Die Frage hat diejenigen fasziniert, die an der Entwicklung neuer Materialien interessiert sind, die biologische Materialien nachahmen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Der scharfe Schnabel des Humboldt-Tintenfisches ist eines der härtesten und steifsten bekannten organischen Materialien. Ingenieure, Biologen und Meereswissenschaftler der University of California, Santa Barbara, haben sich zusammengetan, um herauszufinden, wie der weiche, gallertartige Tintenfisch seinen messerähnlichen Schnabel bedienen kann, ohne sich selbst zu zerreißen.
Die University of California, Santa Barbara, ist ein Mekka für diese Art von interdisziplinären Studien und zieht Wissenschaftler und Ingenieure aus der ganzen Welt an, um sich mit Fragen auseinanderzusetzen, die ein breites Spektrum an wissenschaftlichen und technischen Disziplinen umfassen.
Der Schlüssel zum Tintenfischschnabel liegt in den Abstufungen der Steifigkeit. Die Spitze ist extrem steif, während die Basis 100-mal nachgiebiger ist, so dass sie mit dem umgebenden Gewebe verschmelzen kann. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die Basis des Schnabels nass ist. Nach dem Austrocknen wird die Basis ähnlich steif wie die bereits ausgetrocknete Schnabelspitze.
Humboldt-Tintenfische, oder Dosidicus gigas, sind etwa einen Meter breit und können einen Fisch mit einer schnellen Bewegung verletzen. In dem Artikel heißt es, … „
„Tintenfische können aggressiv, launisch oder plötzlich gemein sein, und sie sind immer hungrig“, sagte Herb Waite, Mitautor und Professor für Biologie an der UC Santa Barbara. „Man möchte nicht in der Nähe von ihnen tauchen. Ein Dutzend von ihnen könnte Sie auffressen oder Ihnen große Schmerzen zufügen.“ Die Kreaturen sind sehr schnell und schwimmen mit einem Düsenantrieb.
Neben dem Menschen ist der Pottwal der Hauptfeind des Tintenfisches, und diese Tiere zeigen häufig die Narben des Kampfes, mit von den scharfen Saugnäpfen des Tintenfisches beschädigter Haut. Waite merkte an, dass Tintenfischmuskel in lokal hergestellten Sandwiches erhältlich ist, die oft als „Calamari-Steak-Sandwiches“ bezeichnet werden.
Waite findet den Tintenfischschnabel überzeugend, und er interessierte den Postdoktoranden und Erstautor Ali Miserez für die Teilnahme an der Studie. Miserez gehört zum Department of Materials der UCSB, zum Department of Molecular, Cellular, and Developmental Biology (MCDB) und zum Marine Science Institute.
„Ich war schon immer skeptisch, ob ‚funktional abgestufte‘ Materialien wirklich von Vorteil sind, aber der Tintenfischschnabel hat mich überzeugt“, sagt Co-Autor Frank Zok, Professor und stellvertretender Vorsitzender des Department of Materials der UC Santa Barbara.
„Hier haben wir ein ‚Schneidewerkzeug‘, das an der Spitze extrem hart und steif ist und an einem Material —- der bukkalen Muskelmasse —- befestigt ist, das die Konsistenz von Wackelpudding hat“, so Zok.
„Sie können sich die Probleme vorstellen, auf die Sie stoßen würden, wenn Sie eine Messerklinge an einem Block Wackelpudding befestigen und versuchen würden, diese Klinge zum Schneiden zu verwenden. Die Klinge würde den Wackelpudding mindestens genauso stark durchschneiden wie das Zielobjekt. Im Falle des Tintenfischschnabels löst die Natur das Problem, indem sie die Beschaffenheit des Schnabels nicht abrupt, sondern allmählich verändert, so dass seine Spitze die Beute durchbohren kann, ohne den Tintenfisch dabei zu verletzen. Das ist ein wirklich faszinierendes Design.“
Zok erklärte, dass die meisten technischen Strukturen aus Kombinationen sehr unterschiedlicher Materialien wie Keramik, Metall und Kunststoff bestehen. Um sie miteinander zu verbinden, ist entweder eine mechanische Befestigung wie Nieten, Schrauben und Muttern oder ein Klebstoff wie Epoxid erforderlich. Aber diese Ansätze haben ihre Grenzen.
„Wenn wir die Eigenschaftsgradienten, die wir im Tintenfischschnabel finden, reproduzieren könnten, würde dies neue Möglichkeiten für die Verbindung von Materialien eröffnen“, erklärte Zok. „Wenn man zum Beispiel einen Klebstoff so abstufen könnte, dass seine Eigenschaften auf der einen Seite dem einen und auf der anderen Seite dem anderen Material entsprechen, könnte man möglicherweise eine viel robustere Verbindung herstellen“, sagte er. „Dies könnte die Art und Weise, wie Ingenieure über die Verbindung von Materialien nachdenken, wirklich revolutionieren.“
Waite zufolge wurde den Forschern durch die Tatsache geholfen, dass Tintenfische anscheinend aus Gebieten, in denen sie traditionell konzentriert sind, nach Norden ziehen, zum Beispiel aus den tiefen Gewässern vor der Küste von Acapulco, Mexiko. In letzter Zeit wurden Humboldt-Tintenfische jedoch in großer Zahl in südkalifornischen Gewässern gefunden. Dutzende von toten Tintenfischen wurden kürzlich an den Stränden der Universität angespült, was den Forschern weitere Schnäbel zur Untersuchung lieferte.
Die beiden anderen Co-Autoren des Science-Artikels sind von der UCSB. Es handelt sich um Todd Schneberk, der mit der Materialforschung und dem MCDB verbunden ist, und Chengjun Sun, der mit dem MCDB und dem Marine Science Institute verbunden ist.