Bionik - Wenn Ingenieure und Biologen zusammenarbeiten
Bionik ist ein relativ junger, interdisziplinärer Wissenschaftszweig, der - auch unter den Aspekten von Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit - zunehmend an wirtschaftlicher Bedeutung gewinnt. Der Begriff 'Bionik' ist eine Zusammensetzung der beiden Wortteile BIOlogie und TechNIK. Bionik greift bei der Suche nach neuen Technologien oder technischen Problemlösungen auf Funktionsprinzipien zurück, die in der Natur entstanden sind und mit den Mitteln der Biologie erschlossen werden.
Evolution bedeutet Optimierung
Im Lauf der der Evolution mussten Pflanzen und Tiere viele technische Probleme lösen, um zu überleben und die Gegebenheiten und Veränderungen ihrer Lebensbedingungen möglichst optimal nutzen zu können. Es entstanden hochspezialisierte Lösungsansätze durch Anpassungen des Körperbaus und der physischen und biochemischen Funktionen der Organismen (z.B. hinsichtlich der Flugeigenschaften bei Vögeln, dem Reinigen von Blattoberflächen oder dem effektiven Schutz vor Kälte in der Arktis). Den Mechanismen der Evolution entsprechend setzten sich dabei Problemlösungen mit einem „optimalen Wirkungsgrad“ durch, also Lösungen mit möglichst geringem Material- und Energieaufwand bei möglichst hoher Effizienz. Diejenigen Individuen, die die effizientere Anpassung erreicht hatten, hatten die besseren Voraussetzungen zur Vermehrung und Verbreitung.
Vom Nachahmen zum Verstehen
Der Ansatz, diese hocheffizienten „Erfindungen“ der Natur mit Mitteln der Technik nachzuahmen und nutzbar zu machen, ist schon recht alt (z.B. Vogelflug: Sage von Daedalus und Ikarus, Schneider von Ulm, Leonardo da Vinci etc.). Eine der hauptsächlichen Herausforderungen der Bionik besteht darin, über genaue Beobachtung und wissenschaftliche Verfahren ein möglichst präzises Verständnis der jeweils zugrunde liegenden Funktionsprinzipien zu erreichen. Forscher der Bionik nutzen die Erkenntnisse aus der Biologie für die Bewältigung technischer Problemstellungen und zur Entwicklung innovativer, ressourcenschonender Technologiekonzepte. Bekannte Bioniker sind z.B. Wilhelm Barthlott mit der Entdeckung des Lotuseffektes und George de Mistral mit der Erfindung des Klettverschlusses.
Beispiel: Die Erfindung des Klettverschlusses
George de Mestral war belgischer Erfinder. Er ging gerne mit seinem Hund spazieren, ärgerte sich aber häufig nach dem Spaziergang die Kletten aus dem Hundefell entfernen zu müssen. Die Kletten waren fest im Fell verankert und mussten mit viel Geduld entfernt werden.
George de Mestral schaute sich die Klette unter der Lupe genauer an und entdeckte, dass die Klette an den Enden keine geraden Stacheln, sondern flexible Widerhaken hatte. Die Entdeckung begeisterte ihn so sehr, dass er damit begann Ideen für einen Verschluss zu entwickeln. 1951 meldete der belgische Wissenschaftler das Patent an. Drei Jahre später wurde der erste Klettverschluss von der Schweizer Firma Velcro hergestellt. Sie erhielt 1954 das Patent für den Verschluss.
Velcro ist zusammengesetzt aus Velours und crochet (= Haken). Der Patentschrift zufolge war vorgesehen, beide Klettstreifen gleich zu gestalten, nämlich ausschließlich mit Häkchen. Der Klettverschluss in der heutigen Form wird als Klettband bestehend aus zwei Teilen angeboten: Eine flauschige Seite, eine Seite mit flexiblen Häkchen.
Inzwischen arbeiten Bioniker (TU München) bereits an wenig verschmutzenden und lautlos zu öffnenden Klettverschlüssen der zweiten Generation: Klettverschlüsse, beständig gegenüber Hitze, Chemikalien oder Desinfektionsmitteln. Es sind metallische Klettverschlüsse aus Federstahl, die bei 800 Grad Celsius noch Zugkräfte bis zu 35 Tonnen pro Quadratmeter Klettfläche erlauben.
top-down und bottom-up
Bionische Entwicklungen können in zwei Richtungen verlaufen:
top-down: Aus der Definition eines technischen Problems entsteht die Frage an die Biologie, wo und auf welche Weise die Natur dieses Problem bereits gelöst hat. Daraus werden Analogien entwickelt, die sich mit technischen Werkstoffen und Verfahren realisieren lassen. Bei der top-down-Strategie entstehen nur selten innovative technische Konzepte, weil schon die Fragestellungen aus herkömmlichen Zusammenhängen stammen.
bottom-up: Die Beobachtung der Funktionsweisen biologischer Systeme führt zu einer Beschreibung von Funktionsprinzipien, die sich aus dem biologischen Kontext abstrahieren und auf andere, z.B. neue technische Anwendungen übertragen lassen. Bei der bottom-up-Strategie entstehen oft erstaunliche, neue und elegante Technikkonzepte. Deshalb wird diese Strategie in der Konstruktionsbionik als besonders vielversprechend angesehen, da viele Konstruktionen der Natur noch gar nicht entdeckt und erforscht sind.
Weiterführende Informationen
Literatur:
Gebauer (2012): Themenfeld Bionik
Henke & Höttecke (2011): Elektrizität und ein Weltmodell.
Hill (2008): Strategie Naturorientiertes Lernen
Nachtigall (2014): Wissen Kompakt.
Weddehage & Jan (2014): Wilhelm Barthlott und seine Entdeckung des Lotus-Effektes.
Zindler (2012): Projekt: Naturwissenschaft - Bionik - Die Natur als Erfinder.
Links:
Homepage des Forschungsnetzwerks BIOKON e.V.