Das Material, das denkt – ohne Gehirn

Stahl biegt sich, Gummi dehnt sich, Materialien reagieren auf Kräfte immer gleich. Bis jetzt. Forschende der Universität Amsterdam haben ein Metamaterial entwickelt, das lernt, vergisst und sich flexibel anpasst, ganz ohne zentrales Gehirn und ohne Programmcode. Die Studie wurde in «Nature Physics» publiziert und markiert einen Paradigmenwechsel in der Werkstoffkunde.

Das Material besteht aus einer Kette identischer Gelenke, verbunden durch ein elastisches Gerüst. Ein integrierter Mikrocontroller misst die aktuelle Position, speichert vergangene Zustände und tauscht Informationen mit benachbarten Elementen aus. Das Gesamtverhalten entsteht aus dem Zusammenspiel vieler einfacher Einheiten. Genauso wie bei einfachen Organismen, die ohne komplexes Gehirn auf ihre Umgebung reagieren.

Lernen durch Wiederholung
Einzelne Gelenke werden in definierte Positionen gebracht, die übrigen Elemente schrittweise in eine Zielstruktur bewegt. In mehreren Durchläufen, im Experiment «Epochen» genannt, passen die Mikrocontroller Drehmomente an. Steifigkeit und Wechselwirkungen innerhalb der Struktur verändern sich. Die «Information» ist nicht in Software ausgelagert, sondern direkt in der physikalischen Struktur gespeichert. Erstautor Yao Du bringt es auf den Punkt: «Sobald das System zu lernen beginnt, scheinen die Möglichkeiten, wohin es sich entwickeln kann, nahezu grenzenlos zu sein.»

Drei Fähigkeiten in einem
Das System beherrscht drei Eigenschaften, die bisher biologischen Systemen vorbehalten waren. Es lernt neue Reaktionsmuster auf definierte Eingaben. Es speichert mehrere Zustände gleichzeitig und wechselt zwischen diesen Zuständen je nach Input. Frühere Arbeiten des Labors hatten bereits gezeigt, dass sich solche Strukturen ohne zentrale Steuerung fortbewegen können. Neu ist die Anpassungsfähigkeit, denn das Material wählt seine Bewegungsform je nach Umweltreiz.

Einsatzfelder und nächste Schritte
Das Forschungsteam sieht das grösste Potenzial in adaptiven Bauteilen, die sich an wechselnde Lasten anpassen, in der Softrobotik ohne zentrale Steuerung, sowie in Systemen für unstrukturierte Umgebungen wie der Exploration. Ab August 2026 wird die Forschung in Amsterdam in Zusammenarbeit mit der Gruppe «Learning Machines» ausgebaut. Die niederländische Forschungsagenda NWA widmet lernfähigen Materialien 2026 einen eigenen Schwerpunkt. Neben technischen Fragen wird dann auch der Fokus auf Kontrolle und sicheren Einsatz gestellt.

Grenze zwischen Material und Maschine verschwimmt
Statt passiver Werkstoffe entstehen adaptive Systeme, deren Eigenschaften sich aktiv verändern. Künftig sollen zeitabhängiges Verhalten und der Umgang mit unsicheren Bedingungen integriert werden, sogenannte stochastische Szenarien. Das erhöht die Robustheit und macht die Technologie für reale Einsatzumgebungen tauglich. Intelligenz entsteht nicht durch zentrale Steuerung, sondern aus dem Zusammenspiel vieler einfacher Elemente.