{"id":1069,"date":"2020-11-09T22:09:25","date_gmt":"2020-11-09T21:09:25","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=1069"},"modified":"2021-05-26T13:06:43","modified_gmt":"2021-05-26T11:06:43","slug":"wie-wir-selbst-zu-spiderman-werden-koennen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2020\/11\/09\/wie-wir-selbst-zu-spiderman-werden-koennen\/","title":{"rendered":"Wie wir selbst zu Spiderman werden k\u00f6nnen"},"content":{"rendered":"

von Manuel Vollbrecht<\/em><\/p>\n

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Abbildung 1: Einmal wie Spiderman an W\u00e4nden hochlaufen und \u00fcber D\u00e4cher springen \u2013 das w\u00e4r\u2019s doch?1<\/a><\/sup><\/p><\/div>\n

Jeder hat sich vermutlich einmal in seinem Leben vorgestellt, wie das Leben als Superheld mit besonderen F\u00e4higkeiten sein k\u00f6nnte. Nat\u00fcrlich ist jedem bewusst, dass die meisten F\u00e4higkeiten, die einen Superhelden zu einem Superhelden machen, \u00fcbernat\u00fcrlich und (leider) vollkommen der Fantasie von Autoren und Filmemachern entspringen.<\/strong><\/p>\n

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Die meisten F\u00e4higkeiten<\/i>? Einer der bekanntesten Figuren ist wohl Spiderman (\u201eDie Spinne\u201c), der in Comics und Filmen in altbekannter Manier an vermeintlich glatten W\u00e4nden entlangklettert. Bei einem Blick ins Tierreich stellt man schnell fest, dass nicht nur die Spinne, sondern eine Vielzahl an Tieren sich \u00e0 la Spiderman an Fassaden und Decken fortbewegen. Die Superheldenf\u00e4higkeiten des Spiderman sind also weniger \u00fcbernat\u00fcrlich als gedacht und es k\u00f6nnte sich einem die Frage aufdr\u00e4ngen:<\/p>\n

K\u00f6nnten wir \u201enormalen\u201c Menschen in der Zukunft auch an W\u00e4nden und Decken laufen?<\/p>\n

Und wenn nicht, wie m\u00fcsste ein Spiderman-Anzug aussehen, damit die Fiktion nicht l\u00e4nger Fiktion bleibt?<\/p>\n

Die Antworten erhalten wir von K\u00e4fern, Spinnen, Geckos und Co.<\/p>\n

Wieso k\u00f6nnen Geckos eigentlich an den W\u00e4nden laufen?<\/b>
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Verstehen wir zun\u00e4chst den Mechanismus, der es Geckos, Spinnen und K\u00e4fern erlaubt sich entgegen ihres eigenen K\u00f6rpergewichtes an W\u00e4nden zu bewegen. Diese Art der Fortbewegung wird durch die vergleichsweise gro\u00dfe Kontaktfl\u00e4che zwischen den F\u00fc\u00dfen der Tiere und der Wand erm\u00f6glicht. Wie in Abbildung 2 zu sehen, werden unter dem Mikroskop sogenannte Setae (lat. Borsten) an den F\u00fc\u00dfen der Tiere sichtbar, die sich in mehrere noch kleinere H\u00e4rchen \u2013 sogenannte Spatulae \u2013 aufteilen. Je gr\u00f6\u00dfer das Tier, desto kleiner sind die Spatulae und desto mehr Kontaktfl\u00e4che zwischen Tier und Wand wird geschaffen. Die Haftkraft oder auch Adh\u00e4sion<\/b>, die einem Gecko beispielsweise das Krabbeln an der Wand m\u00f6glich macht, wird durch die Interaktion zwischen seinen F\u00fc\u00dfen und der Kontaktoberfl\u00e4che hervorgerufen.<\/p>\n

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Abbildung 2: Vergleich der Setae und Spatulae verschiedener Insekten. \u00a9 David Labonte, Department of Bioengineering, Imperial College London, UK<\/p><\/div>\n

Um dies zu verstehen, brauchen wir noch eine Vorstellung davon, aus was ein Geckofu\u00df und die Wand bestehen. Stellen wir uns vor, dass wir mit einer Lupe den Geckofu\u00df und die Wand vielfach vergr\u00f6\u00dfern. Bei einer ausreichenden Vergr\u00f6\u00dferung k\u00f6nnen wir die Atome<\/b> erkennen, aus denen Fu\u00df und Wand bestehen. Ein Atom ist eine Art Baustein der Materie und ist in unserer Vorstellung eine sehr kleine Kugel mit einer Ansammlung von noch viel kleinerer Kugeln im Kern und willk\u00fcrlich umherfliegenden, ebenfalls noch kleineren Kugeln im Rest des Atoms. Die bewegten Kugeln sind elektrisch negativ geladen und hei\u00dfen Elektronen<\/b>. Abbildung 3 visualisiert unsere Modellvorstellung.<\/p>\n

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Abbildung 3: F\u00fcr den Gecko essentiell, da<\/span>mit er an W\u00e4nden laufen kann: Ausbildung der Van-der-Waals-Kr\u00e4fte (Eigene Darstellung,\u00a0 in Anlehnung an: 3<\/a><\/sup>)<\/p><\/div>\n

Zwei eng beieinanderliegende Atome (1) \u2013 sagen wir eins aus dem Geckofu\u00df und eins aus der Wand \u2013 beeinflussen sich wie zwei Magnete. F\u00fcr einen kurzen Moment befinden sich zum Beispiel in einem Atom mehr Elektronen auf der einen als auf der anderen Seite. Jene Seite mit mehr Elektronen ist f\u00fcr einen kurzen Zeitpunkt negativ geladen und sorgt daf\u00fcr, dass die Elektronen des anderen Atoms sich soweit wie m\u00f6glich von dem tempor\u00e4ren negativen Pol entfernen (2). Dies geschieht gem\u00e4\u00df dem Grundsatz, dass gleiche Pole bzw. Ladungen sich absto\u00dfen. Da die Seite des Atoms mit weniger Elektronen folglich positiv geladener als ihr Gegenst\u00fcck erscheint, sind sowohl eine negativ und eine positiv geladene Atomseite benachbart. Die Atome ziehen sich als Konsequenz wie ein Nord- und S\u00fcdpol zweier Magneten an (3). Diese Anziehungskraft entsteht \u00fcberall dort, wo der Geckofu\u00df der Wand sehr<\/i> nahekommt.<\/p>\n

Mit Abbildung 2 k\u00f6nnen wir nun die Anatomie der Setae und Spatulae in einem Zusammenhang mit der Tiergr\u00f6\u00dfe bringen. Eine gr\u00f6\u00dfere Anzahl an Spataluae erh\u00f6ht die Kontaktfl\u00e4che mit dem Untergrund, wodurch mehr Wechselwirkungen zwischen Geckofu\u00df und Wand hervorgerufen werden. Im Allgemeinen entsteht eine h\u00f6here Haftkraft, die der Gecko braucht, um seinem eigenen Gewicht zu trotzen. Die Haftkraft, die durch die Atomwechselwirkungen entsteht, ist die Summe der vielen Anziehungen zwischen einem Atom des Geckofu\u00dfes und der Wand, welche auch Van-der-Waals-Kr\u00e4fte<\/b> hei\u00dfen.<\/p>\n

Warum wird uns die Evolution auf kurze Sicht entt\u00e4uschen?<\/b><\/p>\n

Wir kennen nun den physikalischen Grund, wieso sich kleine Reptilien, Amphibien und Insekten scheinbar ungehindert ihres eigenen Gewichtes an W\u00e4nden bewegen k\u00f6nnen. Wieso hat Mutter Natur uns Menschen nun nicht mit eben jenen Strukturen aus Abbildung 2 an den F\u00fc\u00dfen ausgestattet?<\/p>\n

Das Problem besteht darin, dass immer weniger K\u00f6rperoberfl\u00e4che im Verh\u00e4ltnis zum K\u00f6rpervolumen zur Verf\u00fcgung steht je gr\u00f6\u00dfer der K\u00f6rper wird. Wie beschrieben, ist jedoch Oberfl\u00e4che bzw. Kontaktfl\u00e4che zwischen K\u00f6rper und Wand essentiell f\u00fcr die Ausbildung der Haftkr\u00e4fte und immer mehr Oberfl\u00e4che ist n\u00f6tig, je gr\u00f6\u00dfer und schwerer der K\u00f6rper ist. Geckos ben\u00f6tigen bereits vergleichsweise 200% mehr von ihrer K\u00f6rperoberfl\u00e4che zum Haften an einer Wand als Milben. Abbildung 4 vergleicht verschiedene Tiergr\u00f6\u00dfen und den prozentualen Oberfl\u00e4chenanteil ihres K\u00f6rpers, der mit Haftstrukturen ausgestattet ist.<\/p>\n

\u00dcbertr\u00e4gt man diesen Gedanken auf einen Menschen, so kommen irrsinnige Zahlen zustande. Damit ein 1,80 m gro\u00dfer und 80 kg schwerer Mensch an der Wand laufen k\u00f6nnte, m\u00fcssten sich 40% bzw. 0,8 m\u00b2 der Haut an den Fu\u00dfsohlen befinden 5<\/a><\/sup>. Dies entspr\u00e4che Schuhgr\u00f6\u00dfe 145 4<\/a><\/sup>. Zum Vergleich: Der gr\u00f6\u00dfte Mensch der Geschichte (2,72 m) hatte eine EU-Schuhgr\u00f6\u00dfe von 76, was in etwa die L\u00e4nge eines Unterarmes inklusive ausgetreckter Hand ist. Mit dieser Schuhgr\u00f6\u00dfe h\u00e4lt er bis dato den Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde 5<\/a><\/sup>.<\/p>\n

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Abbildung 4: Je gr\u00f6\u00dfer das Lebewesen wird, desto h\u00f6her ist der Anteil der ben\u00f6tigten Kontaktfl\u00e4che zur Wand (Foto: D. Labonte) 6<\/a><\/sup><\/p><\/div>\n

Die n\u00f6tigen anatomischen Ver\u00e4nderungen am menschlichen K\u00f6rper w\u00e4ren mittelfristig zu gravierend und die Evolution solch riesiger F\u00fc\u00dfe inklusive Haftstrukturen doch eher hinderlich als praktisch f\u00fcr den Alltag. Kann man sich anders Abhilfe beschaffen?<\/p>\n

Die Antwort der Wissenschaft<\/b><\/p>\n

Forscher haben eine Idee entwickelt, die Haftstrukturen an den F\u00fc\u00dfen von Geckos am Menschen k\u00fcnstlich \u201enachzur\u00fcsten\u201c. Die bionischen Kletterhilfen m\u00fcssen den Setae und Spatulae aus dem Tierreich (Abbildung 2) nicht nur \u00e4hneln, um die erforderliche Kontaktoberfl\u00e4che zum Untergrund zu schaffen, sondern m\u00fcssen ebenfalls eine Reihe weiterer Anforderungen erf\u00fcllen. Zum einen m\u00fcssen sie schmutz- und wasserabweisend sein, damit die Haftung an der Wand garantiert bleibt. Weiterhin m\u00fcssen die Kletterhilfen aus einem ausreichend flexiblen Material gefertigt sein, welches sich den Unebenheiten und der Rauheit von Oberfl\u00e4chen anpasst 7<\/a><\/sup>. Gleichzeitig muss das Material eine hohe Festigkeit aufweisen, um den Belastungen standzuhalten. Und ganz wichtig: Die Kletterhilfen sollten sich leicht vom Untergrund l\u00f6sen lassen. Trotzdem muss jedoch bei kleinen Verschiebungen eine Haftung bestehen bleiben, sodass eine Abl\u00f6sung im falschen Moment verhindert wird.<\/p>\n

Kohlenstoff-Nanor\u00f6hrchen (Abbildung 5) vereinen die beschriebenen Eigenschaften und eignen sich in der Theorie, um die Setae und Spatulae (Abbildung 2) aus dem Tierreich zu ersetzen. Wie der Name bereits aussagt, bestehen Kohlenstoff-Nanor\u00f6hrchen aus Kohlenstoff und bilden wenige Nanometer dicke R\u00f6hrchen. Im Vergleich besitzen sie eine 100-mal h\u00f6here Festigkeit als Stahl bei gerade einmal 1\/6 des Gewichtes 8<\/a><\/sup>.<\/p>\n

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Abbildung 5: Kohlenstoff-Nanor\u00f6hrchen k\u00f6nnten als Ersatz der Fu\u00dfstruktur eines Geckos dienen 9<\/a><\/sup><\/p><\/div>\n

Ob es zuk\u00fcnftig eine Art kommerziellen Spiderman-Anzug geben wird, bleibt abzuwarten. Dass der Ansatz grundlegend erfolgversprechend ist, konnten Forscher des US-Verteidigungsministeriums zeigen. So gelang es einem knapp 100 kg schweren Mann mit Hilfe von Nano-Kletterhilfen an den H\u00e4nden eine 8 Meter hohe glatte Glasfassade empor zu klettern 10<\/a><\/sup>.<\/p>\n

Ebenfalls bleibt abzuwarten, welchen praktischen Nutzen bionische Kletterhilfen haben k\u00f6nnen. Vielleicht beobachten wir in nicht allzu ferner Zukunft Fensterputzer, die sich auch als Hobbyschurkenj\u00e4ger versuchen.<\/p>\n

Interesse am Thema geweckt?<\/b><\/p>\n

Detaillierte Inhalte zum Thema Adh\u00e4sion <\/i>werden an der Universit\u00e4t Bremen im Bereich Mechanische Verfahrenstechnik u.a. in den Vorlesungen Aerosol- und Nanotechnologie sowie Partikeltechnologie gelehrt. Dort geht es dann aber nicht um den Spiderman-Anzug der Zukunft sondern um Aerosole, Nanopartikel, andere Partikelsysteme und technische Prozesse, in denen diese vorkommen.<\/p>\n

Quellen<\/b><\/p>\n

1. https:\/\/tenor.com\/view\/spider-man-marvel-wall-climbing-gif-7348330<\/a>
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

2. Favi, P. et al. (2014), Inspiration from the natural world: From bio-adhesives to bio-inspired adhesives, J. Adh. Sci. Technol., Volume 28, Seiten 290-319
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

3.https:\/\/www.uni-due.de\/~hc0014\/S+WM\/Definitionen\/Vander.htm#:~:text=Nach%20van%20der%20Waals%20benannte,die%20andere%20(unsymmetrische%20Ladungsverteilung)<\/a>.
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

4.https:\/\/www.scinexx.de\/news\/biowissen\/warum-spiderman-von-der-wand-fallen-muesste\/<\/a>
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

5.https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Robert_Wadlow#:~:text=Als%20gr%C3%B6%C3%9Fter%20Mensch%20wurde%20er,was%20der%20Schuhgr%C3%B6%C3%9Fe%2076%20entspricht<\/a>.
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

6.https:\/\/www.spiegel.de\/wissenschaft\/natur\/spiderman-funktioniert-der-gecko-trick-auch-beim-menschen-a-1072782.html#<\/a>
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

7. Pugno, N. M. (2008), Spiderman gloves, Nano Today, Volume 3, Seiten 35-41
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

8.https:\/\/www.fuelcellstore.com\/blog-section\/carbon-nanotubes<\/a>
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

9.https:\/\/www.fuelcellstore.com\/blog-section\/carbon-nanotubes<\/a>
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

10.https:\/\/www.scinexx.de\/news\/technik\/nach-gecko-art-die-fassade-hinauf\/<\/a>
\n\u21a9<\/a><\/p>\n

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von Manuel Vollbrecht Jeder hat sich vermutlich einmal in seinem Leben vorgestellt, wie das Leben als Superheld mit besonderen F\u00e4higkeiten sein k\u00f6nnte. Nat\u00fcrlich ist jedem bewusst, dass die meisten F\u00e4higkeiten, die einen Superhelden zu einem Superhelden machen, \u00fcbernat\u00fcrlich und (leider) vollkommen der Fantasie von Autoren und Filmemachern entspringen.<\/p>\n","protected":false},"author":9714,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_bbp_topic_count":0,"_bbp_reply_count":0,"_bbp_total_topic_count":0,"_bbp_total_reply_count":0,"_bbp_voice_count":0,"_bbp_anonymous_reply_count":0,"_bbp_topic_count_hidden":0,"_bbp_reply_count_hidden":0,"_bbp_forum_subforum_count":0,"footnotes":""},"categories":[569433,569450,512672,117159],"tags":[851413,572110,572114,572108,572098,572112,572116,572118,850783,850906,850362,852088],"class_list":["post-1069","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bildungsprogramme","category-ingenieurswissenschaften","category-schreibwerkstatt","category-technik","tag-adhaesion","tag-aerosole","tag-aerosoltechnologie","tag-bionischen-kletterhilfen","tag-geckos","tag-mechanische-verfahrenstechnik","tag-nanotechnologie","tag-partikeltechnologie","tag-setae","tag-spatulae","tag-spiderman","tag-van-der-waals-kraefte","post-preview"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1069","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/9714"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1069"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1069\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":2065,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1069\/revisions\/2065"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1069"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1069"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1069"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}