Bionik

Einleitung

Warum können Vögel fliegen? Was macht Haie zu schnellen Schwimmern? Wieso zerbrechen Muscheln nicht, wenn sie auf den Boden fallen? Weshalb sind Blätter der Lotusblume nie verschmutzt? Warum sind Nagetierzähne immer scharf?

Über solche Fragen machen wir uns normalerweise keine Gedanken. Sie betreffen nicht das tägliche Leben und die Beantwortung ist Aufgabe der Grundlagenforschung. Aber stimmt das wirklich? Könnten Erkenntnisse aus der belebten Natur nicht auch Vorbild für alltägliche technische Produkte sein? Sie könnten es nicht nur, sondern sind es heutzutage schon! Ohne die Anregungen aus der Natur würde es zum Beispiel ein alltägliches, nützliches Produkt gar nicht geben – den Klettverschluss! Die Frucht der Klette, die sich im Fell seiner Hunde verfing, brachte den Schweizer Ingenieur Georges de Mestral (1907-1990) auf die Idee, die Widerhaken auch technisch anzuwenden, um zwei Materialien reversibel zu verbinden (Cerman et al., 2005). Diese Zufallsentdeckung hat unser alltägliches Leben vereinfacht. Um solche nützlichen Erfindung nicht dem Zufall zu überlassen, hat sich seit ca. zwei Jahrzehnten eine neue Wissenschaftsdisziplin gebildet – die Bionik.

Bionik ist ein Kunstwort, das sich aus Biologie und Technik zusammensetzt. Die Bionik als Wissenschaftsdisziplin nimmt sich systematisch Organismen in der Natur als Vorbild, versucht von ihnen zu lernen, die Prinzipien, die hinter einem Phänomen stecken, zu verstehen und zu abstrahieren und diese dann in die Technik umzusetzen. Denn die Natur hat für fast jedes Problem schon eine Lösung parat. Die Natur konnte und musste sich in Millionen von Jahren optimal an die gegebenen Bedingungen anpassen. Dadurch besitzt sie technisch ausge-klügelte Systeme, von denen Menschen lernen und profitieren können. Um innovative Produkte zu entwickeln, müssen sowohl verschiedene Wissenschaftsbereiche als auch die Wirtschaft interdisziplinär zusammenarbeiten.

Die Luftfahrt - eine bionische Erfolgsgeschichte

Dass man von der Natur lernen kann, ist an sich keine neue Erkenntnis. Der Traum vom „Fliegen wie ein Vogel“ ist uralt und eine beispiellose bionische Erfolgsgeschichte. Schon Leonardo da Vinci (1452-1519) ließ sich – fasziniert vom Fliegen – von der Natur inspirieren. So studierte er unter anderem den Vogelflug und die Samen des Löwenzahns, um davon abgeleitet Flugapparate zu bauen. Seiner Zeit voraus, hatte er unter den damaligen Voraussetzungen jedoch nicht die Möglichkeit, ein flugfähiges Gerät zu konstruieren.

Etwa 400 Jahre später waren Otto Lilienthals (1848-1896) Hängegleiter erfolgreicher. Er absolvierte über 1000 Gleitflüge. Theoretische Vorversuche und die Wirkung unterschiedlicher Flügelprofile bekamen dabei eine besondere Bedeutung. Als erster erkannte er außerdem, dass – anders als bei Vögeln – Auftrieb und Vortrieb getrennt betrachtet werden müssen, um flugfähige Apparate bauen zu können.

Auf diesen Prinzipien beruhten auch die Flugzeuge der Brüder Wright, die sie um 1900 bauten. Mit ihrem Dop-peldecker gelang den Wrights der erste belegte motorisierte und kontrolliert gesteuerte Flug. Vor allem die Technik der Manövrierfähigkeit dieser ersten Flugzeuge verhalf der Luftfahrt zum Durchbruch.

Nach Jahrzehnten der Weiterentwicklung, Erfolge und Rekorde, besinnt sich die Luftfahrt auch heute noch auf das Vorbild, den Vogel, zurück. Seit 1989 werden an den Spitzen der Tragflächen sogenannte Winglets – meist nach oben gebogene Flügelenden – serienmäßig angebracht. Nach Vorbild der gespreizten, aufgefiederten Flügelenden einiger Vögel wird damit sowohl der induzierte Widerstand gesenkt und so die Auftriebswerte vergrößert als auch die Stabilität erhöht. Damit einher geht eine Reduktion der Treibstoffmenge (Cerman et al., 2005).

Um aerodynamische Eigenschaften zu verbessern, muss die Inspiration jedoch nicht immer aus der Vogelwelt kommen. Auch ein Phänomen eines nichtfliegenden Tieres aus einem ganz anderen Lebensraum trägt in Zukunft vielleicht dazu bei Treibstoff einzusparen. In den 1980ern wurden kleinste Rillen (sogenannte Riblets) auf den Schuppen von Hochseehaien entdeckt. Diese vermindern den Reibungswiderstand im Wasser und damit den Energieverbrauch. Was bei der Umströmung mit Wasser gilt, kann auch auf Anwendungen in der Luft über-tragen werden. Eine nach diesem Prinzip entwickelte Riblet-Folie wurde an einem A320 erfolgreich getestet. Einem Einsatz dieser Folien stehen bislang jedoch noch Probleme in der Haltbarkeit und Wartung im Weg (Cerman et al., 2005; Kesel, 2005: www.dlr.de).

Ob es sich um strömungsgünstig konstruierte Außenformen, besonders strukturierte Oberflächen oder um leichtere und stabilere Werkstoffe nach den Prinzipien biologischer Vorbilder handelt – in Zukunft wird der Flugzeugbau auch weiterhin von der Natur inspiriert bleiben.

Eigenschaften von biologischen Konstruktionen, Werkstoffen, Oberflächen

Die Natur hat im Laufe der Evolution erstaunliche Konstruktionen, Formen, Werkstoffe und Oberflächen hervorgebracht. Mit minimalem Material- und Energieeinsatz werden maximale Eigenschaften und Leistungen erreicht (Minimum-Maximum-Prinzip). Alle Bauwerke der Natur sind dabei multifunktional und optimal an die jeweiligen Bedingungen angepasst.

Nach dem Prinzip „form follows function“ passen sich natürliche Strukturen den Gegebenheiten adaptiv an. Dies ist vor allem möglich, weil sie – anders als die meisten technischen Strukturen und Konstruktionen – weder homogen noch als „Block“ vorhanden, sondern hierarchisch aufgebaut und selbstorganisierend sind. Während eines Lebens wachsen Strukturen, werden auf- und abgebaut und verändert. Das Skelett des Menschen beispielsweise verändert und erneuert sich permanent, um optimal angepasst zu sein.

Die Materialauswahl in der Natur konzentriert sich auf wenige Grundbausteine. Durch geschickte Strukturierung und Kombination von Materialien (z.B. Sandwichstrukturen, Faserverbunde) und deren Konzentrationen können jedoch nahezu alle erdenklichen Eigenschaften erreicht werden (Fratzl, 2002). So ist Perlmutt, obwohl überwiegend ein keramisches und damit sprödes Material, durch einen geringen Anteil organischer Substanzen äußerst bruchzäh.

Häufig werden besondere Eigenschaften schon durch Nanostrukturierungen geprägt. Nanostrukturierte Ober-flächen sind beispielsweise im Bereich Benetzbarkeit, Adhäsion und Reflektion von großer Bedeutung in der Natur. Basierend auf rein physikalischen Gesetzmäßigkeiten ist hier eine Anwendung in der Technik gut zu realisieren. Am bekanntesten ist die Übertragung des Lotus-Effekts in die Technik (Kesel, 2005). Eine nanostruk-turierte Oberfläche ist hier verantwortlich für die superhydrophobe und damit selbstreinigende Eigenschaft. Die Produktpalette reicht von Fassadenfarben über Dachziegeln bis hin zu beschichteten Keramiklöffeln mit Lotus-Effekt. (www.lotus-effekt.de).

Ein Überblick über bionisch umgesetzte Ideen

Nicht nur der Lotus-Effekt wurde auf bionische Produkte übertragen. Auch andere, meist erstaunliche Prinzi-pien, Konstruktionen, Werkstoffe und Oberflächen aus der Natur haben den Weg in die Technik gefunden. Nachfolgend werden einige davon vorgestellt.

CAO/SKO

Zwei bionische Methoden, die schon seit längerem Einzug in die Konstruktion von Produkten gehalten haben, sind die auf FEM (Finite Elemente Methode) basierende CAO (Computer Aided Optimization - Computerge-stützte Optimierung) und SKO (Soft Kill Option). CAO beruht auf den Wachstumsprinzipien von Bäumen, die auftretende (Kerb-)Spannungen durch Wachstum an stark beanspruchten Stellen homogenisieren. SKO hat dagegen die Mineralisation und Demineralisation von Knochen zum Vorbild. Konstruktionen werden überall dort verstärkt und versteift, wo sie stark belastet werden und Material erweicht und abgebaut, wo keine Span-nungen auftreten. So kann äußerst effizienter Leichtbau betrieben und Bauteile optimal durch ihre Struktur und Form an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden (www.biokon.net/bionik; Kesel, 2005).

Bionik-Propeller

Bei einigen Vögeln richten sich die Flügelenden im Flug fächerförmig auf. Luftströmungen werden aufgeteilt, sodass es nicht zu großen Luftwirbeln kommen kann. Der Flug wird stabiler und strömungsgünstiger. Abgeleitet von diesem Prinzip wurden in der Luftfahrt die Winglets an den Tragflächenenden von Flugzeugen entwickelt. Mithilfe evolutiver Schritte konnte das biologische Prinzip in der Technik noch verbessert werden. Werden die Federn zu einer Schlaufe geschlossen, sind sie noch effizienter. Die Natur konnte das nicht realisieren, doch in der Technik stellt der sogenannte Split-Wing-Loop (oder Bionik-Propeller) eine Verbesserung im Vergleich zur Natur dar (www.evologics.de). Dieses Beispiel zeigt, dass die Natur zwar als Ideengeber fungiert und Prinzipen übertragen werden, die Produkte können in der Technik jedoch von der Natur losgelöst weiterentwickelt werden.

Bionic-Car

Einen Blick in die Natur wagten auch Ingenieure bei Mercedes-Benz, die von Grund auf eine bionische Autostudie – das Bionic-Car – entwickelten. Als besonders strömungsgünstiges Vorbild erwies sich der tropische Kofferfisch. Dessen Form und die Struktur der Knochenplättchen wurden für die Karosserie abstrahiert. Mithilfe der SKO-Methode blieben von der Karosserie nur die relevanten Strukturen zurück. So konnte sowohl ein leichtes als auch besonders strömungsgünstiges Auto nach den Prinzipien der Natur konzipiert werden (www.spiegel.de).

Unterwasserbeschichtung (giftfreies Antifouling)

Die Längsrillen auf den Schuppen von Haien sind nicht nur aus strömungsdynamischer Sicht interessant. Auffällig bei Haien ist außerdem, dass ihre Oberfläche sauber ist, d.h. keinen Bewuchs von Plankton, Seepocken o.ä. aufweist. Auch diese Eigenschaft der Haifischhaut wird auf die Riefung der Schuppen zurückgeführt, die eine Anhaftung erschwert. Nach diesem Prinzip wurde ein Lackanstrich für Schiffe entwickelt, der einen Bewuchs vermindern soll (Anti-Fouling). Dieser Lack ersetzt vergleichbare giftige Lacke, verringert die Wartungszeiten und den Energieverbrauch (Kesel, 2005; www.haifischhaut.de).

Trockenhaftung

Geckos können auf nahezu allen Oberflächen laufen, egal ob horizontal, vertikal oder sogar auf dem Kopf. Dafür sondern sie jedoch kein Sekret, wie z.B. Fliegen oder Frösche, ab, sondern haften alleine durch die Nanostruktur, Millionen kleinster Härchen und ihre Verzweigungen, mithilfe von Van-der-Waals-Kräften. Hinzu kommt, dass sich diese Art von Haftung beliebig oft wiederholen lässt und die Strukturen selbstreinigend sind (Cerman et al., 2005; Hansen & Autumn, 2005). Künstliche Nanohaarstrukturen, inspiriert vom Geckofuß, zeigen, dass eine Trockenhaftung prinzipiell möglich und technisch umsetzbar ist. Bis zur Marktreife muss jedoch noch die Hürde der Produktionskosten genommen werden (Geim et al., 2003).

Bruchsichere Keramik

Perlmutt, das vor allem bei Muscheln und Schnecken vorkommt, besteht überwiegend aus spröden Aragonitplatten. Trotzdem ist es für Feinde sehr schwer eine Perlmuttschale zu zerbrechen. Ein kleiner Teil des Perlmutts besteht aus etwa 10 nm dünnen, weichen Proteinschichten, die als organische Matrix zwischen den Aragonitplatten liegen. Genau diese Schichten im Sandwichverbund bewirken, dass Perlmutt ein sehr bruchzäher, hochstabiler Werkstoff ist. Mithilfe der Schichtung von spröden, gegeneinander verschiebbaren Platten und dünnen, weichen Lagen können bruchsicherere Bauteile und kratzfeste Beschichtungen hergestellt werden (Kesel, 2005).

Selbstschärfendes (Industrie-)Messer

Nicht Verschleißverminderung, sondern Verschleißlenkung ist das Prinzip, das Nagetierzähne immer scharf bleiben lässt. Das Geheimnis liegt im Werkstoffsystem des Zahns. An der Vorderseite liegt eine dünne, harte, mikrostrukturierte Schmelzabdeckung auf dem darunterliegenden weichen Dentin. Durch die Abnutzung des Dentins bleibt eine scharfe Schnittkante zurück. Unter dem Namen RODENTICS werden Messer nach dem beschriebenen Prinzip entwickelt, die selbstschärfend und durch die Verschleißlenkung (scharfe Kante = geringe Schnittkräfte) verschleißärmer als herkömmliche Messer sind (www.rodentics.eu).

Transparente Wärmedämmung

Fell oder Haare als eine Art Oberflächenstruktur haben die Aufgabe das Lebewesen warm zu halten, indem Luft als Isolierschicht zwischen den Haaren und der Haut eingeschlossen wird. Die Haare von Eisbären sind darüber hinaus hohl, können daher noch mehr Luft halten und isolieren so zusätzlich. Außerdem gelangt das Sonnenlicht durch die Haare auf die schwarze Haut, wird dort absorbiert und als Wärme in der Fettschicht gespeichert. Dieses natürliche Isoliersystem war Vorbild für die transparente Wärmedämmung. Durch einen lichtdurchläs-sigen Glasputz fällt das Sonnenlicht auf eine Dämmschicht. Diese Schicht besteht aus übereinandergeschichteten Kunststoffkapillaren, die das Licht auf eine schwarze Schicht weiterleiten. Hier wird das Licht – wie auf der Eisbärhaut – absorbiert und die Wärme in der Mauer gespeichert (www.thema-energie.de).

Von der Natur zu bionischen Produkten

Schon umgesetzte bionische Produkte geben einen Einblick, wie die Natur bei der Findung von verbesserten Formen, Werkstoffen und Oberflächeneigenschaften ein guter Ideengeber sein kann. Anregungen findet man beinahe überall, ob beim Stöbern in Büchern und im Internet oder bei einem Spaziergang in der Natur. Faszinierend und erstaunlich sind zum Beispiel die Flügel von Insekten. Sie sind nicht nur unfassbar dünn und filigran aufgebaut, sondern haben auch nanostrukturierte Oberflächen, die die aerodynamischen Eigenschaften ver-bessern, wasser- und schmutzabweisende oder auch farbgebende Eigenschaften hervorrufen. Auch die Ein- und Ausfaltung der Flügel ist ein bemerkenswerter Mechanismus.

Pinguine, Wale und Fische sind durch ihre strömungsgünstigen Körper Paradebeispiele für bionische Entwick-lungen. Doch das sind nicht die einzigen Meeresbewohner, von denen man lernen kann. Häufig sind es die kleinen und unscheinbaren Tiere und Pflanzen, die die verblüffendsten Eigenschaften haben. Seepocken, See-Shnecken und Muscheln haben zum Beispiel Klebstoffe entwickelt, die auch unter Wasser aushärten und hal-ten (Kesel, 2005) und Seeigel können dank ihres besonderen, selbstschärfenden Kauapparates Algen von Ge-stein abschaben (Wang et al., 1997).

Die Liste der Vorbilder könnte noch endlos weitergeführt werden. Doch was macht man mit einem Phänomen aus der Natur? Wie kann das in die Technik übertragen werden? Mit diesen Fragestellungen eignet sich das Bottom-Up-Prinzip am besten. Hat man in der Natur einen spannenden Organismus oder eine bestimmte Ei-genschaft gefunden, muss in einem ersten Schritt das Phänomen untersucht werden. Wichtig ist dabei das Verstehen des zugrunde liegenden Prinzips. Ist das erkannt und beschrieben worden, muss es abstrahiert und vereinfacht werden, z.B. in mathematischen Modellen oder physikalischen Formeln. Mithilfe des abstrahierten Modells kann die technische Umsetzung erfolgen. Hier sind vor allem herstellungstechnische Fragen zu klären wie: Welche Materialien und Herstellungsverfahren eignen sich? Welche Formen und Größen sind technisch realisierbar? Sind diese und ähnliche Fragen geklärt und das technische Produkt hergestellt, steht einer Markteinführung nichts mehr im Wege.

Doch was ist, wenn schon ein Produkt vorhanden ist und dieses verbessert werden muss oder soll? Dann ist das Top-Down-Prinzip passender. Ausgehend von einem technischen Problem werden in der Natur Analogien gesucht. Sind Organismen mit möglichen Lösungen für das Problem gefunden worden, müssen – wie beim Bottom-Up-Prinzip auch – die entscheidenden Prinzipien verstanden und diese dann abstrahiert werden. Nach der Prüfung der technischen Umsetzbarkeit kann ein bionisch verbessertes Produkt hergestellt werden (www.biokon.de).

Egal aus welcher Richtung der Antrieb für ein bionisches Produkt kommt, Biologie und Technik müssen interdisziplinär zusammenarbeiten. Im ersten Moment erscheint das schwierig und kompliziert. Bioniker oder ähnlich interdisziplinär ausgerichtete Fachleute helfen jedoch über die ersten Verständigungsschwierigkeiten hinweg, sodass eine gemeinsame Arbeitsplattform geschaffen werden kann.

Im Vordergrund sollten bei bionischen Projekten immer der Mehrwert und die Chancen stehen, die diese Pro-dukte auf dem Markt bieten können. Das Innovationspotential ist groß, da die Natur material- und energieeffi-ziente, über Millionen von Jahren erprobte Lösungen bieten kann, auf die die Technik alleine nicht oder erst mit erheblicher Forschung und Aufwand gekommen wäre. Ein Umdenken von klein nach groß ermöglicht durch die geschickte Kombination von schon vorhandenen Materialien und deren Anordnung neue Eigenschaften. Phänomene, gerade im Bereich der Oberflächen, beruhen in der Natur in den meisten Fällen auf physikalischen Prinzipien. So können nicht nur durch die Ideen aus der Natur verbesserte oder ganz neue Eigenschaften realisiert werden, sondern auch ohne den Einsatz von giftigen Substanzen oder Chemikalien, wie z.B. die selbstreinigenden Oberflächen zeigen, ihre Wirkung entfalten. In einer Zeit, in der Umweltschonung und Energieeinspa-rung weitreichende Themen sind, kann die Bionik helfen innovative, ressourcenschonende Produkte zu entwickeln.

Bionik in Nordwestdeutschland

Die offizielle Geburtsstunde für die Bionik in Deutschland war die Gründung der Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik 1990 durch Werner Nachtigall. Seitdem hat sich viel in Deutschland getan. An Universitäten und Hochschulen hat die Bionik Einzug gehalten in Form von Seminaren oder sogar eigenständigen Studiengängen. Als erster rein bionischer Studiengang wurde der Internationale Studiengang Bionik an der Hochschule Bremen 2003 ins Leben gerufen. Doch ist das nicht die einzige Initiative in Nordwestdeutschland gewesen. Im Bereich Bionik ist der Nordwesten sehr gut aufgestellt mit zahlreichen Arbeitsgruppen rund um die Bionik in den unterschiedlichsten Institutionen und Forschungseinrichtungen. In diesen Zentren arbeiten Wissenschaftler eng mit Unternehmen zusammen, um bionische Produkte zu entwickeln und bis zur Anwendung zu bringen.

Institutionen in Nordwestdeutschland

• Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven:
  Forschungsthema Planktonbiomechanik und Bionik
  www.awi.de
• Deutsches Forschungszentrum für künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH (Standort Bremen)
  Robotics Innovation Center
  robotik.dfki-bremen.de
• Faserinstitut Bremen (FIBRE) e.V.
  Faserentwicklung/ -bionik
  www.faserinstitut.de
• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen:
  Bereich Klebtechnik und Oberflächen
  www.ifam.fraunhofer.de
• Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Oberhausen:
  Geschäftsfeld Werkstoffe und Interaktion, Themenschwerpunkt Bionik und Haptik
  www.umsicht.fraunhofer.de
• Hochschule Bremen:
  Bionik-Innovations-Centrum (B-I-C)
  www.bionik.fbsm.hs-bremen.de
• Universität Bremen:
  Fachgebiet 10, Fachbereich Produktionstechnik, Industrial Ecology, Gestaltung und Entwicklung
  www.tecdesign.uni-bremen.de
• Westfälische Wilhelms-Universität Münster:
  Institut für Technik und ihre Didaktik – Bionikzentrum und Bionik-Projekte
  www.frag-die-natur.de