Unterstützt durch Beiträge von insgesamt fast 7 Millionen Franken werden Professoren und Studierende über einen Zeitraum von fünf Jahren neue Materialien erforschen, die zum Beispiel die klebrige und beständige Seide der Köcherfliege, die anpassungsfähige Haut von Seegurken und eine Substanz, die zelluläres Verhalten regelt, nachahmen.

Die amerikanische National Science Foundation (NSF) unterstützt im Rahmen des Programms “Partnerschaften für internationale Forschung und Bildung” (Partnerships for International Research and Education, PIRE) mit 5,5 Millionen Dollar die Forschungs- und Ausbildungsaktivitäten an den Universitäten Case Western Reserve und Chicago. Die entsprechenden Aktivitäten in Freiburg werden mit einem Beitrag von 1,5 Millionen Franken durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützt. Mit der am 19. September erteilten Zusprache beteiligt sich der SNF erstmals als Partneragentur finanziell an einem PIRE-Projekt.
Insgesamt werden zwölf Professoreninnen und Professoren aus Cleveland, zwei aus Chicago und sechs des Adolphe Merkle Instituts sowie 15 Doktoranden (zehn in den USA, fünf in der Schweiz) zum neuen PIRE-Programm beitragen. Ein wichtiges Element der amerikanisch-schweizerischen Zusammenarbeit ist der Austausch von Studierenden auf allen Ebenen. Zusätzlich zu den Doktoranden, die einen Teil ihrer Forschung im jeweiligen Partnerland durchführen werden, wird das Programm den Austausch von Bachelorstudierenden durch Praktika in Cleveland und Freiburg erweitern.

Die Schätze der Natur
Materialien, die in diesem Projekt entwickelt werden, sollen in einem wurmähnlichen Roboter getestet werden. Solche autonome Maschinen könnten sich eines Tages durch die Erde oder Trümmer graben und für Such- und Rettungsmissionen nützlich sein, durch Wasser-, Öl- oder Gasleitungen kriechen, um diese zu inspizieren, oder in miniaturisierter Form in Blutgefässen Ablagerungen entfernen.
Das Schweizer Forschungsteam wird von Christoph Weder geleitet, Professor für Polymerchemie und Materialien und Direktor des Adolphe Merkle Instituts sowie Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Bioinspirierte Materialien. Weder, ein ehemaliger Professor der Case Western Reserve University, sagt: “Die geplanten Forschungsaktivitäten kombinieren die wissenschaftlichen Kompetenzen der amerikanischen und Schweizer Forschungsgruppen wunderbar. Die Austauschprogramme bieten den Studierenden einzigartige Ausbildungsmöglichkeiten.” Laut Weder ergänzen und integrieren sich die Ausbildungsaktivitäten dieses PIRE-Programms mit den Austauschprogrammen und anderen Ausbildungsaktivitäten des NFS Bioinspirierte Materialien, welches ebenfalls an der Universität Freiburg angesiedelt ist. Alle am PIRE beteiligten AMI-Forscher sind Mitglieder dieses NFS.

Die PIRE-Forschung konzentriert sich auf fünf Bereiche:

• LaShanda Korley, Professor für Makromolekulare Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Case Western Reserve University, Stuart Rowan, Professor für Molekulare Ingenieurwissenschaften und Chemie an der University of Chicago, Nico Bruns, AMI-Professor für Makromolekulare Chemie und Ulrich Steiner, AMI-Professor für die Physik Weicher Materie werden gemeinsam neue Nanoverbundswerkstoffe entwickeln.
  Eines dieser Materialien basiert auf dem Vorbild von Spinnseide, welche gewichtsnormiert stärker ist als Stahl. Ein anderes Material orientiert sich an der Köcherfliegenseide, einem effizienten und langlebigen Klebstoff, den Larven der Köcherfliege verwenden, um unter Wasser Netze und Schutzräume zu bauen.

• Jeffrey Capadona, Professor für Biomedizinische Technik an der Case Western Reserve University, Rowan und Weder leiten die Entwicklung neuer Materialien, die von der Seegurke, dem Tintenfischschnabel und Tannenzapfen inspiriert wurden. Diese Materialien können ihre mechanischen Eigenschaften verändern und würden es dem Roboter ermöglichen, sich an verschiedene Umgebungen und Aufgaben anzupassen.
  Die Haut der Seegurke ist normalerweise weich und verformbar, kann aber – als Abwehrmechanismus gegen Jäger – bei Bedarf versteift werden. Die Spitze des Tintenfischschnabels ist messerscharf und kann damit Muskelgewebe und Knochen von Beutetieren durchtrennen, während der Übergang des Schnabels zum Weichgewebe etwa hundert Mal weicher ist. Ein Tannenzapfen öffnet sich in trockener Luft und schliesst bei Feuchtigkeit.
   
• Gary Wnek, Professor für Makromolekulare Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Case Western Reserve University und Michael Mayer, AMI-Professor für Biophysik, werden versuchen, künstliche Neuronen zu entwickeln, die dazu dienen könnten, den geplanten Roboter zu steuern. Zusammen mit ihren Mitarbeitenden werden sie die Verwendung von Polyelektrolytfasern und -gelen untersuchen, die elektrische Signale übermitteln können.
   
• Jon Pokorski, Assistenz-Professor für Makromolekulare Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Case Western Reserve University, sowie Alke Fink und Barbara Rothen-Rutishauser, AMI-Professoren für Bio-Nanomaterialien, leiten die Entwicklung von mechanisch anpassbaren funktionellen Fasern. Ihr Teilprojekt zielt darauf ab, die Fähigkeit der extrazellulären Matrix nachzuahmen, eine adaptive strukturelle und biochemische Unterstützung für Zellen bereitzustellen, so dass sich umgebende Zellen differenzieren oder fortbewegen können. Solche Materialien könnten für Anwendungen im Bereich der Wundheilung nützlich sein.
   
• Roger Quinn, Professor für Maschinen- und Raumfahrttechnik und Hillel Chiel, Professor für Biologie, beide an der Case Western Reserve University, leiten die Robotikaktivitäten und werden neue Materialkonzepte und Materialien in wurmartigen Robotern anwenden.