Elefantenrüsselhaare äußerst materialintelligent

Stuttgart – Eine neue Studie einer interdisziplinären deutschen Forschungsgruppe unter der Leitung der Abteilung für Haptische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) 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.

Die im Fachjournal Science veröffentlichte Studie mit dem Titel „Functional gradients facilitate tactile sensing in elephant whiskers“ zeigt, 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 einheitlich 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 Sensortechnologie entwickeln, die von den funktionalen Gradienten inspiriert ist, die sie in den Tasthaaren von Elefanten und Katzen entdeckt haben. Ein Video (siehe Link unten) fasst die Motivation für dieses Projekt und seine wichtigsten Ergebnisse zusammen.

Die Forschung wurde von Postdoktorand Dr. Andrew K. Schulz und der Direktorin der Abteilung für Haptische Intelligenz am MPI-IS, Prof. Dr. Katherine J. Kuchenbecker, geleitet. Sie arbeiteten mit Neurowissenschaftler*innen der Humboldt-Universität zu Berlin und Materialwissenschaftler*innen der Universität Stuttgart zusammen.

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, Prof. Dr. 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 Kolleg*innen verwendeten eine Reihe von biologischen, materialwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Verfahren an, um 5 cm lange Haare von Elefanten und Katzen bis auf eine Größe von einem Nanometer – einem Milliardstel Meter – abzubilden und zu charakterisieren.

Das interdisziplinäre Team untersuchte die Tasthaare von Elefantenrüsseln, um zu verstehen, wie sie geformt sind (Geometrie), wie porös (Porosität) und wie weich (Materialsteifigkeit) 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 die Forscher die 3D-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. Diese Entdeckung war spannend, und stellte das Team zunächst vor ein Rätsel, da die Forschenden sich nicht sicher waren, wie sich eine Veränderung der Steifigkeit entlang eines Tasthaares auf die Berührungswahrnehmung auswirken würde.

Um herauszufinden, warum das so ist, arbeitete Schulz mit Kolleg*innen am MPI-IS 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. Schulz ließ den Stab nach einem Treffen bei seiner Mentorin und wenige Tage später ... Heureka! 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 untersuchen konnten, 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.

 „Das ist ziemlich erstaunlich! 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. Spannenderweise weisen auch die Schnurrhaare von Hauskatzen denselben Steifigkeitsgradienten auf.

Diese Entdeckung begeistert Schulz und Kuchenbecker. Ihr Ziel ist es, 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.

Dr. Lena V. Kaufmann, Mitautorin der Studie und Neurowissenschaftlerin an der Humboldt-Universität zu Berlin, ist begeistert von der Verbindung zur Neurowissenschaft: „Unsere Ergebnisse tragen zu unserem Verständnis der taktilen Wahrnehmung dieser faszinierenden Tiere bei und eröffnen spannende Möglichkeiten, die Beziehung zwischen den Materialeigenschaften der Tasthaare und der neuronalen Informationsverarbeitung im Gehirn der Tiere weiter zu untersuchen.“

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.“

Publikation:
“Functional gradients facilitate tactile sensing in elephant whiskers”

Andrew K. Schulz, Lena V. Kaufmann, Lawrence T. Smith, Deepti S. Philip, Hilda David, Jelena Lazovic, Michael Brecht, Gunther Richter, Katherine J. Kuchenbecker

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8981