Beteiligtes Bernstein Mitglied: Michael Brecht

Auf den Punkt gebracht

• Tastsinn trotz dicker Elefantenhaut: Forschende haben entdeckt, dass die Rüsselhaare von Elefanten für ihren außergewöhnlichen Tastsinn verantwortlich sind. Diese Haare zeigen eine besondere Materialintelligenz.
• Besondere Materialeigenschaften: Die Tasthaare der Elefanten besitzen eine steife Basis und eine weiche Spitze, was es ihnen ermöglicht, Objekte präzise zu ertasten und zu erkennen, wo Berührungen stattfinden. Diese Eigenschaften ähneln den Schnurrhaaren von Katzen und unterscheiden sich von den gänzlich steifen Tasthaaren von Ratten und Mäusen
• Interdisziplinäre Zusammenarbeit: Das Forschungsteam der Abteilung für Haptische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intellitente Systeme wurde ergänzt durch Forschende der Neuro- und Materialwissenschaften
• Anwendungen in der Robotik: Die Erkenntnisse sollen in der Entwicklung von robotergestützten Sensortechnologien genutzt werden, die den Steifigkeitsgradienten der Elefantentasthaaren nachahmen.

Eine neue Studie einer interdisziplinären deutschen Forschungsgruppe unter der Leitung der Abteilung für Haptische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme hat das Geheimnis der sanften Geschicklichkeit von Elefantenrüsseln gelüftet. Die rund 1.000 Tasthaare, die den Rüssel bedecken, weisen ungewöhnliche Materialeigenschaften auf. Dank dieser Tasthaare spürt der Elefant genau, wo eine Berührung erfolgt. Sie verleihen dem Tier einen erstaunlichen Tastsinn, der seine dicke Haut sowie sein schlechtes Sehvermögen kompensiert.

Variable Steifigkeit eines Tasthaares

In der Studie zeigen die Forschenden um den Postdoktoranden Andrew K. Schulz und die Direktorin Katherine J. Kuchenbecker gemeinsam mit Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern der Humboldt-Universität zu Berlin sowie Forschenden der Materialwissenschaft der Universität Stuttgart, dass die Rüsselhaare von Elefanten wie auch die Schnurrhaare von Hauskatzen eine steife Basis aufweisen, und dann in eine weiche, gummiartige Spitze übergehen – ganz anders also als die steifen Tasthaare von Ratten und Mäusen. Dieser als funktioneller Gradient bezeichnete Übergang von steif zu weich ermöglicht es Elefanten und Katzen, Objekte mühelos zu ertasten. Der Steifigkeitsverlauf verhindert das Brechen der Tasthaare und sorgt für eine einzigartige Kontaktkodierung entlang der gesamten Länge des Haares. Die Forschenden glauben, dass dieser ungewöhnliche Steifigkeitsverlauf Elefanten dabei hilft, genau zu spüren, wo entlang ihrer 1000 Rüsselhaare Kontakt stattfindet. Nur so ist es den Tieren möglich, einen Tortilla-Chip aufzunehmen, ohne ihn zu zerbrechen, oder eine winzig kleine Erdnuss zu schnappen. Basierend auf diesen Erkenntnissen möchte das Forschungsteam neue robotergestützte Sensortechnik entwickeln, die von den funktionalen Gradienten inspiriert ist, die sie in den Tasthaaren von Elefanten und Katzen entdeckt haben.

Schulz, Hauptautor der Studie und Alexander-von-Humboldt-Postdoktorand, berichtet über den Beginn des Projekts: „Ich kam als Experte für Elefantenbiomechanik nach Deutschland, um mehr über Robotik und Sensorik zu lernen. Meine Mentorin, Frau Kuchenbecker, ist Expertin für Haptik und taktile Robotik, daher war es für uns naheliegend, gemeinsam an der Berührungssensorik von Elefantentasthaaren zu forschen.“  Schulz und seine Kolleginnen und Kollegen verwendeten eine Reihe von biologischen, materialwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Verfahren an, um 5 Zentimeter lange Haare von Elefanten und Katzen bis auf eine Größe von einem Nanometer – einem Milliardstel Meter – abzubilden und zu charakterisieren.

Analyse der natürlichen Eigenschaften

Das interdisziplinäre Team untersuchte die Tasthaare von Elefantenrüsseln, um zu verstehen, wie sie geformt sind, wie porös und wie weich sie sind. Sie gingen zunächst davon aus, dass Rüsselhaare den spitz zulaufenden Tasthaaren von Mäusen und Ratten ähneln. Deren Querschnitt ist kreisförmig, die Haare sind durchgehend fest und weisen eine annähernd gleichmäßige Steifigkeit auf. Mithilfe von Mikrocomputertomographie konnten das Team die dreidimensionale Form mehrerer Rüsselhaare vermessen und feststellen, dass Elefantentasthaare dick und klingenförmig sind, einen abgeflachten Querschnitt sowie eine hohle Basis und mehrere lange innere Kanäle aufweisen, die der Struktur von Schafshörnern oder Pferdehufen ähneln. Diese poröse Architektur reduziert das Gewicht der Haare und sorgt für Stoßfestigkeit, sodass Elefanten täglich Hunderte Kilogramm Futter zu sich nehmen können, ohne dass die Tasthaare beschädigt werden oder ausfallen – sie wachsen nämlich nicht nach.

Eine Nanohärteprüfung sowohl der Elefanten- als auch der Katzenhaare wurde mit einem Diamantwürfel so klein wie eine einzelne Zelle durchgeführt, der zyklisch in die Haaraußenseite gedrückt wurde. Die Härtemessung am Ansatz und der Spitze der Elefanten- und Katzenhaare zeigte einen Übergang von einer steifen, kunststoffartigen Basis zu einer weichen, gummiartigen Spitze, die nicht dauerhaft eingedrückt werden konnte – eine Eigenschaft, die als Elastizität bekannt ist. Das Team verglich die Tasthaare auf dem Rüssel auch mit den Körperhaaren der Elefanten.

„Die Haare auf dem Kopf, dem Körper und dem Schwanz asiatischer Elefanten sind von der Basis bis zur Spitze steif, was wir erwartet hatten, als wir den überraschenden Steifigkeitsgradienten der Tasthaare am Rüssel von Elefanten feststellten“, sagt Schulz. Eine Herausforderung für die Forschenden war zu erklären, wie sich eine Veränderung der Steifigkeit entlang eines Tasthaares auf die Berührungswahrnehmung auswirken würde.

Ein Elefantenhaar-Imitat aus dem 3D-Drucker

Um herauszufinden, warum das so ist, arbeitete Schulz mit Kolleginnen und Kollegen am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme zusammen. Mit einem 3D-Drucker druckten sie ein vergrößertes Tasthaar mit einer steifen, dunklen Basis sowie einer weichen, transparenten Spitze. Der Prototyp eines „whisker wand“ (Tasthaar-Zauberstab) half den Forschenden, ein Gefühl dafür zu entwickeln, was ein Elefant mit seinen Tasthaaren wahrnimmt. Kuchenbecker trug den Stab in ihrer Hand, als sie durch die Flure des Instituts ging, und klopfte sanft gegen die Säulen und Geländer. „Ich bemerkte, dass sich das Klopfen mit verschiedenen Teilen des Tasthaarstabs unterschiedlich anfühlte – weich und sanft an der Spitze und hart und stark an der Basis. Ich musste nicht hinsehen, um zu wissen, wo der Kontakt stattfand; ich konnte es einfach fühlen”, berichtet Kuchenbecker.

Um ihre Hypothese anhand des 3D-gedruckten Haares zu überprüfen, entwickelten die Forschenden ein computergestütztes Modellierungstoolkit, mit dem sie untersuchten, wie sich die von ihnen gemessenen einzigartigen Geometrie-, Porositäts- und Steifigkeitsgradienten auf die Reaktion des Tasthaars bei Kontakt auswirken. Simulationen zeigten, dass der Übergang von einer steifen Basis zu einer weichen Spitze es tatsächlich einfacher macht, zu spüren, wo etwas das Haar berührt, sodass der Elefant angemessen reagieren und selbst empfindliche Gegenstände wie Tortilla-Chips vorsichtig greifen kann.

„Der Steifigkeitsgradient liefert eine Karte, anhand derer Elefanten erkennen können, wo entlang jedes Tasthaares ein Kontakt stattfindet. Diese Eigenschaft hilft ihnen zu erkennen, wie nah oder wie weit ihr Rüssel von einem Objekt entfernt ist. All das ist in der Geometrie, Porosität und Steifigkeit des Haares enthalten. Ingenieure bezeichnen dieses natürliche Phänomen als verkörperte Intelligenz“, sagt Schulz. Auch die Schnurrhaare von Hauskatzen weisen denselben Steifigkeitsgradienten auf.

Transfer aus der Natur in die Robotik

Das gemeinsame Ziel von Schulz und Kuchenbecker ist es nun, Erkenntnisse aus der Natur auf Anwendungen in der Robotik und auf intelligente Systeme zu übertragen. „Bioinspirierte Sensoren mit künstlichen, den Rüsselhaaren ähnlichen Steifigkeitsgradienten könnten allein durch intelligentes Materialdesign präzise Informationen mit geringem Rechenaufwand liefern“, so Schulz. „Unsere Ergebnisse tragen zu unserem Verständnis der taktilen Wahrnehmung dieser faszinierenden Tiere bei und eröffnen Möglichkeiten, die Beziehung zwischen den Materialeigenschaften der Tasthaare und der neuronalen Informationsverarbeitung im Gehirn der Tiere weiter zu untersuchen“, sagt Lena V. Kaufmann, Mitautorin der Studie und Neurowissenschaftlerin an der Humboldt-Universität zu Berlin.

Kuchenbecker blickt auf das gesamte Projekt zurück: „Ich bin sehr stolz auf das, was wir durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit herausgefunden haben. Andrew hat ein großartiges Team aus Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Neurowissenschaftlern aus fünf verschiedenen Forschungsgruppen zusammengestellt und uns auf eine spannende dreijährige Reise mitgenommen, um die Geheimnisse des sanften Tastsinns der Elefanten zu entschlüsseln.“