Wie ein afrikanischer Vogel als Inspiration für eine bessere Wasserflasche dienen kann
Extreme Nahaufnahme der Federn eines Vogels mit der unheimlichen Fähigkeit, Wasser zu halten, während er fliegt, könnte die nächste Generation von saugfähigen Materialien hervorbringen
Mit hochauflösenden Mikroskopen und 3D-Technologie haben Forscher der Johns Hopkins University und des Massachusetts Institute of Technology einen noch nie dagewesenen Blick auf die Federn des in der Wüste lebenden Sandhuhns geworfen, der die einzigartige Architektur ihrer Federn zeigt und zum ersten Mal offenbart, wie sie so viel Wasser speichern können.
Ein stark vergrößerter Querschnitt durch die Federstacheln eines Sandhuhns.
Johns Hopkins University
"Es ist äußerst faszinierend zu sehen, wie die Natur es geschafft hat, Strukturen zu schaffen, die so perfekt funktionieren, um Wasser aufzunehmen und zu speichern", sagte Koautor Jochen Müller, ein Assistenzprofessor am Johns Hopkins Department of Civil and Systems Engineering, der sich auf intelligente Materialien und Design spezialisiert hat. "Wir glauben, dass die Ergebnisse aus technischer Sicht zu neuen bio-inspirierten Kreationen führen könnten".
Die Arbeit wurde in der Zeitschrift The Royal Society Interface veröffentlicht.
Sandflughühner in afrikanischen Wüsten nisten in der Regel etwa 20 Meilen von Wasserstellen entfernt, um vor Raubtieren sicher zu sein. Um die durstigen Küken mit Wasser zu versorgen, vollbringen die erwachsenen Männchen eine der besten Leistungen der Natur: Sie sammeln Wasser und fliegen damit nach Hause. Diese Leistung ist umso außergewöhnlicher, wenn man bedenkt, dass das Sandflughuhn etwa 15 % seines Körpergewichts in Wasser hält und den größten Teil davon während des etwa halbstündigen Heimflugs sicher aufbewahrt.
Die männlichen Sandflughühner sind die einzigen Vögel, von denen bekannt ist, dass sie Wasser auf diese Weise halten können - ihre speziell angepassten Bauchfedern sind der Schlüssel dazu.
Andere Forscher dokumentierten diese außergewöhnlichen Bauchfedern erstmals vor mehr als 50 Jahren. Aber erst jetzt, mit moderner Technologie, kann das Team endlich zeigen, wie die Federn funktionieren.
Mueller und die MIT-Ingenieurin Lorna J. Gibson haben die Mikrostruktur der Bauchfedern mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie, der Mikrocomputertomografie, der Lichtmikroskopie und der 3D-Videografie unter die Lupe genommen und die Schäfte, die jeweils nur einen Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares haben, und die noch winzigeren einzelnen Widerhaken genau betrachtet.
Das Team vergrößerte die Federn stark und betrachtete sie sowohl trocken als auch nass. Dann wurden die trockenen Federn in einem ebenso heiklen wie entscheidenden Schritt in der Vergrößerung in Wasser getaucht, herausgezogen und wieder untergetaucht - wie ein Sandhuhn an einer Wasserstelle.
"Bei dieser Art von Arbeit darf man nicht einmal atmen, sonst wird es weggeblasen", sagte Mueller.
Mueller beschrieb die Struktur der einzelnen Federn als "großartig", mit Komponenten, die auf verschiedene Weise optimiert sind, um Wasser zu halten und zurückzuhalten, einschließlich der Art und Weise, wie sie sich biegen, wie die Barteln bei Nässe schützende, zeltartige Gruppen bilden und wie röhrenförmige Strukturen innerhalb jeder Bartel Wasser auffangen.
Einzelne Federn hielten das Wasser durch einen Wald von Widerhaken in der Nähe des Schafts, die mit den gewellten Widerhaken in der Nähe der Spitze zusammenwirkten und fast wie Kappen wirkten.
"Das ist es, was uns so begeistert hat, diese Detailgenauigkeit zu sehen", sagte Mueller. "Das ist es, was wir verstehen müssen, um diese Prinzipien für die Entwicklung neuer Materialien nutzen zu können".
Das Team hat auch die Wasseraufnahme der Federn rechnerisch modelliert.
Mueller und Gibson gehen davon aus, dass ihre Ergebnisse die Grundlage für künftige technische Konstruktionen bilden werden, die eine kontrollierte Absorption, einen sicheren Halt und eine einfache Abgabe von Flüssigkeiten erfordern.
Mögliche Anwendungen sind die Konstruktion von Netzen zum Auffangen und Zurückhalten von Wasser aus Nebel und Tau in Wüstenregionen sowie eine Wasserflasche, die lästiges Schwingen und Schwappen verhindern soll.
Für die Wasserflasche oder den Sportrucksack denkt er über ein Design nach, das viel Flüssigkeit sicher auffängt, aber ein federähnliches Innensystem enthält, das verhindert, dass das Wasser herumschwappt, während man sich damit bewegt. Er ist der Meinung, dass ein Trinkrucksack oder eine Trinkblase, die dies ermöglicht, besonders von Läufern geschätzt werden würde.
Er kann sich auch vorstellen, dass medizinische Tupfer der nächsten Generation einfacher zu benutzen sind: "Sie können Flüssigkeit effizient aufsaugen, aber es ist viel einfacher, sie wieder abzugeben", sagt er und fügt hinzu, dass die Abgabefunktion ein Problem bei der Entnahme von COVID-19-Nasentests während der Pandemie war.
Als nächstes plant das Team, ähnliche Strukturen in 3D zu drucken und kommerzielle Anwendungen zu verfolgen.
Die in dieser Arbeit verwendeten Bauchfedern stammen von einem einzelnen erwachsenen Namaqua-Sandflughuhn(Pterocles namaqua) aus der Sammlung des Harvard University Museum of Comparative Zoology. Die Arbeit wurde auch durch ein Stipendium der National Science Foundation (DMR-1922321) unterstützt.
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