Ein Forschungsteam um Jennifer Rupp, Professorin für Chemie der Festkörperelektrolyte an der TU München (TUM), und Philipp Simons vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Jennifer Rupp, Professorin für Chemie der Festkörperelektrolyte an der TU, in ihrem Labor. (Foto: Uli Benz/TUM)

Wie geht es weiter? Rupps Team will die Erfindung langfristig in die praktische Anwendung bringen. Ihr Ziel: "Anstatt eine Batterie zu verwenden, die 90 Prozent des Volumens eines Implantats beansprucht, könnte unser Gerät in Form von dünnen Filmen auf einem Silizium-Chip oder zukünftig sogar auf die Oberfläche der Implantate aufgebracht werden."

Neue Atherosklerose-Erkenntnisse

Worum geht es? Atherosklerose - die Ablagerungen aus Cholesterin, faserigem Gewebe und Immunzellen im Inneren von Arterien (atherosklerotische Plaques), die dazu führen, dass weniger Sauerstoff ins Körpergewebe gelangt. Die Folgen sind der Herzinfarkt, der Schlaganfall oder das Raucherbein. Den Forschenden gelang es nun, Signale nachzuweisen, welche vom Blutgefäß mit Plaques über Nerven zum Gehirn geleitet werden - und Signale von dort zurück zum Blutgefäß.

Warum ist das wichtig? Die Atherosklerose wird weltweit an etlichen Labors erforscht. Ob es eine direkte Verbindung zwischen der betroffenen Arterie und dem Gehirn gibt, wurde dabei lange nicht in den Blick genommen. Der Grund hierfür: Die Plaques, die sich im Inneren der Arterie befinden, werden - was schon lange bekannt ist - nicht von Nervensträngen durchzogen. Eine Arbeitsgruppe befasste sich nun aber mit der Außenseite der Arterie. Ihre Annahme: Atherosklerose ist mehr als nur ein Plaque. Die Forschungsgruppe nahm die Entzündung der Arterie in den Blick, die sich auch auf der Außenseite zeigt. Es gelang der Nachweis, dass molekulare Fühler, sogenannte Rezeptoren, dort anhand von Botenstoffen identifizieren, wo Gefäße entzündet sind und sich Plaques befinden. Anschließend senden die Rezeptoren elektrische Signale über die Nervenbahnen bis in das Gehirn. Das Gehirn verarbeitet die Signale und sendet ein Stresssignal zurück bis in das entzündete Blutgefäß. Dadurch wird die Entzündung negativ beeinflusst, die Atherosklerose verschlechtert sich. Dieser neu entdeckte elektrische Kreislauf zwischen den Arterien und dem Gehirn hat eine wichtige Bedeutung. Im Tierexperiment gelang es bei Mäusen bereits, die Verbindung zwischen einer erkrankten Arterie und dem Gehirn zu trennen. Nach acht Monaten war die Atherosklerose bei derart behandelten Tieren weniger ausgeprägt als bei unbehandelten Artgenossen.

Wer hat's herausgefunden? Sarajo K. Mohanta, Andreas Habenicht und Christian Weber vom LMU-Institut für Prophylaxe und Epidemiologie der Kreislaufkrankheiten, zusammen mit einem internationalen Team, zu dem auch Daniela Carnevale und Giuseppe Lembo von der Universität La Sapienza in Rom gehörten.

Wie geht es weiter? Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausfinden, wie das periphere Nervensystem genau organisiert ist - und welche Rolle weitere Rezeptoren spielen. Viel deutet auch darauf hin, dass die Schnittstelle zwischen Gehirn und erkrankten Blutgefäßen durch Stress reguliert wird. Deshalb ist geplant, neurobiologische Aspekte zu untersuchen: Welche Zellen im Gehirn reagieren auf Signale aus erkrankten Blutgefäßen? Und mit welchen Regionen im Gehirn stehen diese Zellen wiederum in Verbindung? "Langfristig hoffen wir, dass Atherosklerose endlich kausal therapiert werden kann", sagt Sarajo K. Mohanta, "doch das kann noch dauern".

Der Ursprung des Lebens

Worum geht es? Um ein neues Konzept, wie das Leben auf der frühen Erde entstehen konnte.

Warum ist das wichtig? Um zu verstehen, wie - vor etwa vier Milliarden Jahren - die ersten Bausteine für die Entstehung des Lebens entstanden. Vor der biologischen Evolution, der Stammesgeschichte, gab es eine sogenannte chemische Evolution. 1986 formulierte der Molekularbiologe Walter Gilbert die sogenannte RNA-Welt-Idee. Danach formten sich in einer Art Ursuppe zunächst kurze Ribonukleinsäure-Moleküle (RNA). Aus diesen könnte sich später das Erbgut, wie es heute bekannt ist, entwickelt haben. Wichtige Fragen blieben dabei aber lange offen: Wie blieben die RNA-Moleküle stabil? Und wie kam es zu einer Verknüpfung mit der Welt der Proteine, umgangssprachlich Eiweiße genannt? Nun wurde ein Weg entdeckt, wie diese entstanden sein könnte. Hierfür wurden die RNA-Moleküle genau betrachtet - vor allem die Teile, die nicht genetische Erbinformationen kodieren. Die Vermutung: Diese könnten Relikte der frühen RNA-Welt sein. Die Forscher gaben die RNA in eine Lösung, in der sich auch Aminosäuren befanden und beobachteten, wie sich einige der molekularen Fossile mit einzelnen Aminosäuren oder sogar kleinen Ketten davon - sogenannten Peptiden - verbanden. An manchen RNA-Strängen wuchsen die Peptide sogar an mehreren Punkten. Im Labor entstanden so RNA-Partikel, die genetische Erbinformationen kodieren können und länger werdende Peptide bildeten.

Wer hat's herausgefunden? Eine Gruppe von Chemikern der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) um Thomas Carell, den Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie.

Schlägt ein neues Konzept vor, wie die Evolution zu komplexeren Lebensformen in Gang kam: LMU-Chemiker Thomas Carell. (Foto: LMU)

Wie geht es weiter? "Möglicherweise gab es nie eine reine RNA-Welt, sondern RNA und Peptide lagen von Anfang an in einem gemeinsamen Molekül vor", sagt Thomas Carell. Man müsse das Konzept einer RNA-Welt zu einem RNA-Peptid-Welt-Konzept erweitern. "Die neue Idee schafft ein Fundament, auf dem die Entstehung des Lebens langsam erklärbar wird."

© SZ vom 28.12.2022 - Rechte am Artikel können Sie hier erwerben.
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