Verbindungstechnik: Die Unmöglichkeit von Spiderman

Untersuchungen haben gezeigt, warum Geckos die größten Tiere sind, die von Natur aus an  glatten, vertikalen Wänden emporsteigen können. Noch größere Kletterer bräuchten unpraktisch große Fußauflagen. Die Wissenschaftler schätzen, dass ein Mensch eine adhäsive Auflagefläche benötigen würde, die 40 Prozent seiner Körperoberfläche ausmacht, will er wie Spiderman die Wände hochlaufen. Sie gehen davon aus, dass diese Erkenntnisse auch die Machbarkeit von Klebverbindungen nach dem Vorbild des Geckos betreffen.

Wenn Menschen an glatten Wänden hochsteigen wollten, benötigten sie riesige, haftende Füße und Schuhe in Größe 145. Eine neue Studie, die in PNAS veröffentlicht wurde, zeigt, dass bei kletternden Tieren, ob Milben oder Geckos, der prozentuale Anteil der Körperoberfläche, der adhesiv wirkt, mit der Körpergröße anwächst und damit diese Fortbewegungsstrategie limitiert, weil große Tiere unwahrscheinlich große Füße haben müssten. Dr. David Labonte und seine Kollegen am Department of Zoology der Universität Cambridge haben herausgefunden, dass winzige Milben rund 200-mal weniger ihrer Körperoberfläche für die haftenden Auflagen nutzen als Geckos, die größten Vertreter der adhäsiven  Kletterer. Menschen müssten 40 Prozent ihrer Körperoberfläche für die Haftung hergeben oder 80 Prozent der Körperfront. Wenn ein Tier so groß ist, dass es einen substanziellen Teil der Körperoberfläche haftenden Fußauflagen widmen müsste, würden die notwendigen morphologischen Änderungen die Vorteile dieses Merkmals zunichte machen.

„Wenn die Abmessungen der Tiere zunehmen, nimmt der Körperoberfläche im Verhältnis zum Volumen ab – eine Ameise hat eine ausgedehnte Körperoberfläche bei sehr geringem Volumen und eine Elefant hauptsächlich Volumen mit nicht sehr viel Oberfläche“ erklärt David Labonte.

„Das stellt größere kletternde Tiere vor ein Problem. Wenn sie umfangreicher und schwerer sind, benötigen sie mehr Kraft für die Haftung, aber ihnen steht vergleichsweise weniger Körperoberfläche für die klebende Fußauflage  zur Verfügung. Daraus ergibt sich eine maximale Größe für kletternde Tiere mit haftenden Füßen – und die liegt etwa bei den Maßen eines Geckos.“

Die Forscher haben Gewicht und Auflagefläche der Füße von 225 kletternden Tieren verglichen, darunter Insekten, Frösche, Spinnen, Eidechsen und sogar ein Säugetier. Der Gewichtsunterschied zwischen den Arten lasse sich mit jenem zwischen einer Schabe und Big Ben vergleichen, wie Labonte weiter ausführt.  „Obwohl wir enorm unterschiedliche Tiere untersucht haben – ein Spinne und ein Gecko haben etwa sowenig gemeinsam wie ein Mensch und eine Ameise – sind ihre Haftfüße bemerkenswert ähnlich.“ Adhäsive Auflagen, so Labonte, seien bei kletternden Tieren ein herausragendes Beispiel für die konvergente Evolution, wo unterschiedliche Arten unabhängig voneinander dieselben Lösungen für ein Problem entwickelt hätten.

Doch es gäbe einen Ausweg aus dem Problem der Größe: die klebrigen Füße noch klebriger zu machen.  Dazu passt die Beobachtung, dass bei manchen Arten unter eng verwandten Tieren die Auflagefläche nicht im erforderlichen Maß mit der Körpergröße mitwächst, diese aber dennoch die Fähigkeit haben, an Wänden zu haften. Diese Strategie verfolgen zum Beispiel Baumfrösche.

Die Forscher betonen, dass diese Erkenntnisse tiefgreifende Folgen für die Entwicklung bio-inspirierter Klebstoffe in großen Maßstab zeitigen könnten, die derzeit nur auf sehr kleinen Flächen funktionierten. Viel müsse noch getan werden, sagt Labonte, um die Strategien der Tiere zu verstehen, ihre Füße klebriger zu machen. Das würde wohl sehr sinnvolle Anwendungen in der Entwicklung von großflächig einsetzbaren,  stark bindenden, aber gut steuerbaren Adhäsiven eröffnen.

 

Referenz:

Labonte, D et al "Extreme positive allometry of animal adhesive pads and the size limits of adhesion-based climbing." PNAS 18 January 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.1101/033845

 

Bild: Vallgatan 21D, Göteburg, Schweden (Foto: Gudbjörn Valgeirsson, Fussabdrücke von Cedric Bousquet, University of Cambridge

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