Ein Team von Forscher:innen der Nanyang Technological University im Stadtstaat Singapur und der Universität Waseda im japanischen Tokio hat einen flexiblen Taucheranzug für Cyborg-Insekten entwickelt. Diese Technologie ermöglicht es Madagaskar-Fauchschaben, bis zu drei Stunden unter Wasser oder in sauerstoffarmen Umgebungen zu überleben und sich dort gesteuert fortzubewegen. Wie in einer im britischen Wissenschaftsmagazin Nature Communications veröffentlichten Studie zu lesen ist, zielt die Entwicklung auf den Einsatz in Katastrophengebieten ab.

In solchen Szenarien blockieren oft überflutete Trümmer, tiefe Pfützen oder teilweise unter Wasser stehende, enge Hohlräume den Zugang für herkömmliche Rettungsroboter. Cyborg-Insekten, also lebende Tiere mit aufgepflanzten elektronischen Controllern zur Bewegungssteuerung, bieten hier einen entscheidenden Vorteil, weil sie ihre eigenen Muskeln zur Fortbewegung nutzen. Sie benötigen dadurch weitaus weniger Strom als rein künstliche Miniaturroboter, deren Antriebsmotoren integrierte Akkus meist nach kurzer Zeit vollständig entleeren.

Chemischer Sauerstofftank statt schwerer Elektronik

Das Hauptproblem bisheriger Cyborg-Insekten ist ihre absolute Abhängigkeit vom natürlichen Atmungssystem, das unter Wasser schlicht nicht funktioniert. Schaben atmen über winzige Öffnungen an Brust und Hinterleib, die sogenannten Stigmen, welche den Sauerstoffaustausch mit der Luft sicherstellen. Sobald die Tiere untertauchen, können sie keinen Sauerstoff mehr aus dem Wasser aufnehmen und ersticken innerhalb weniger Minuten.

Um diese Hürde zu überwinden, konstruierten die Wissenschaftler:innen ein kompaktes, in sich geschlossenes System, das Sauerstoff durch eine kontrollierte chemische Reaktion erzeugt. Der Taucheranzug besteht aus einem 3D-gedruckten Sauerstoffgenerator, einer wasserdichten Hülle und flexiblen Silikonschläuchen, die das Gas direkt zu den Stigmen leiten. Auf den Einsatz von zusätzlichen elektronischen Bauteilen für die Sauerstoffproduktion wurde bewusst verzichtet, um das Gewicht gering zu halten und die ohnehin kleinen Akkus der Steuereinheit nicht zu belasten.

Erfolgreiche Tests im simulierten Katastrophengebiet

Im Inneren des aus transparentem Kunststoff gedruckten Tanks befindet sich ein Schwamm, der mit Mangandioxid als Katalysator beschichtet ist. Durch die Zugabe einer geringen Menge an verdünntem Wasserstoffperoxid wird eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, bei der sich das Peroxid langsam zersetzt und dabei Sauerstoff sowie eine geringe Menge Wasser freisetzt. Wie EurekAlert in einer begleitenden Meldung berichtet, schützt die weiche Hülle die Insekten dabei zuverlässig vor dem Eindringen der umgebenden Flüssigkeit. Der leitende Forscher Hirotaka Sato ordnet diese Neuerung so ein, dass der Insekten-Taucheranzug prinzipiell exakt wie die Sauerstoffflasche menschlicher Taucher funktioniere und eine direkte Versorgung sicherstelle.

Um die Leistungsfähigkeit in der Praxis zu demonstrieren, schickte das Forschungsteam die präparierten Schaben durch einen 1,7 Meter langen Testtunnel, der verschiedene Gefahrenzonen simulierte. Zunächst mussten die Tiere einen mit Kohlendioxid gefüllten Abschnitt durchqueren, auf den unmittelbar eine komplett mit Wasser geflutete Röhre folgte. Kakerlaken ohne den Anzug verloren im Gasgemisch sofort die Orientierung und erstickten im Wasserabschnitt innerhalb weniger Sekunden. Die mit dem Sauerstoffgenerator ausgestatteten Cyborg-Insekten meisterten hingegen beide Sektoren mit einem gleichmäßigen Gang.

Reale Grenzen beim Einsatz im nassen Element

Trotz dieser offensichtlichen technischen Errungenschaften zeigen die Versuche unter Wasser auch deutliche physische Einschränkungen auf, die bei einem realen Einsatz zwingend berücksichtigt werden müssen. Unter Wasser verringert sich die Vorwärtsgeschwindigkeit der präparierten Schaben im Vergleich zur Fortbewegung an Land um rund zehn Prozent. Deutlich gravierender fallen die Einbußen bei Richtungswechseln aus, da die Tiere hier durch die neuen technischen Aufbauten bis zu 51 Prozent langsamer auf Steuerbefehle reagieren und abbiegen.

Diese Verlangsamung ist primär auf den erhöhten Wasserwiderstand und die zusätzliche Masse des Taucheranzugs zurückzuführen. Zudem zwingt der natürliche Auftrieb die Insekten dazu, sich mit ihren winzigen Krallen permanent am Untergrund festzuklammern, um nicht die Balance zu verlieren oder durch Strömungen weggespült zu werden. Der mechanische Kraftaufwand für dieses kontinuierliche Festhalten trägt maßgeblich zur physiologischen Ermüdung der Tiere bei und verringert ihre Agilität im nassen Element über die Einsatzdauer spürbar.

Ein weiterer kritischer Punkt in der Praxis ist die unumstößliche zeitliche Limitierung des Systems, da die chemische Reaktion nach spätestens drei Stunden vollständig erschöpft ist. Ist das eingefüllte Wasserstoffperoxid aufgebraucht, bricht die Sauerstoffversorgung für die Schabe unweigerlich ab. Für langwierige Suchaktionen in weitläufigen, unübersichtlichen Trümmerlandschaften oder ausgedehnten Kanalisationsnetzen muss diese absolute zeitliche Begrenzung in die Planung einfließen, um einen Totalausfall der tierischen Helfer zu verhindern.

In künftigen Entwicklungsschritten soll das System mit zusätzlichen Sensoren und Miniaturkameras ausgestattet werden, um tatsächliche Aufklärungsdaten aus Katastrophengebieten liefern zu können. Zudem wird an strukturellen Anpassungen für andere landlebende Insektenarten gearbeitet, die über ein vergleichbares Atmungssystem verfügen. Bis Cyborg-Kakerlaken jedoch routinemäßig bei massiven Überschwemmungen nach Überlebenden suchen, müssen noch handfeste technische Hürden bei der räumlichen Navigation und der Zuverlässigkeit der drahtlosen Datenübertragung aus dem Wasser heraus genommen werden.