Eingebaute Intelligenz

Bei Werkstoffen gehe es vielmehr darum, sie mit immer mehr Funktionen anzureichern, sodass sie „in einer komplexen sensorischen Landkarte agieren und sich entscheiden können.“ Auf molekularem Niveau sind das chemische und biochemische Reaktionsnetzwerke, die im Prinzip biologischen Zellen nachempfunden sind. Das Ziel der Forscher ist es, daraus Materialien „mit zunehmend komplexem, emergentem und lebensähnlichem Verhalten“ auszustatten, erläutert Walther.

Materialien sollen selbst entscheiden

Wie das gehen soll, hat Wolfram Pernice gemeinsam mit Kollegen, unter anderem von der Universität Münster, in einem Vierstufenplan dargelegt. Der Ingenieur vom Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg präzisiert außerdem die Rolle von Intelligenz in solchen Materialien. „Es gibt sehr unterschiedliche Definitionen, was Intelligenz sein könnte“, erklärt Pernice. „Für intelligente Materialien verstehen wir darunter Systeme, die über reine Reaktionsmuster hinausgehen, die adaptieren, lernen, sich erinnern – und in einem bestimmten Rahmen auch entscheiden können.“

Im Prinzip geht es um eine Hierarchie zunehmender Komplexität: statisch, reaktiv, adaptiv, intelligent. Auf der untersten Stufe stehen Materialien, die sind, wie sie sind – statisch, allein bestimmt durch ihre Materie. „Die können zwar anspruchsvoll sein, etwa sogenannte Metamaterialien“, betont Pernice. „Aber sobald sie hergestellt sind, können sie ihre Funktionen nicht mehr verändern.“

Eine Stufe darüber stehen reaktive Systeme. Auf bestimmte Signale hin, die von Sensoren registriert werden, antworten sie nach einem vorbestimmten Muster. Bleiben die Signale aus, kehrt das Material wieder in seinen Ausgangszustand zurück. So kann ein Kiefernzapfen auf Feuchtigkeit reagieren, indem er anschwillt, seine Schuppen öffnet und unter günstigen Wachstumsbedingungen seine Samen auswirft.

Solche Systeme haben die Fähigkeit, sich reversibel zwischen mindestens zwei Zuständen hin- und herzubewegen – etwa Flüssigkeiten, die mal blau oder rot, mal dünn- oder zähflüssig sind. „Wenn wir stark trainieren, baut unser Körper Muskeln auf“, erklärt der Mainzer Polymerchemiker Walther. Doch die Bewegung sei dabei immer die gleiche. Da ist ein Speicher im Gewebe, der das metabolische Wachstum registriere. „Wird ein Muskel lange nicht beansprucht, dann vergisst er wieder, dass er sich aufgebaut hat und wird metabolisch wieder abgebaut.“

Allerdings: Um künstliche Muskelfunktionen in synthetische Materialien einzubauen, genügt es nicht, nur zwischen zwei Zuständen hin- und herschalten zu können. Denn biologische Materialien seien auf eine vollkommen andere Weise intelligent, erklärt Walther: Sie adaptieren sich in vielen Schritten, bis sie einen Zustand erreichen, der ihrer neuen Umgebung gerecht wird. Auch Knochen oder Skelettmuskeln wachsen nur, wenn sie ausreichend stark belastet werden.

Hydrogele als Modellsystem

Für Materialforscher macht das die sogenannten Hydrogele interessant: weiche Kunststoffe, die durch hochvernetzte Polymere gebildet werden. Sie können Wasser aufnehmen und schwellen dadurch an. „Hydrogele sind Modellsysteme, die sich gut mit chemischer Intelligenz und anderen ungewöhnlichen Funktionen anreichern lassen“, sagt Walther. „Sie wollen sich gern umordnen und sind sozusagen immer lernbereit.“

Das macht Hydrogele zu Kandidaten für künstliche Aktuatoren, auch wenn sie eigentlich etwas zu weich dafür sind. Versuche, sie zäher und stärker zu machen, gingen bislang meist auf Kosten ihrer Dehnbarkeit. Doch 2019 präsentierte Jian Ping Gong von der Hokkaido-Universität in Sapporo eine Lösung für dieses Problem. Der Clou lag in zwei miteinander gemischten Hydrogel-Netzwerken, die zwar voneinander getrennt sind, sich aber gegenseitig durchdringen und verbinden. Eine äußere Kraft bricht nur eines der beiden Polymernetze, während das andere stabil bleibt. „Mithilfe kleiner Zusatzmoleküle verbinden sich die Bruchstücke wieder und bauen ein neues und dichteres Netzwerkmaterial auf – der Stoff heilt und verstärkt sich“, berichteten die Forscher.

2021 baute der Materialforscher Stephen L. Craig von der US-amerikanischen Duke University in so ein doppeltes Hydrogelnetz ganze Knäuel zusätzlicher Molekülketten ein. Wird das Gebilde von außen gestreckt, entfalten sich die Extramoleküle. Damit wurden die Stoffe zugleich fester und dehnbarer – ein Novum. „Das rückt immerhin näher an die Idee künstlicher Muskeln“, kommentiert Andreas Walther. „Solche komplexen Hydrogele öffnen damit den Weg zu neuen Anwendungen.“

Eine Haut für Brücken und Schiffe

Zum Beispiel in einer künstlichen Sensorhaut: Eine solche präsentierten US-Forscher der Rice University im texanischen Houston im Sommer 2022. Das dreilagige Gebilde lässt sich auf Gebäude, Brücken, Flugzeuge oder Schiffe aufsprühen. Über die Fluoreszenz eingebetteter mikroskopischer Nanoröhrchen werden damit mechanische Spannungen in den Objekten aufspürbar, lange bevor unsichtbare Risse ihre Sicherheit bedrohen. Wie der Chemiker und Projektleiter Bruce Weisman berichtet, sind Spannungsmessungen ein typischer Bestandteil von Sicherheitsüberprüfungen.

Üblicherweise setzen Ingenieure dafür Dehnungsmessstreifen ein, die aufgeklebt werden, oder sie fotografieren angebrachte Markierungen in den Oberflächen. In der neuartigen Sensorschicht hingegen steckt eine nur wenige Mikrometer dünne Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Reversibles, sensorgesteuertes Verhalten zeigt sich auch in Schwärmen – etwa von Fischen, Vögeln oder Insektenkolonien. „Tierschwärme fallen in der Regel wieder in den Urzustand zurück“, sagt Wolfram Pernice „Sie können zwar immer wieder neu lernen, doch es gibt keine Möglichkeit, das Erlernte längerfristig zu behalten.“ Das ändere sich erst dann, wenn es einen Kreislauf gibt, „mit dem eine Struktur bemerkt, dass sie sich ändern muss“.

Eine Ähnlichkeit zum Leben

Das geschieht auf dem nächsten, dritten Level der Komplexität. Adaptive Materialien heißen so, weil sie lernen können. „Da geht es um ein Gedächtnis“, erläutert der Heidelberger Forscher. Dazu sollen Stoffe führen, die interne Rückkopplungen verarbeiten können. „Das ändert nicht nur die Eigenschaften, sondern reguliert sie je nach unterschiedlichen Umgebungen und Signalen.“ Neben Sensoren und Aktuatoren verlangt das nach einem neuen Element: einem Netzwerk, das die Rückkopplung verarbeiten kann. „Und das bringt uns bereits in die Nähe lebensähnlicher Materialien, also von synthetischen Materialien, die durch biologische und lebende Materie inspiriert sind.“

Die vierte und höchste Ebene der Komplexität will Pernice ihm Rahmen eines Forschungsverbundes mit intelligenter Materie erreichen. „Diese kann mit ihrer Umgebung wechselwirken“, erklärt er. „Sie lernt von allem, was sie aufnimmt, und steuert dann die eigene Reaktion.“ Es sind vier Zutaten, die das ermöglichen sollen:

Eine technische Lösung, die sich an dieses biologische Vorbild anlehnt, sehen die Forscher in neuromorphen – also nervenähnlichen – Netzwerken. Sogenanntes neuromorphes Rechnen könnte daher eine wichtige Funktion intelligenter Materialien sein.

„Lebende Organismen lassen sich als unkonventionelle Computersysteme betrachten“, sagt Pernice. Die in klassischen Rechnern übliche Trennung von Speicher und Prozessor lässt sich aufheben, wenn man auf eine sogenannte In-memory-Computerarchitektur zurückgreift. „Der Speicher ist dann selbst schon das Ergebnis der Rechnung“, erklärt Pernice, „wie im Nervengewebe, wo der Speicher die Stärke der synaptischen Verbindungen darstellt.“

Eine sensible Kunsthaut

Für Wolfgang Pernice und sein Team wäre künstliche Haut ein Prototyp eines intelligenten Materialsystems. „Da steckt eigentlich alles drin“, sagt der Forscher: „Auch eine künstliche Haut soll über ihre Sensoren registrieren, was in der Umwelt passiert – Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Gesundheit – und sie reagiert darauf.“ Wenn es nass wird, schließen sich die Poren, und die Kunsthaut wird wasserabweisend. Sie benötigt eine Art von Gedächtnis, damit sie sich auch über längere Zeit erinnert, was einmal vorgegangen ist. In einem intelligenten Material lässt sich das implementieren, indem etwa die Durchlässigkeit für UV-Licht variiert wird.

Eine solche Kunsthaut besteht aus einen Schwarm von Einzelelementen, die zusammen ein Kontinuum bilden. Sie soll sich auch selbst heilen. Die Idee: „Wenn man da ein Stück wegschneidet, funktioniert der Rest weiter oder wächst nach und kann sich selbst heilen“, sagt Pernice. Das sei ähnlich wie beim Axolotl. Der mexikanische Schwanzlurch verfügt über die außergewöhnliche Fähigkeit, Gliedmaßen, Organe und sogar Teile seines Gehirns oder Herzens nachwachsen zu lassen.

„Ob das unsere synthetische Haut auch einmal alles leisten wird, können wir noch nicht sagen“, gesteht Pernice. Doch technische Teillösungen gibt es schon. Die heilbaren „Wunden“ können dabei von Mikrometern bis zu Zentimetern Größe reichen, etwa an Autos, Filtern oder Schutzkleidung. Bei winzigen Schäden dauern selbsttätige Reparaturen nur Sekunden, bei größeren bis zu mehreren Tagen. Die Basis technischer Lösungen ist chemischer Art, berichtet Pernice. Da gehe es um Polymere, die sich nach einer Beschädigung wieder regenerieren, oder um Gele, die man zerschneiden könne, und die sich danach wieder selbst zusammenfügen. Das eröffnet etliche Anwendungen für den Alltag – etwa einen Autolack, der Kratzer eigenständig repariert und Risse wieder schließt.

Eine besonders wichtige Anwendung für intelligente Materialien sieht der Mainzer Werkstoffwissenschaftler Andreas Walther in der Medizintechnik: bei der Herstellung von Ersatzorganen. „Wir denken da nicht an harte Implantate, sondern an Gewebekulturen für künstliche Organe“, erläutert der Forscher. „Als Organersatz lassen sie sich nur dann in den Körper einbauen, wenn ihre Stützstrukturen reaktiv und adaptiv sind.“ Bislang werden künstliche Organe auf Strukturgerüsten herangezogen, die sich, wenn sie nicht mehr benötigt werden, einfach auflösen. „Doch für Ersatzorgane im menschlichen Körper wird das nicht ausreichen“, ist Andreas Walther überzeugt.

Das gelte auch für Prothesen, die sehr komplexen Belastungen ausgesetzt sind. „Prothesen nutzen sich mit der Zeit ab“, berichtet der Forscher. Außerdem variieren die Belastungen, und ständig treten punktuell andere Kräfte auf. „Da wäre es ein großer Vorteil, wenn man eine Prothese hätte, die dynamisch auf neue Situationen reagieren kann.“ Intelligente Knieprothesen wären daher eine vielversprechende Anwendung, ebenso Prothesen zur Unterstützung der Wirbelsäule. „Sie sollten sich dem Träger über lange Zeit immer wieder flexibel anpassen“, sagt Walther.

Die Vision von der Nanomedizin

Eine besonders spektakuläre Vision für Intelligente Materie ist die Vorstellung, Medikamente im Körper zu verteilen und unmittelbar am Krankheitsherd abzugeben – variabel und stets an die aktuellen Erfordernisse angepasst. Dieses Versprechen einer chemotherapeutischen Nanomedizin verlockt Ärzte und Patienten bereits seit Jahrzehnten. Nanoteilchen – Bruchteile von einem Mikrometer kleinen Kügelchen – könnten künftig einmal Tumorzellen direkt angreifen. Sie würden, so die Hoffnung vieler Forscher, bisherige Chemotherapien ersetzen und deren toxische Wirkung drastisch reduzieren. Würde diese Vision einmal Wirklichkeit, könnte sie das Leben von Patienten verlängern und den Nutzen solcher Therapien über längere Zeiträume ausdehnen.

Allerdings: Bislang haben sich diese Hoffnungen erst zum Teil erfüllt. Mediziner konzentrieren sich überwiegend auf sogenannte Liposome. Das sind winzige, kaum einen Zehntel Millimeter messende Bläschen. Sie sind umgeben von einer Membranhülle aus einer Doppelschicht von Molekülen und enthalten eine kleine Menge an Flüssigkeit. Seit diese Gebilde 1964 am Babraham Institute im britischen Cambridge entdeckt wurden, geistert die Idee durch die Labore, Liposome mit Arzneimitteln zu befüllen, um damit Krankheiten im Körper gezielter zu therapieren.

Biologische Barrieren überwinden

Wie die US-Wissenschaftlerin Jessica Winter von der Ohio State University in Columbus berichtet, zeigte bislang keine der offiziellen Studien mit Liposomen-Therapie einen Überlebensvorteil der Patienten gegenüber einer direkten Behandlung mit den gleichen Medikamenten. Das liegt daran, meint die Bioingenieurin, „dass die Nanopartikel zuerst eine Reihe biologischer Barrieren überwinden müssten, um an ihr Ziel zu gelangen.“ Um den Wirkstoffen das Eindringen in die Tumorzellen zu erleichtern, hätten Forscher die Nanopartikel zwar laufend funktional zu optimieren versucht – in ihrer Zusammensetzung, Oberflächenchemie, Form oder Größe –, Doch die Komplexität und Verschiedenartigkeit, mit der sich Tumorzellen die Arzneistoffe einverleiben, bereite weiterhin Schwierigkeiten.

„Die biologischen Barrieren zu überwinden, ist wichtig“, bestätigt Chemiker Andreas Walther. „Aber immerhin gelingt es bereits, Wirkstoffe in Tumoren freizusetzen und anzureichern.“ Bislang bewege sich diese Forschung abgesehen von wenigen Ausnahmen noch im Stadium von Tierstudien. „Doch es gibt erste vielversprechende klinische Studien am Menschen.“

Neue Chancen für die Krebstherapie

Neben Liposomen nutzen die Mediziner als Transportvehikel auch Polymer-Partikel und anorganische Stoffe wie Gold, Silizium oder Kohlenstoff. Alle Verfahren zeigen Vor- und Nachteile, jeder Typ von Nanopartikeln wirkt zudem auf eine ganz eigene Weise. Wie intelligente Materialien da helfen können, muss sich erst noch zeigen. Wissenschaftler wie Walther sehen dafür gute Aussichten. „Wir wollen die Kommunikation zwischen Nanopartikeln und lebenden Tumorzellen hinbekommen“, erklärt er. Derzeit tauschen die Transportvehikel mit den Zielzellen keine Informationen aus. Vielmehr wanderten sie lediglich mit etwas Glück zu ihrem Zielgewebe. Dort wird alles mit dem Wirkstoff geflutet und man hofft, dass das einen therapeutischen Erfolg bringt.

Um gezielter vorgehen zu können, entwickeln die Forscher verschiedener Fachgebiete intelligente Nanokapseln, die anpassungsfähig sind und mit lebenden Zellen kommunizieren können. Über spezielle Sensoren sollen die Kapseln Signale der Tumorzellen registrieren und bedarfsgerecht reagieren. Der Tumor selbst würde daraufhin die Porosität etwa der Liposome vergrößern, sodass sich mehr Wirkstoff ausschütten lässt. „Damit hätten wir atmende Wirkstoffcontainer, die auf maligne Veränderungen im Tumor laufend mit der optimalen Dosis antworten können.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…