{"id":11178,"date":"2020-11-12T07:48:38","date_gmt":"2020-11-12T07:48:38","guid":{"rendered":"https:\/\/cyber-valley.de\/news\/kuenstliche-flimmerhaerchen-geben-aufschluss-darueber-welches-bewegungsmuster-einen-maximalen-fluessigkeitsstrom-erzeugt\/"},"modified":"2026-07-15T14:44:19","modified_gmt":"2026-07-15T14:44:19","slug":"kuenstliche-flimmerhaerchen-geben-aufschluss-darueber-welches-bewegungsmuster-einen-maximalen-fluessigkeitsstrom-erzeugt","status":"publish","type":"news","link":"https:\/\/cyber-valley.de\/de\/news\/kuenstliche-flimmerhaerchen-geben-aufschluss-darueber-welches-bewegungsmuster-einen-maximalen-fluessigkeitsstrom-erzeugt\/","title":{"rendered":"K\u00fcnstliche Flimmerh\u00e4rchen geben Aufschluss dar\u00fcber, welches Bewegungsmuster einen maximalen Fl\u00fcssigkeitsstrom erzeugt"},"content":{"rendered":"\n

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Intelligente Systeme entwickeln k\u00fcnstliche Flimmerh\u00e4rchen, die so programmiert werden k\u00f6nnen, dass sie sich in Wellen bewegen. In Experimenten zeigen sie, wie die millimeterkleinen Zilien viskose Fl\u00fcssigkeiten genauso effektiv pumpen k\u00f6nnen wie ihr nat\u00fcrliches Vorbild. Ihre Forschung tr\u00e4gt dazu bei, das Geheimnis zu l\u00fcften, welches Bewegungsmuster einen maximalen Fl\u00fcssigkeitsstrom erzeugt. Die in Science Advances ver\u00f6ffentlichten Ergebnisse tragen zu einem besseren Verst\u00e4ndnis der Biomechanik echter Zilien bei und helfen bei der Entwicklung millimeterkleiner Roboter, die Fl\u00fcssigkeiten pumpen und so eines Tages im menschlichen K\u00f6rper eingesetzt werden k\u00f6nnen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Stuttgart \u2013 Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Intelligente Systeme (MPI-IS) haben millimeterkleine magnetisch geladene Zilien entwickelt, die viskose Fl\u00fcssigkeiten genauso effektiv pumpen k\u00f6nnen wie echte Flimmerh\u00e4rchen, die in der Natur weit verbreitet sind. Ihr Forschungsprojekt „Bioinspired cilia arrays with programmable nonreciprocal motion and metachronal coordination<\/a>“ wurde im Fachjournal Science Advances ver\u00f6ffentlicht. Die Autoren Dr. Xiaoguang Dong, Dr. Wenqi Hu, Ziyu Ren und Prof. Dr. Metin Sitti sind Mitglieder der Abteilung f\u00fcr Physische Intelligenz am MPI-IS, deren Direktor Sitti ist. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Zilien sind haar\u00e4hnliche Strukturen, die zum Beispiel in den Atemwegen vorkommen. Dort liegen sie wie ein Teppich auf der Schleimhaut. Durch die Zilienbewegung wird Schleim und an ihm haftende, unerw\u00fcnschte Substanzen aus den Atemwegen bef\u00f6rdert. \u00c4hnliche Flimmerh\u00e4rchen kommen auch in den Eileitern vor, die Eizellen in Richtung der Geb\u00e4rmutter transportieren. Auch Korallen haben Zilien \u2013 d\u00fcnne gemeinschaftlich schlagende Gei\u00dfelhaare, die Wasser aufwirbeln und so N\u00e4hrstoffe und Sauerstoff anschwemmen. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Der Roboter, den die Wissenschaftler nun entwickelt haben, \u00e4hnelt echten Flimmerh\u00e4rchen sehr. Der einzige Unterschied ist die Gr\u00f6\u00dfe: Jedes Replikat einer Zilie ist knapp einen Millimeter lang. Das ist hundertmal gr\u00f6sser als ein nat\u00fcrliches Flimmerh\u00e4rchen, wie es zum Beispiel in einer Lunge vorkommt. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Wissenschaftler bauten die k\u00fcnstlichen Flimmerh\u00e4rchen aus einem Elastomer, einem gummi\u00e4hnlichen Kunststoff, in den sie magnetisch geladene Partikel in einem ganz bestimmten Muster einbetteten. So wird jedes H\u00e4rchen programmierbar: Die Forscher k\u00f6nnen nicht nur die Bewegung jedes einzelnen Flimmerh\u00e4rchens fernsteuern, sondern auch die koordinierte Bewegung aller Flimmerh\u00e4rchen im Zusammenspiel mit ihren Nachbarn. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/p>\n\n\n\n

Abbildung 1: Inspiriert von nat\u00fcrlichen Flimmerh\u00e4rchen (links), pumpen die k\u00fcnstlichen Flimmerh\u00e4rchen (rechts) \u2013 dank ihrer optimal koordinierten Bewegung \u2013 sehr effizient verschiedene Fl\u00fcssigkeiten und Partikel entlang. Bildnachweis: Abteilung f\u00fcr Physische Intelligenz (MPI-IS).<\/span><\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Forscher schalteten ein rotierendes externes Magnetfeld an und zeigten, dass ihre k\u00fcnstlichen Flimmerh\u00e4rchen eine wellenf\u00f6rmige Bewegung ausf\u00fchrten, die echten Flimmerh\u00e4rchen sehr \u00e4hnelte (Abbildung 1). Sie verwendeten einen roten Farbstoff und zeigten mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens, wie die H\u00e4rchen eine viskose Fl\u00fcssigkeit (Glyzerin) entlangpumpen und Partikel dank der optimal koordinierten Bewegung der H\u00e4rchen effizient transportieren (Abbildung 2). <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

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Abbildung 2: Die bioinspirierten Zilien pumpen eine viskose Fl\u00fcssigkeit (Glyzerin). Die Bewegung wird durch einen roten Farbstoff sichtbar, der sich langsam nach rechts ausbreitet. Ma\u00dfstabsbalken, 1 mm. Bildnachweis: Abteilung f\u00fcr Physische Intelligenz (MPI-IS).<\/span><\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Forscher zeichneten die peitschenartig schlagende Bewegung der k\u00fcnstlichen Gei\u00dfelhaare mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf, wie in diesem Video<\/a> zu sehen ist. Der Clip zeigt, wie sich die schlanken Strukturen koordiniert bewegen, \u00e4hnlich wie echte Flimmerh\u00e4rchen: Die k\u00fcnstlichen Konstrukte bewegen sich weder synchron noch zuf\u00e4llig hin und her. Vielmehr f\u00fchren sie eine koordinierte wellenartige Bewegung aus, die einer La-Ola-Wanderwelle \u00e4hnelt. Mehrere wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass diese sogenannte metachronale Welle \u2013 Zilien, die einzeln in einem Muster geschlagen \u2013 im Laufe der Evolution perfektioniert wurde: Sie erzeugt einen optimalen Fl\u00fcssigkeitsstrom. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Die Erforschung nat\u00fcrlicher Flimmerh\u00e4rchen und ihres kollektiven Verhaltens ist eine herausfordernde Aufgabe, da echte Zilien oft nur wenige Mikrometer klein sind. Selbst mit einem Mikroskop sind Flimmerh\u00e4rchen nur sehr schwer zu sehen. Zudem ist es unm\u00f6glich, ihre Bewegung zu kontrollieren. Indem sie Zilien k\u00fcnstlich nachbildeten, gelang es den Stuttgarter Wissenschaftlern nun aber, den grundlegenden quantitativen Zusammenhang zwischen der metachronalen Koordination und dem damit ausgel\u00f6sten Fl\u00fcssigkeitsstrom experimentell aufzuzeigen. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

\u201eMit unserem k\u00fcnstlichen System k\u00f6nnen wir die Flimmerh\u00e4rchen-Bewegung \u00e4hnlich wie echte Flimmerh\u00e4rchen in einem gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab nachahmen, wobei immer die gleichen physikalischen Gesetze gelten. Auf diese Weise k\u00f6nnen wir viele verwertbare Daten erzeugen. Wir k\u00f6nnen quantifizieren, welche Bewegungsmuster einen maximalen Fl\u00fcssigkeitsstrom erzeugen\u201c, sagt Xiaoguang Dong. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

In mehreren Experimenten zeigte das Team, dass nur antiplektische metachronale Wellen den Fl\u00fcssigkeitsstrom verbessern k\u00f6nnen. Antiplektisch bedeutet, dass die Wellenausbreitungsrichtung entgegengesetzt zu der des Fl\u00fcssigkeitsstroms ist. \u201eUnsere Beobachtung beweist die kritische Funktion der antiplektischen metachronalen Wellen und enth\u00fcllt die grundlegende quantitative Beziehung zwischen der metachronalen Koordination und dem induzierten Fl\u00fcssigkeitsstrom sowohl in k\u00fcnstlichen als auch in nat\u00fcrlichen Flimmerh\u00e4rchen\u201c, sagt Ziyu Ren. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Das Team ist davon \u00fcberzeugt, dass ihr Forschungsprojekt weitere Forschung inspirieren wird: \u201eUnsere k\u00fcnstlichen Flimmerh\u00e4rchen k\u00f6nnten f\u00fcr die weitere Untersuchung vieler interessanter wissenschaftlicher Fragen genutzt werden, z.B. wie sich die Str\u00f6mungsmuster der Fl\u00fcssigkeit \u00e4ndern, wenn die Dynamik der Flimmerh\u00e4rchen, die Geometrie der R\u00e4nder oder die Art der umgebenden Fl\u00fcssigkeit variiert wird\u201c, sagt Wenqi Hu. <\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

\u201eMein Team, die Abteilung f\u00fcr Physische Intelligenz, l\u00e4sst sich von verschiedenen biologischen Systemen inspirieren. Wir wollen die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien ihrer Fortbewegung, Intelligenz und ihrer Verhaltensweisen erforschen und dann dieses Wissen nutzen, um hochmoderne Miniaturroboter zu entwickeln. Auf diese Weise wollen wir nicht nur die biologischen Systeme besser verstehen: In Zukunft wollen wir unsere Roboter auch als innovative kabellose medizinische Ger\u00e4te einsetzen, um die Medizin voranzubringen und so zum Wohlergehen unserer Gesellschaft beizutragen\u201c, sagt Sitti.<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

About the scientists:<\/b><\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Dr. Xiaoguang Dong is a Postdoctoral Researcher in the Physical Intelligence Department. He received a Ph.D. degree in Mechanical Engineering from Carnegie Mellon University, USA in 2019. His research focus is developing miniature soft robots and devices for answering scientific questions in biomechanics and resolving engineering challenges in biomedical applications.<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Dr. Wenqi Hu comes from South West China. He received his Ph.D. from the University of Hawaii in 2014. He has been working on soft millirobots since he joined the Physical Intelligence Department team in Stuttgart back in 2014.<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Ziyu Ren is a Ph.D. student in the Physical Intelligence Department at the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart. Ziyu received his BSc and MSc degrees in mechanical engineering from Beihang University, China in 2014 and 2017. In his Ph.D. he focuses on developing magnetic soft millirobots.<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Prof. Metin Sitti has been the Director of the Physical Intelligence Department at the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart, Germany since 2014. As his current ancillary academic positions, he is a professor at ETH Zurich, Switzerland, professor at Ko\u00e7 University, Turkey, and an honorary professor at the University of Stuttgart, Germany. He was a professor in the Department of Mechanical Engineering and Robotics Institute at Carnegie Mellon University, Pittsburgh, USA (2002-2014), and a research scientist at the University of California at Berkeley, USA (1999-2002). He received the BSc (1992) and MSc (1994) degrees in electrical and electronics engineering and physics from Bo\u011fazi\u00e7i University, Turkey, and the Ph.D. degree (1999) in electrical engineering from the University of Tokyo, Japan.<\/span><\/span><\/p>\n\n\n\n

Sitti and his team aim to understand the principles of design, locomotion, perception, learning, and control of small-scale mobile robots made of smart and soft materials. The intelligence of such robots mainly comes from their physical design, material, adaptation, and self-organization more than from their computational intelligence. Such physical intelligence methods are essential for small-scale milli- and micro-robots especially due to their inherently limited on-board computation, actuation, powering, perception, and control capabilities. Sitti envisions his novel small-scale robotic systems to be applied in healthcare, bioengineering, manufacturing, or environmental monitoring to name a few.<\/span><\/span><\/p>\n","protected":false},"featured_media":11512,"parent":0,"template":"","meta":{"_acf_changed":false},"cv-tag":[],"location":[],"network-role":[],"news-category":[362],"user-group":[245],"class_list":["post-11178","news","type-news","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","news-category-press-release","user-group-researcher"],"acf":[],"yoast_head":"\nK\u00fcnstliche Flimmerh\u00e4rchen geben Aufschluss dar\u00fcber, welches Bewegungsmuster einen maximalen Fl\u00fcssigkeitsstrom erzeugt - Cyber Valley<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/cyber-valley.de\/de\/news\/kuenstliche-flimmerhaerchen-geben-aufschluss-darueber-welches-bewegungsmuster-einen-maximalen-fluessigkeitsstrom-erzeugt\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"de_DE\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"K\u00fcnstliche Flimmerh\u00e4rchen geben Aufschluss dar\u00fcber, welches Bewegungsmuster einen maximalen Fl\u00fcssigkeitsstrom erzeugt - Cyber Valley\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Intelligente Systeme entwickeln k\u00fcnstliche Flimmerh\u00e4rchen, die so programmiert werden k\u00f6nnen, dass sie sich in Wellen bewegen. 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