Eine neue Studie des Georgia Institute of Technology legt nahe, dass die Muskeln eines Elefanten nicht die einzige Möglichkeit sind, seinen Rüssel zu strecken – seine gefaltete Haut spielt auch eine wichtige Rolle. Die Kombination aus Muskeln und Haut verleiht dem Tier die Vielseitigkeit, zerbrechliche Vegetation zu greifen und Baumstämme auseinanderzureißen.
Die Forschung in Zusammenarbeit mit dem Zoo Atlanta stellt fest, dass sich die Haut eines Elefanten nicht gleichmäßig dehnt. Die Oberseite des Rüssels ist flexibler als die Unterseite, und die beiden Abschnitte beginnen zu divergieren, wenn ein Elefant mehr als 10 % erreicht. Beim Strecken nach Nahrung oder Gegenständen gleitet der dorsale Teil des Rumpfes weiter nach vorne.
Die Ergebnisse könnten die Robotik verbessern, die heute typischerweise entweder auf große Stärke oder Flexibilität ausgelegt ist. Anders als ein Elefantenrüssel können die Maschinen nicht beides.
Als Beispiel nennen die Autoren der Studie die Soft-Robotik. Ihre flüssigkeitsgefüllten Hohlräume ermöglichen flexible Bewegungen, können aber bei Krafteinwirkung leicht brechen. Die Forscher sagen, dass die Elefantenergebnisse darauf hindeuten, dass das Umhüllen weicher Roboter mit einer hautähnlichen Struktur den Maschinen Schutz und Stärke verleihen und gleichzeitig weiterhin Flexibilität ermöglichen könnte.
Das Papier erscheint im Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) von demselben Georgia Tech-Team, das letzten Sommer eine Studie darüber verfasst hat, wie Elefanten ihre Rumpfmuskeln verwenden, um Nahrung und Wasser einzuatmen.
„Wenn Menschen ihre Zunge ausstrecken – ein muskelgefülltes, knochenloses Gewebe, das in seiner Zusammensetzung dem Rüssel eines Elefanten ähnelt – dehnt sie sich gleichmäßig. Wir haben dasselbe erwartet, als wir einen Elefanten herausgefordert haben, nach Futter zu greifen“, sagte Andrew Schulz, der Hauptautor der Studie ein Ph.D. Student an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering der Georgia Tech. Er und das Team filmten im Zoo Atlanta zwei afrikanische Savannenelefanten, die nach Kleiewürfeln und Äpfeln griffen.
„Aber als wir uns die Aufnahmen unserer Hochgeschwindigkeitskamera ansahen und die Bewegungen des Kofferraums aufzeichneten, waren wir überrascht. Oben und unten waren überhaupt nicht gleich“, sagte Schulz.
Nachdem Schulz das Video gesehen hatte, dehnte er das Gewebe eines sezierten Elefanten, um die Elastizität der Haut besser zu verstehen. Dabei fand er heraus, dass die gefaltete Oberseite der Haut 15 % flexibler ist als die faltige Unterseite. Zu diesem Zeitpunkt wurde dem Team auch klar, dass sie auf dem Video nicht nur Muskelbewegungen sahen. Sie verfolgten auch eine dicke Hautschicht.
„Flexible Hautfalten sind die Innovation des Elefanten“, sagte David Hu, Berater von Schulz und Professor an der Woodruff School und der School of Biological Sciences. „Sie schützen den Rückenbereich und erleichtern es dem Elefanten, nach unten zu greifen, dem häufigsten Greifstil beim Aufheben von Gegenständen.“
Beim Beobachten von Elefanten, die im Zoo Atlanta nach Futter greifen, fanden Forscher heraus, dass die Haut auf der Rückseite des Rüssels des Tieres elastischer ist als auf der Unterseite. Bildnachweis: Georgia Tech/Zoo Atlanta
Die Georgia Tech-Studie fand auch heraus, dass sich ein Elefantenrüssel auf andere Weise von anderen knochenlosen, muskelgefüllten Anhängseln unterscheidet, die in der Natur vorkommen, wie Tintenfisch- und Oktopus-Tentakel. Anstatt sich gleichmäßig auszudehnen, streckt ein Elefant seinen Rüssel teleskopartig wie einen Regenschirm und verlängert sich allmählich in Wellen.
Ein Elefant streckt zuerst den Abschnitt, der die Spitze seines Rüssels enthält, dann den angrenzenden Abschnitt und so weiter, und arbeitet sich allmählich zurück zu seinem Körper. Schulz sagt, die fortschreitende Bewegung in Richtung der Basis sei beabsichtigt.
„Elefanten sind wie Menschen: Sie sind faul“, sagte er. „Der Abschnitt am Ende des Rüssels hat 1 Liter Muskelmasse. Der Abschnitt, der seinem Maul am nächsten ist, hat 11–15 Liter Muskelmasse. Ein Elefant streckt zuerst das Ende seines Rüssels, dann den angrenzenden Abschnitt, weil das einfacher ist zu bewegen. Wenn ein Elefant nicht sehr hart arbeiten muss, um etwas zu erreichen, wird er es nicht tun.
Schulz sagte, dass er sich auf eine Zeichnung von 1908 verlassen musste, als er etwas über die Rumpfanatomie lernte, weil Wissenschaftler und Ingenieure im letzten Jahrhundert nicht viel über die Biomechanik von Elefanten geforscht haben. Ein Teil seiner Neugier auf Elefanten beruht darauf, ihnen zu helfen; Er glaubt, dass ein besseres Verständnis der Tiere zu besseren Schutzbemühungen führen wird. Als Maschinenbauingenieur sieht Schulz auch die Anwendungsmöglichkeiten der Robotik.
„Weiche Roboter, die mit biologisch inspiriertem Design geschaffen wurden, basieren immer auf Muskelbewegungen. Wenn sie mit einer schützenden Haut umhüllt wären, wie der mit Muskeln gefüllte Rüssel eines Elefanten, könnten die Maschinen größere Kräfte aufbringen“, sagte er. „Letztes Jahr haben wir gelernt, dass ein Rumpf ein vielseitiger, muskulöser Hydrostat ist. Jetzt wissen wir, dass die Haut ein weiteres Werkzeug ist, das ihm zur Verfügung steht.“
Hautfalten und -falten ermöglichen eine asymmetrische Dehnung im Elefantenrüssel, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2122563119.