ESSAY

Thomas Speck



Bionik

Der Begriff Bionik (im englischsprachigen Raum bionics oder biomimetics) setzt sich aus der ersten Silbe des Wortes "Biologie" und der zweiten Silbe des Wortes "Technik" zusammen, wodurch schon eine grundsätzliche Definition der Forschungsrichtung gegeben ist. Geprägt wurde der Begriff "bionics" 1958 von J.E. Steele, wobei für ihn das "Lernen der Technik von der Natur" im Vordergrund stand. Heute werden dem Vorschlag W. Nachtigalls folgend – zumindest im deutschsprachigen Raum – die komplementären Forschungsansätze der Technischen Biologie und der Bionik unterschieden. Die Technische Biologie beschäftigt sich mit der Erforschung des Form-Struktur-Funktions-Zusammenhangs lebender Organismen unter der Verwendung physikalischer und technischer Methoden, d. h., hier findet ein (Methoden-)Transfer von der Technik in die biologische Forschung statt. In der Bionik hingegen wird versucht, Verfahren, Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien der Natur in technische Anwendungen umzusetzen; hier findet in umgekehrter Richtung ein (Erkenntnis-)Transfer von der Biologie in die Technik statt. Es muß hierbei betont werden, daß in der Bionik keine identischen Kopien von der Natur zur Technik möglich sind, sondern daß es sich um ein häufig über mehrere Abstraktions- und Modifikationsprozesse laufendes kreatives Umsetzen in die Technik handelt, d. h. um ein eigenständiges Weitergestalten, welches eher ein durch die Natur angeregtes "Neuerfinden" darstellt als eine "Blaupause" der Natur. Der ursprünglich anstelle von "Technischer Biologie" verwendete Begriff der Biotechnik ist heute eindeutig mit mikro- und molekularbiologischen sowie biochemischen Inhalten belegt (Biotechnologie) und sollte, um Begriffsverwirrungen zu vermeiden, nur noch in diesem Sinne verwendet werden.

Historisches zu Bionik und Technischer Biologie

Menschliche "Erfindungen" wurden vermutlich von Anfang an von der Natur angeregt, da Menschen ihre Erfahrungen aus ihrer belebten und unbelebten Umwelt beziehen. Vom Beginn des ersten Werkzeuggebrauchs durch frühe Vertreter der Gattung Homo (Homo rudolfensis, Homo habilis; Altsteinzeit, Paläanthropologie) vor über 2 Millionen Jahren bis zum Einsetzen der technischen Evolution vor ca. 10 000 Jahren lebten die Menschen in starker Abhängigkeit von ihrer Umwelt. Man könnte diesen Zeitraum als eine Phase der "Low-Tech-Bionik" bezeichnen. Während dieser Phase nutzten die Menschen wenig veränderte und prozeßtechnisch kaum bearbeitete natürliche Materialien und Strukturen in fast allen Bereichen ihres Lebens (Abschlaggeräte, Faustkeil, Geröllgeräte). Mit den verbesserten Bearbeitungs- und Produktionsmethoden, die den Beginn des technischen Zeitalters charakterisieren, kam es zu einer immer stärkeren Abkoppelung technischer Entwicklungen von der Natur. Aufgrund einfacher Produktions-, Bau- und später auch Berechnungsmöglichkeiten begannen gerade Linien und rechte Winkel die in der Natur vorherrschenden abgerundeten, gebogenen Strukturen abzulösen. Statt der in der Natur weit verbreiteten flexiblen und weichen Gebilde schufen Technik und Architektur steife und starre Konstruktionen. Die Erfindung des Rades entkoppelte technische Fortbewegungs- und Transportmethoden von der Natur, in der rotierende Radstrukturen extrem selten sind und nur bei Bakteriengeißeln vorkommen. Leicht bearbeitbare Metalle, die in natürlichen Konstrukten fast nicht vorkommen, wurden zu den wichtigsten technischen Materialien. Die Kenntnis der Metallverarbeitung war ihrerseits ein Schlüssel für die Entwicklung unserer in typischer Weise bei hohen Temperaturen arbeitenden Verbrennungsmotoren, während die hocheffizienten Energiegewinnungsprozesse der Natur bei normaler Umgebungstemperatur ablaufen. Diese an wenigen Beispielen verdeutlichte, fortschreitende Separierung von technischer und natürlicher Umwelt hat zu großen ökologischen Problemen geführt, da der Mensch trotz aller Fortschritte in eine globale Umwelt eingebunden ist. Die in neuerer Zeit begonnene, eine zunehmende Breitenwirkung erzielende bionische Forschung kann als "High-Tech-Bionik" bezeichnet werden, in der nach quantitativer Analyse biologischer Strukturen und Vorgänge eine abstrahierende Umsetzung in die technische Anwendung versucht wird. Es muß betont werden, daß auch die moderne "High-Tech-Bionik" kein Allheilmittel für ökologische Probleme darstellen kann und soll, aber zumindest an einigen Stellen diskussionswürdige Alternativen zu bieten vermag.

Als historischer Begründer von Technischer Biologie und Bionik wird häufig Leonardo da Vinci (1452–1519) bezeichnet. Er hat z. B. die Formveränderung von Vogelflügeln (Handschwingen beim Abschlag gespreizt, beim Aufschlag sich überdeckend zusammengelegt; Vogelfeder) funktionell analysiert. Basierend auf diesen Beobachtungen versuchte er, Schlagflügel für den menschlichen Flug zu konstruieren, die jedoch aufgrund biophysikalischer Randbedingungen (die Masse eines Menschen ist in Bezug auf seine Muskelleistung viel zu groß) nicht funktionieren konnten. Erst eine Entkopplung der Doppelfunktion der Vogelflügel, die Auftrieb und Vortrieb erzeugen (Flugmechanik), in starre, dem Auftrieb dienende Tragflächen und einen den Vortrieb erzeugenden Motor brachte Anfang dieses Jahrhunderts den Durchbruch bei technischen Fluggeräten. Die vielfältigen, sich über Jahrhunderte hinziehenden erfolglosen Versuche, den Vogelflug zu kopieren, belegen eindrucksvoll die Grenzen einer direkten Kopie von der Natur in die Technik. G.A. Borelli (1608–1679) hat die technisch-experimentelle Analyse der Fortbewegungsvorgänge von Tieren begründet, während Sir G. Cayley (1773–1857) bionische Methoden bei der Konstruktion selbststabiler Flugmodelle und Fallschirme verwendete. Ihm diente die Federflugfrucht des Wiesen-Bocksbarts (Tragopogon pratensis) als Vorlage zur Konstruktion eines selbststabilen Fallschirms mit tiefliegendem Schwerpunkt und nach außen hochgezogener Tragfläche. Auch Galileo Galilei (1564–1642), der als Begründer der neueren Naturwissenschaften gilt, hat sich mit dem mechanischen Aufbau von Pflanzen im Vergleich zu technischen Konstruktionen beschäftigt, z. B. mit der aufgrund des Eigengewichts erreichbaren Maximalhöhe von Bäumen und Bauwerken. Außerdem hat er den Getreidehalm und den Schaft der Vogelfeder als Beispiele für seine Idee, eine erhöhte Biegesteifigkeit durch periphere Materialanordnung zu erzielen, gewählt. Zu Beginn dieses Jahrhunderts war es im deutschsprachigen Raum vor allem R.H. Francé (1874–1943), der den Gedanken des "von der Natur lernen" in einer Vielzahl populärwissenschaftlicher Schriften einer breiten Öffentlichkeit bekannt machte, wobei er – wie manch anderer seiner Zeitgenossen – neben der Aufzählung vielfältiger biologischer Analogien (z. B. pflanzliche Hochbauten und Ausstreumechanismen, "biochemische Zellfabriken", Fortbewegungssysteme) die Übertragungsmöglichkeiten in die Technik häufig unter dem Gesichtspunkt naiven Kopierens, d. h. ohne die Einbeziehung grundlegender funktioneller Überlegungen, beschrieben hat. Alf Gießler hat bereits in seinem 1939 erschienenen, leider von nationalsozialistischer Ideologie getrübtem Buch "Biotechnik" die Natur auf mögliche Anregungen für technische Entwicklungen hin untersucht. Von den zu Beginn dieses Jahrhunderts wirkenden Forschern muß als wohl wichtigster Vertreter einer Forschungsrichtung, die man heute im Grenzgebiet zwischen mathematischer, technischer und theoretischer Biologie ansiedeln würde, D'Arcy W. Thompson (1860–1948) Erwähnung finden. Thompson beschreibt in seinem 1917 erschienenen Werk "On Growth and Form" die physikalischen und mathematischen Aspekte einer Vielzahl von biologischen Strukturen und (Formbildungs-)Prozessen in geradezu genialer Weise, wobei er jedoch jegliche Kausalanalyse und experimentelle Ansätze vermeidet. Neben Überlegungen zum Zusammenhang von Form, Struktur und mechanischer Effektivität bei Knochen, Skelettkonstruktionen und Pflanzenachsen hat sich Thompson vor allem mit der mathematischen Beschreibung der Form(bildung) bei Pflanzen und Tieren auseinandergesetzt. Eine seiner bekanntesten Überlegungen zeigt, wie man durch cartesische Transformationen verwandte Formen ineinander überführen kann (Allometrie, Abb.).

Versuche der technischen Analyse von Lebewesen und ihrer Lebensfunktionen (Technische Biologie) und der Übertragung von Lösungsvorschlägen der Natur in die Technik (Bionik) blieben allerdings bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts auf vereinzelte Ansätze beschränkt, die nicht zu allgemeiner Anwendung kamen.

Gliederung der Bionik

Folgt man der 1992 vorgeschlagenen Gliederung von W. Nachtigall, ist eine Unterteilung der Bionik in 12 Teilgebiete möglich, wobei zwischen vielen der Teilgebiete fließende Übergänge bestehen. Sie lassen sich problemlos an bereits etablierte Fachrichtungen der Biologie bzw. der Ingenieurwissenschaften und Physik anschließen und können diese einerseits ergänzen, andererseits aber auch in neuer Richtung weiterführen.

1. Historische Bionik: Geschichte und Entwicklung bionischer Forschung aus verschiedenen Teilgebieten der Technik und der Biologie.

2. Strukturbionik: Untersuchung biologischer Materialien, Strukturen und Formbildungsprozesse (z. B. komplexe, hierarchisch aufgebaute Verbundmaterialien, pneumatische Strukturen, Membranstrukturen) auf Anwendungsmöglichkeiten in der Technik.

3. Baubionik: Nutzung natürlicher, gut recycelbarer, auch in der Biologie verwendeter Baumaterialien (z. B. Tonbacksteine mit Stroh als Armierung, Wärme- und Schalldämmung; Baubiologie); Konstruktion temporärer technischer Leichtbauwerke (z. B. Seil-, Membranen- und Schalenkonstruktionen), basierend auf Anregungen von natürlichen Leichtbaukonstruktionen. 4. Klima- und Energiebionik: Energieeinsparung und höherer Wohnkomfort durch passive Lüftung, Kühlung und Heizung in Anlehnung an die bei Tierbauten verwirklichten Prinzipien.

5. Konstruktionsbionik: Analyse der Konstruktionselemente und Funktionsmechanismen der meist integrativen und multifunktionellen natürlichen Konstruktionen; Vergleich mit analogen technischen Konstruktionen und Untersuchung von Anwendungsmöglichkeiten in der Technik.

6. Bewegungsbionik: Untersuchung der Strömungs-Anpassungen von schwimmenden (Schwimmen) und fliegenden Tieren (Flug), ihrer Antriebsmechanismen und deren mechanischer Wirkungsgrade mit dem Ziel der Verbesserung technischer Konstruktionen (z. B. Funktionsmorphologie und Wirkungsgrade von Flügeln und Flossen, Strömungswiderstand der Rümpfe schwimmender Tiere); Bewegungsanalyse (Bewegung, Fortbewegung) des Laufens von Tieren mit unterschiedlicher Beinzahl als Grundlage für den Bau "laufender Roboter".

7. Gerätebionik: Entwicklung technisch einsetzbarer Maschinen, d. h. von Gesamtkonstruktionen, basierend auf Vorbildern aus der Natur (z. B. von Pumpen, Bohrern, hydraulischen oder pneumatischen Maschinen, Förder- und Abbausystemen).

8. Anthropobionik: Optimierung von Mensch-Maschine-Interaktionen, z. B. durch ergonomische Gestaltung von Bedienungsoberflächen entsprechend der sensorischen und motorischen Gewohnheiten der Menschen; Erhöhung der Effizienz muskelbetriebener Fortbewegungsmittel (z. B. Fahrräder, Inline Skater oder Langlaufski); Verbesserungen in der Robotik (z. B. bei der Greifarmsteuerung durch Analysen der Beinbewegungen von Wirbellosen).

9. Sensorbionik: Entwicklung hochsensibler Sensor-, Ortungs- und Orientierungssysteme durch Umsetzung von Konstruktionsprinzipien biologischer Sensoren, die für eine Vielzahl chemischer und physikalischer Reize bekannt sind (Biosensoren, Sensor-Technologie).

10. Neurobionik: Weiterentwicklung von Informationsverarbeitung und Steuerung (z. B. durch intelligente Schaltungen, die Verschaltung von Parallelrechnern und Neuronale Schaltkreise; Biochips, neuronale Netzwerke), ausgehend von Anregungen aus dem Bereich der Neurobiologie und biologischen Kybernetik (Biokybernetik).

11. Verfahrensbionik: Analyse von Steuerung und Ablauf komplexer biologischer Prozesse und Untersuchung der Übertragungsmöglichkeit in die Technik; Beispiele sind: die Entwicklung einer Wasserstofftechnologie nach dem Vorbild der Photosynthese (dieses Beispiel läßt sich auch der Biotechnologie zuordnen), die Übertragung des (fast) vollständigen Recyclings in die industrielle Produktion, sowie ökologische Umsatzforschung und kybernetische Prozeßsteuerung bei komplexen industriellen Vorhaben.

12. Evolutionsbionik: Nutzung biologischer Evolutions-Strategien in der Technik für die Optimierung komplexer technischer Systeme und Verfahren (vor allem solcher, die rechnerisch [noch] nicht simulierbar sind).

Möglichkeiten und Grenzen der Bionik

Bevor anhand einiger ausgewählter Beispiele die Möglichkeiten der Bionik illustriert werden, sollen im Vorfeld einige mögliche Mißverständnisse ausgeräumt werden:

1) Traditionelles ingenieurmäßiges Konstruieren wird die Grundlage technischer Entwicklungen bleiben; Bionik kann und soll diese Vorgehensweise nicht ersetzen.

2) Bionik soll anregen – wo es möglich und sinnvoll erscheint –, technische Neuentwicklungen an der Natur abzugleichen, um so die vielfältigen in der Natur verwirklichten analogen Lösungsvorschläge als Ideenreservoir zur Optimierung technischer Konstrukte nutzen zu können.

3) In der Technik wurden nicht selten ohne jegliche Vorkenntnis der Natur Problemlösungen entwickelt, die in der Funktion natürlichen Gebilden mit ähnlichen Aufgaben verblüffend ähneln. Hierbei beschränkt sich die a posteriori festgestellte Analogie jedoch häufig auf Aussehen und Funktion, während Materialien, Strukturen und interne Funktionsweise von natürlicher Struktur und technischem Konstrukt sich meist grundlegend unterscheiden. Beispiele für solche unabhängigen Analogentwicklungen sind: a) aus dem Bereich der Mechanik Vielzwecktaschenmesser (mit ihrem Verstau- und Ausklapp-Prinzip, vgl. Abb. ) und die multifunktionellen Beine von Stutzkäfern (Histeridae) oder technische Saugnäpfe ( vgl. Abb. ) und die Saugnäpfe an den Vorderbeinen des Gelbrandkäfers (Dytiscus marginalis), sowie b) aus dem Bereich der Sensorik das Ultraschall-Echoortungssystem (Echoorientierung) der Delphine und die in der Medizin verwendete Ultraschall-Sonographie (Ultraschall) oder das als Wärmedetektor funktionierende Grubenorgan der Grubenottern und technische Infrarot-Ortungssysteme.

Auch soll vor übertriebenen Erwartungen einerseits und zu optimistischen Versprechungen andererseits gewarnt werden, denen Technische Biologie und Bionik nicht gerecht werden können. Außerdem kann die Bionik – wie fast jeder andere Wissenschaftszweig – auch für inhumane, kriegerische Zwecke mißbraucht werden. Dies zeigt sich exemplarisch an den Versuchen, mit Hilfe bionischer Methoden – auch für zivile Zwecke hochinteressante – "Micro Air Vehicles" (MAVs) zu entwickeln, die als "intelligente Kleinstflugobjekte" eine neue Dimension in kriegerische Auseinandersetzungen bringen könnten.

Ausgewählte Beispiele bionischer Forschung

Der Lotuseffekt: Die Oberflächen unbenetzbarer, d. h. wasserabstoßender Pflanzenblätter sind, wie W. Barthlott (Bonn) Ende der 1970er Jahre feststellte, niemals verschmutzt ( vgl. Abb. ). Dieser Selbstreinigungseffekt zeigt sich besonders eindrucksvoll bei der Indischen Lotos- oder Lotusblume (Nelumbo nucifera; Nelumbo; vgl. Abb. ), dem Symbol der Reinheit in asiatischen Religionen. Die strukturelle Ursache dieses schmutzabweisenden Biodesigns ist die mit kleinen, nur wenige Mikrometer großen Wachskristalloiden besetzte und dadurch mikroskopisch fein genoppte Blattoberfläche. Hierdurch wird verhindert, daß die Wassertropfen – wie auf glatten Oberflächen – verlaufen und über die Schmutzpartikel hinweg "kriechen", ohne den Schmutz mitzunehmen. Auf den unbenetzbaren, fein genoppten Blattoberflächen hingegen haften zum einen Schmutzpartikel schlechter, und zum anderen läuft das Wasser in kugeliger Form ab, nimmt dabei die Schmutzpartikel auf und entfernt sie beim Ablaufen von der Blattoberfläche. 1989 griff W. Barthlott mit seinem Mitarbeiter C. Neinhuis die Beobachtung wieder auf, und es gelang, diesen "Lotuseffekt" im Detail zu entschlüsseln, seine Bedeutung für die Biologie zu verstehen und eine nach diesem Prinzip funktionierende künstliche schmutzabweisende Oberfläche herzustellen. In Kooperation mit mehreren Industriepartnern werden auf der Basis dieses patentierten Verfahrens schmutzabweisende, selbstreinigende Lacke, Farben und andere Oberflächenbeschichtungen hergestellt, die weitreichende Anwendungsmöglichkeiten besitzen. Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie reine Grundlagenforschung – die Untersuchung der Mikromorphologie von Blattoberflächen im Rahmen biosystematischer Forschung – zu hochgradig anwendungsrelevanten Ergebnissen führen kann.







Haihaut und Ribletfolien: Ebenfalls mit kleinen Oberflächenstrukturen befaßte sich Ende der 1970er Jahre W.-E. Reif (Tübingen), als er feststellte, daß die zwischen 0,15 bis 0,5 mm großen Schuppen schnell schwimmender rezenter und fossiler Haiarten feinste Längsriefen und -rippen besitzen ( vgl. Abb. ), die in Strömungsrichtung verlaufen und der Kontur des Haikörpers entlangziehen. In Zusammenarbeit mit der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt konnte gezeigt werden, daß diese Oberflächenstrukturen den Strömungswiderstand durch Reduktion der Wandreibung deutlich verringern. Basierend auf den Strukturen der Hautschuppen von Haien wurden verschiedene technische Rillenstrukturen nachgebildet und die mit ihnen erzielbare Reduktion der Wandreibung untersucht (maximal wurden 10% Reibungsverminderung erreicht). Zusätzlich zu starren Rillenstrukturen werden auch bewegliche, den Haischuppen nachempfundene, mit Oberflächenrillen versehene Plättchen ( vgl. Abb. ) experimentell untersucht, von denen man sich neben einer Reibungsverminderung zusätzlich eine – energetisch günstige – verzögerte Ablösung des strömenden Mediums verspricht. Als technische Anwendungen der als aufklebbare Ribletfolie hergestellten künstlichen Haihaut bieten sich Ver- bzw. Auskleidungen von Verkehrsflugzeugen ( vgl. Abb. ), Gaspipelines und Gasturbinen an. Erste Versuche Anfang der 1990er Jahre mit einem A-320-Airbus zeigten, daß eine Verkleidung mit Ribletfolien zu einer Wandreibungsverminderung von 6% führten. Dies könnte abhängig von Flugzeugtyp und Einsatzdauer zu einer Einsparung von mindestens 60 bis 200 Tonnen Kerosin pro Flugzeug und Jahr führen, was ökonomisch und vor allem ökologisch durchaus bedeutsam wäre.







Strukturoptimierte Naturfaser-Verbundmaterialien: Seit Mitte der 1980er Jahre von Th. Speck und H.-Chr. Spatz (Freiburg) durchgeführte quantitative Analysen der mechanischen Eigenschaften pflanzlicher Achsen (Sproßachse) und ihrer strukturellen Hintergründe zeigten, daß pflanzliche Achsen hochkomplexe Verbundmaterialien darstellen, die auf mindestens fünf hierarchischen Ebenen als Verbundstrukturen interpretiert werden können. Diese komplexe Struktur führt zu mechanischen Eigenschaften, deren Umsetzung in technische Produkte lohnenswert erscheint, wie: 1) hervorragende Energiedämpfungseigenschaften alter Lianenachsen (Lianen; vgl. Abb. ) und unterirdischer Rhizome; 2) scherspannungsarme Verbindungen zwischen weichen und harten Geweben durch komplexe Verzahnung und graduelle Übergänge; 3) mechanisch "gutmütiges" Verhalten durch lokale Vorversagensereignisse, die zu neuen stabilen Konfigurationen führen und das endgültige Versagen "hinauszögern". In Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie werden energieabsorbierende, d. h. stoßdämpfende Verbundmaterialien mit gleichzeitig hoher Steifigkeit und Festigkeit basierend auf den Strukturvorgaben der Natur konstruiert. Weitere Vorteile neben den günstigen mechanischen Eigenschaften sind: das geringe Eigengewicht trockener Pflanzenfasern (ca. um einen Faktor 3 leichter als Glasfasern); die gute biologische Abbaubarkeit der Pflanzenfasern, durch die auch die Kunststoffmatrix in kleine, aufgrund der größeren Oberfläche leichter abbaubare Partikel zerlegt wird; die Möglichkeit einer rückstandsfreien thermischen Verwertung von Naturfaserverbundstoffen mit hohem Naturfaseranteil und die Tatsache, daß es sich bei den Pflanzenfasern um nachwachsende Rohstoffe handelt. Ähnliche Untersuchungen an strukturoptimierten Biomaterialien werden von J. Vincent und G. Jeronimidis (Reading, England) durchgeführt. Basierend auf Analysen der mechanischen Eigenschaften von Holzstrukturen liegen Patente für sehr leichte, extrem energieabsorbierende Faser-Verbundmaterialien vor.



Formoptimierung nach dem Muster wachsender Bäume: Durch Beobachtung der (Wuchs-) Form von Bäumen (Baum) und anderer mechanisch stark belasteter natürlicher Strukturen und Untersuchungen der Gesetzmäßigkeiten ihrer Formgebung konnte C. Mattheck (Karlsruhe) nachweisen, daß Strukturen dann so leicht wie möglich und so fest wie nötig sind, wenn auf ihrer Oberfläche überall gleiche Spannungen herrschen. Die Hypothese der konstanten Spannungen wurde bereits 1893 von K. Metzger für Fichtenstämme formuliert; eine solche "Bauvorschrift" führt dazu, daß bei natürlichen Strukturen wie Bäumen, Knochen, Zähnen und Krallen unter sparsamstem Materialeinsatz Sollbruchstellen vermieden werden. Basierend auf seinen Erkenntnissen an Bäumen und Knochen hat C. Mattheck computerunterstützte Methoden zur Gestaltoptimierung mechanischer Bauteile entwickelt, die seit Jahren erfolgreich in der Industrie eingesetzt werden. Beim CAO-Verfahren (Computer Aided Optimization) wird das kambiale sekundäre Dickenwachstum von Bäumen simuliert, indem an hochbelastete Außenbereiche technischer Bauteile so lange Material angelagert wird, bis eine mechanisch optimierte Form mit konstanter Oberflächenspannung entstanden ist. Im SKO-Verfahren (Soft Kill Option) kann, nach dem Vorbild des Knochens, Material von unterbelasteten Stellen (im Innen- und Außenbereich) des Bauteils entfernt werden. Mit dem CAIO-Verfahren (Computer Aided Internal Optimization) läßt sich bei Faserverbundwerkstoffen zusätzlich der Faserverlauf kerbspannungsmindernd optimieren. Eine Kombination von SKO-Verfahren, das zu Leichtbau-Strukturen, allerdings mit möglichen Spannungsspitzen an der Oberfläche, führt, und CAO-Verfahren, das Strukturen ohne randliche Spannungsspitzen und mit hoher Dauerfestigkeit, aber ohne Gewichtsoptimierung liefert, führt zu form- und gewichtsoptimierten Bauteilen. Beispiele sind Leichtmetall-Autofelgen mit 26% Gewichtsersparnis und orthopädische Schrauben mit 20fach höherer Lebensdauer und minimierter Bruchgefahr.



Fisch-, Wal- und Pinguinrümpfe –Vorbilder für widerstandsarme Spindelformen: Bereits in den 1960er Jahren wurden von H. Hertel (Berlin) spindelförmige Laminarrümpfe für Flugzeuge gefordert. Er war durch Untersuchungen der Körperform schnell schwimmender Fische, Delphine und anderer Wale (Farbtafel Konvergenz bei Tieren) zur Überzeugung gelangt, daß Flugzeuge mit Laminarrumpf einen geringeren Formwiderstand als solche mit herkömmlichem zylindrischem Rumpf haben. Neuere Untersuchungen von R. Bannasch (Berlin) an Pinguinen führen zu vergleichbaren Spindelformen, die selbst bei turbulenter Umströmung einen sehr geringen Strömungswiderstand besitzen. Untersuchungen im Strömungslabor zeigten, daß die Rümpfe der mit den Flügeln – teils sehr schnell – schwimmenden Pinguine nahezu starr bleiben, was eine Übertragung auf technische Strömungskörper erleichtert. Abgüsse der Körper verschiedener Pinguinarten ( vgl. Abb. ) führten bei realitätsnaher turbulenter Umströmung zu Widerstandsbeiwerten von 0,025. Mit einem künstlichen Rotationskörper ( vgl. Abb. ), der basierend auf den gemittelten Werten der Pinguinabgüsse hergestellt wurde, konnte der Widerstandsbeiwert bis auf 0,016 gesenkt werden. Dies ist fast 20mal günstiger als der Widerstandsbeiwert bei Automobilen, die mit Werten von 0,3 als strömungsgünstig gelten. In der Realität dürfte durch die (ähnlich der Haihaut) feinstrukturierte Oberfläche des Gefieders der Strömungswiderstand lebender Pinguine noch geringer sein. Mögliche Anwendungsbereiche sind Großraumflugzeuge und Unterwasserfahrzeuge, bei denen eine optimierte Spindelform bei erhöhtem Fassungsvermögen zu einer deutlichen Reduktion des Treibstoffverbrauchs führen könnte.



Hausbelüftung nach Präriehund- oder Termitenart und Wärmedämmung nach dem Prinzip Eisbär: Anfang der 1970er Jahre untersuchte der Amerikaner S. Vogel zusammen mit seinen Kollegen die Belüftung in Bauten des Schwarzschwanz-Präriehundes (Cynomis ludovicianus; Nordamerika III). Sie konnten zeigen, daß Präriehunde an einem ihrer Baueingänge einen steilwandigen Kegel bauen, wodurch dieser Eingang höher liegt als der andere Eingang, an dem sie lediglich eine flache Kuppel bauen. Dieser Höhenunterschied ruft bei darüberwehendem Wind eine Druckdifferenz hervor, die unabhängig von der Windrichtung eine immer in eine Richtung durch den Bau ziehende Luftströmung erzeugt. Somit lüften Präriehunde durch letztlich sonneninduzierte Windbewegungen und unter Ausnutzung des Bernoulli-Prinzips (Auftrieb) ohne eigenen Energieaufwand ihren Bau, der ohne Lüftung unbewohnbar wäre. Ähnliche Prinzipien dienen in der traditionellen vorderasiatischen Architektur der Belüftung. Wie der Schweizer M. Lüscher nachweisen konnte, nutzen auch manche Termitenarten (Termiten) die Sonnen- und Stoffwechselwärme zur Lüftung ihrer Bauten. Hierbei strömt die Luft, angetrieben durch das Wärmegefälle zwischen (warmer) Bauoberseite und den (kühlen) unterirdischen Bereichen des Baus, in einem geschlossenen Röhrensystem durch den Bau nach oben und direkt unterhalb der Bauoberfläche wieder nach unten. Durch das poröse Material des Termitenbaus kann Kohlendioxid aus dem Bau herausdiffundieren, während Sauerstoff hineindiffundiert. Ein ebenfalls für Fragen der Klimatisierung interessantes Phänomen wurde von H. Tributsch und Mitarbeitern (Berlin) beim Eisbären (Ursus maritimus) nachgewiesen. Die weißen Haare des Eisbärfells leiten die einfallende Licht- und Wärmestrahlung wie Lichtleiter nach unten zur dunklen Hautoberfläche, die sie absorbiert. Dies führt im Zusammenspiel mit den im dicken Fell eingeschlossenen, isolierenden Lufträumen zu einem Wärmegewinn. 1996 haben W. Nachtigall und G. Rummel (Saarbrücken) ein Niedrigenergiehaus konzipiert, welches das Lüftungsprinzip der Termitenbauten (passive Porenlüftung) und das beim Eisbärfell verwirklichte Prinzip der transparenten Wärmedämmung nutzt.



Laufende Roboter: Im Gegensatz zu auf Rädern rollenden Fahrzeugen können sich Tiere, die mit (einer unterschiedlichen Anzahl von) Beinen laufen, auch in unwegsamem Gelände, teilweise mit extremen Steigungen, fortbewegen. Untersuchungen der Mechanik und der Steuerung der Beinbewegung laufender Tiere werden in der bionischen Robotik auf die Konstruktion technischer Laufapparate übertragen. Als hervorragendes Studienobjekt hat sich die trockenen Zweigen täuschend ähnlich sehende Stabheuschrecke Carausius morosus (Gespenstschrecken; vgl. Abb. ) erwiesen. G. Wendler, H. Scharstein (Köln) und H. Cruse (Bielefeld) haben die Fortbewegung der Stabheuschrecke analysiert und gezeigt, daß bei schneller Bewegung stets 3 ihrer 6 Beine einen festen Halt haben, wenn die anderen 3 einen Schritt machen. Vorder- und Hinterbein einer Körperseite bilden dabei mit dem mittleren Bein der anderen Körperseite ein "stabiles Dreibein". Die Steuerung der Beine der Stabheuschrecke ist dezentral, d. h., jedes Bein verfügt über eine unabhängige, steuernde Nervenzelle. Die Nervenzellen sind miteinander vernetzt und generieren so das Gesamtmuster der Bewegung. Angeregt durch diese und ähnliche Untersuchungen wurden in den Arbeitsgruppen von R. Dillmann (Karlsruhe) und F. Pfeiffer (München) nach dem Prinzip neuronaler Netzwerke dezentrale Steuerkonzepte für Laufmaschinen entwickelt. Basierend auf dem Vorbild der Stabheuschrecke wurden Anfang der 90er Jahre in München und Karlsruhe sechsbeinige, insektenartige Laufmaschinen entwickelt. Die von S. Cordes (Karlsruhe) 1993 gebaute Maschine wurde LAURON (LAUfender ROboter Neuronal gesteuert; vgl. Abb. ) genannt. Der in Leichtbauweise konstruierte LAURON kann sich – modular gesteuert – durch Elektromotoren autark bewegen. Zur Kontrolle der Bewegungsabläufe verfügt LAURON über 150 Sensoren. Einsatzmöglichkeiten solcher auf unwegsamem Gelände einsetzbarer Laufroboter sind neben der Land- und Forstwirtschaft vor allem Wartungsarbeiten in gefährlichem Terrain und in Kernkraftwerken, Katastrophengebiete und die Erforschung von fremden Planeten (z. B. des Mars).



Flußkrebsauge und Röntgenastronomie: Unabhängig voneinander entschlüsselten in den 70er Jahren zuerst K. Vogt (Stuttgart, Freiburg) und kurze Zeit später M.F. Land (Sussex, England) das Funktionsprinzip der Komplexaugen von Flußkrebsen (Gattungen Orconectes, Astacus). Wie bei allen Gliedertieren ist das Flußkrebsauge aus vielen Einzelaugen, sog. Ommatidien, zusammengesetzt (Komplexauge). Im Gegensatz zu den als Linsensysteme wirkenden, sechseckigen Ommatidien des Insektenauges bilden die quadratischen Ommatidien des Flußkrebsauges in ihrer Gesamtheit eine Art facettierter Spiegellinse. Hierdurch entsteht ein Auge mit einem Sehfeld (Blickfeld) von etwa 90° sowie gleichzeitig großer Lichtstärke und hoher Bildschärfe. Einfallende Lichtstrahlen werden durch Reflexion an den Randflächen der quadratkegelförmigen Ommatidien auf die darunterliegenden Sinneszellen geleitet, wobei nicht alle Randflächen verspiegelt sind. Dadurch kann es zu einer Bildverstärkung kommen, da parallel einfallende Strahlen von verschiedenen Ommatidien auf dieselben Sinneszellen gelenkt werden. Angeregt durch diese Arbeiten begann R. Angel vom Steward-Observatorium (Tucson, USA), Pläne für ein neuartiges, auf dem Prinzip des Krebsauges basierendes Weitwinkel-Röntgenteleskop zu entwickeln. Die vorher bekannten, auf Röntgen-Kleinwinkelstreuung an Metalloberflächen basierenden Röntgenteleskope (Röntgenstrahlen können nicht durch Linsen fokussiert werden) konnten nur einen Himmelsausschnitt von ca. 1° gleichzeitig abbilden. Mit dem neuartigen Weitwinkel-Röntgenteleskop, bei dem Millionen feinster, halbkugelig angeordneter Bleiglasröhrchen die einfallenden Röntgenstrahlen totalreflektieren und fokussieren, kann man dagegen ein Viertel des Himmels gleichzeitig beobachten. In umgekehrter Weise lassen sich nach diesem Prinzip Röntgenstrahlen einer im Brennpunkt befindlichen Röntgenquelle parallel ausrichten (Röntgenkollimator), was z. B. für feinste Ätzvorgänge auf Mikrochips von großem Interesse ist.



Evolutionsstrategien optimieren Düsen: Evolutionsstrategien bei der Konstruktion technischer Produkte wurden erstmals in den 60er Jahren von I. Rechenberg und H.-P. Schwefel (Berlin) erfolgreich angewendet. Die Idee hierbei war, komplexe, theoretisch (noch) nicht beschreibbare technische Konstrukte durch zufällige Änderungen (analog biologischer Mutation) und/oder Neukombinationen von Bauelementen (analog der Rekombination in der Biologie) zu verändern und die neuentstandenen Konstrukte auf ihre Effizienz zu testen. Entstandene Konstrukte mit verbesserter Effizienz bildeten die Basis weiterer "evolutionärer" Veränderungen, während alle anderen, weniger effizienten Ergebnisse (analog biologischer Selektion) ausgeschieden wurden. Eines der eindrucksvollsten Ergebnisse ist die von H.-P. Schwefel bereits 1968 vorgestellte Optimierung einer Zweiphasen-Überschalldüse, wie sie zur Stromerzeugung in Satelliten vorgesehen war. Ausgangspunkt war eine konventionell geformte Düse mit 55% Wirkungsgrad, die in 20 Sektoren zerlegt wurde. Durch zufällige Neukombination dieser Sektoren und anschließenden Test der Effizienz, d. h. durch Anwendung der Evolutionsstrategie, konnte über 44 Zwischenstufen eine unkonventionell geformte, aber optimierte Endform mit fast 80% Wirkungsgrad gefunden werden. Erst Jahre später gelang es, die Form dieser optimierten Düse auch theoretisch zu verstehen.

Biologie und Bionik – ein Ausblick

Pflanzen und Tiere besitzen Eigenschaften, die sich im Verlauf von vielen hundert Millionen Jahren durch die Prozesse der Mutation, Rekombination und Selektion in Anpassung an die jeweiligen Umweltbedingungen entwickelt haben. Führt man sich diesen großen Zeitraum vor Augen – seit der Entstehung der ersten Lebewesen (Leben) sind ungefähr 3,5 Milliarden Jahre vergangen –, ist es nicht überraschend, daß in der belebten Natur für viele Problemstellungen hervorragende Lösungen zu finden sind. Die "Qualität biologischer Lösungen" wird noch augenfälliger, wenn man sich verdeutlicht, daß biologische Strukturen in der Regel nicht nur eine Funktion besitzen, auf die sie optimiert werden können, sondern meist zwei oder mehrere Funktionen erfüllen. So müssen zum Beispiel oberirdische, aufrechte Pflanzenachsen nicht nur eine ausreichende mechanische Stabilität besitzen, sondern auch Wasser- und Assimilatleitung erlauben sowie Speicherfunktion und unter Umständen Photosynthesefunktion ausüben. Diese Überlegung zeigt, daß biologische Strukturen stets unter dem Aspekt der Mehrfaktorenoptimierung betrachtet werden müssen. Außerdem können Pflanzen und Tiere in gewissem Umfang auf umweltbedingte Änderungen der mechanischen Belastungen reagieren und mechanische Schäden in begrenztem Rahmen selbst reparieren (z. B. Knochenbrüche, Schäden an Stämmen und Ästen). Da jedes Lebewesen aus einer langen Reihe von Vorfahrenformen hervorgegangen ist, können sich Evolutionsprozesse nur in dem von den inneren Randbedingungen vorgegebenen Rahmen abspielen. Lebewesen und ihre einzelnen Teile (Organe, Gewebe, Zellen, Zellorganelle) müssen demnach als "phylogenetisch vorgeprägte", "multifunktionelle" Strukturen betrachtet werden, die in ihrem Zusammenspiel die vielfältigen Lebensprozesse, die ein Lebewesen ausmachen, ermöglichen. Darüber hinaus gehen biologische Konstrukte nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer bzw. nach dem Lebensende des Organismus in der Regel wieder in den natürlichen Stoffkreislauf ein, d. h., sie sind vollständig abbau- und recycelbar.

Diese Gegebenheiten führen dazu, daß die im Zuge der Evolution entstandenen "Lösungsvorschläge der Natur" häufig anders ausfallen als die im Laufe der lediglich etwa 10 000 Jahre zurückreichenden technischen Phase ("Evolution") des Menschen entwickelten Konstrukte, die unserem in der Regel auf die optimale Lösung einer einzelnen Problemstellung ausgerichteten Denken entspringen. So ist es bei genauerer Betrachtung nicht überraschend, daß biologische Evolution und menschliche Technik, obwohl sie dieselbe physikalische Umwelt teilen (gleiche Ressourcen, gleicher Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich, gleiche Schwerkraft, gleiche Wind- und Strömungsstärken) häufig zu völlig unterschiedlichen Lösungen für vergleichbare Problemstellungen führen. Die in den letzten Jahrzehnten geradezu explosionsartige Zunahme an Wissen bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise biologischer Strukturen und ganzer Organismen sowie die Möglichkeit, komplexe biologische Konstrukte mittels hochentwickelter Steuer- und Produktionsmethoden in die Technik umzusetzen, eröffnet der Bionik hervorragende Zukunftschancen.

Wie die aufgeführten Beispiele zeigen, können Grundlagenforschungen aus dem Bereich der Technischen Biologie, aber auch aus vielen anderen Fachrichtungen der Biologie in vielfältiger Weise in anwendungsbezogene Fragestellungen und letztendlich neuartige technische Produkte münden. Es sollte für die biologische Forschung Herausforderung und Verpflichtung sein, daß die in Jahrmillionen langen Evolutionsprozessen entstandenen biologischen Strukturen Anregungen für moderne und umweltverträgliche Hochtechnologie-Produkte liefern können. In der als Leitwissenschaft des beginnenden 21. Jahrhunderts bezeichneten Biologie könnten Technische Biologie und Bionik, zusammen mit der Biotechnologie, zu Leitforschungsrichtungen innerhalb der Biologie werden – wobei ein in der politischen Diskussion der letzten Jahre immer wieder geforderter Gesellschaftsauftrag ein integraler Bestandteil der Definition beider Forschungsrichtungen ist: Grundlagenforschung rasch und möglichst umfassend zur Anwendung zu führen. Die nächste Zukunft wird zeigen, ob bionische Forschungen ihrer vor allem in neuerer Zeit häufig beschworenen forschungs- und gesellschaftspolitischen Relevanz gerecht werden können, was sich nicht zuletzt an der Akzeptanz der Industrie und des Marktes zeigen wird. Biomechanik (Abb., Tab.), Biophysik.

Lit.: Bionik: Die Natur als Vorbild (Videocassette). München 1995. Gleich, A. von (Hrsg.): Bionik – Ökologische Technik nach dem Vorbild der Natur? Stuttgart 1998. Gordon, J.E.: The new science of strong materials or why you don't fall through the floor. London 1991. Gordon, J.E.: Strukturen unter Stress – Mechanische Belastbarkeit in Natur und Technik. Heidelberg 1989. Greguss, F.: Patente der Natur: Technische Systeme in der Tierwelt – Biologische Systeme als Modelle für die Technik. Heidelberg 1988. Hill, B.: Innovationsquelle Natur – Naturorientierte Innovationsstrategie für Entwickler, Konstrukteure und Designer. Aachen 1997. Mattheck, C.: Design in der Natur – Der Baum als Lehrmeister. Freiburg 1997. McMahon, T.A., Bonner, J.T.: Form und Leben. Heidelberg 1985. Nachtigall, W.: Phantasie der Schöpfung – Faszinierende Entdeckungen der Biologie und Biotechnik. Hamburg 1974. Nachtigall, W.: Vorbild Natur. Bionik-Design für funktionelles Gestalten. Heidelberg 1997. Nachtigall, W.: Bionik. Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Berlin – Heidelberg 1998. Nachtigall, W. (Hrsg.) bzw. Nachtigall, W., Wisser, A. (Hrsg.): Technische Biologie und Bionik 1, 2, 3, 4 – BIONA-report 8, 9, 10, 12. Stuttgart 1992, 1995, 1996, 1998. Paturi, F.R.: Geniale Ingenieure der Natur – Wodurch uns Pflanzen technisch überlegen sind. Düsseldorf 1974. Rechenberg, I.: Evolutionsstrategie: Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution. Stuttgart 1973. Sarikaya, M., Aksay, I.A. (eds.): Biomimetics: design and processing of materials. Woodbury 1995. Teichmann, K., Wilke, J. (Hrsg.): Prozeß und Form "Natürlicher Konstruktionen". Berlin 1996. Thompson, D'Arcy: On growth and form. London 1917 (gekürzte Version: Über Wachstum und Form. Frankfurt 1982). Vincent, J.F.V.: Structural biomaterials. Princeton 1990. Vogel, S.: Cats' paws and catapults – Mechanical worlds of nature and people. New York 1998. Willis, D.: Der Delphin im Schiffsbug – Wie Natur die Technik inspiriert. Basel 1997. – Rundbriefe der Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik, Nr. 1 und folgende. Saarbrücken 1990.





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Von den natürlichen "Vorbildern" nicht beeinflußte Analogentwicklungen der Technik: a Vielzwecktaschenmesser (mit seinem Ausklapp- und Verstau-Prinzip); b multifunktionelle Beine von Stutzkäfern (Histeridae); c Saugnäpfe einer Seifenschale; d Saugnäpfe an den Vorderbeinen des Gelbrandkäfers (Dytiscus marginalis).







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Lotuseffekt:

a Lotusblume, Lotosblume (Nelumbo nucifera); b Lotusblatt, sauber abgespült; c Oberseite eines Lotusblatts mit charakteristischem Noppenmuster (REM-Aufnahme); d auf der rauhen, fein genoppten Blattoberfläche haften Schmutzpartikel schlecht, werden durch abperlende Flüssigkeitstropfen aufgenommen (e) und von der Blattoberfläche gewaschen; auf einer glatten Oberfläche würden die Wassertropfen verlaufen und die Schmutzpartikel lediglich verschoben, wenn die Tropfen über sie hinwegkriechen; f,g Vergleichsuntersuchungen mit glatten unbeschichteten und nach dem patentierten Verfahren beschichteten Platten zeigen, daß sich die beschichteten (g, rechte Platte) durch einfaches Besprühen mit Wasser auch von hartnäckigen Verschmutzungen, wie Ruß, vermischt mit Farbe, reinigen lassen, während die auf Hochglanz polierte Platte (g, linke Platte) auch nach langem Spülen noch verschmutzt ist.





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a Rillen- und Riefenstruktur auf den Hautschuppen eines Samthais (Carcharhinus falciformis), ein Beispiel für natürliche Riblets; b Modell einer künstlichen Haihaut, in der die mit Rillen bedeckten Schuppen beweglich gelagert sind; c mit Ribletfolien beklebtes Versuchsflugzeug (Airbus A 320) der Airbus Industries.





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Querschnitt durch eine biege- und torsionsflexible Achse der tropischen Liane Condylocarpon guianense, die eine hohe Energieabsorptionsfähigkeit besitzt. Auffällig sind die mächtigen parenchymatischen Holzstrahlen des sternförmig eingebuchteten flexiblen Holzes und die Vielzahl großlumiger Tracheen.





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a Abguß eines im Strömungslabor untersuchten Kaiserpinguins (Aptenodytes forsteri) in Seitenansicht mit strömungsgünstigem, spindelförmigem Rumpf; b künstlicher Rotationskörper mit extrem strömungsgünstigen Eigenschaften, der aus den gemittelten Daten von Abgüssen verschiedener Pinguinkörper entwickelt wurde.





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a Stabheuschrecke (Carausius morosus), Vorbild für die Entwicklung dezentral gesteuerter Laufmaschinen; b LAURON II, die zweite Generation eines nach dem Vorbild der Stabheuschrecke konstruierten Laufroboters.