Leseprobe Belzer Bionik - Deutsche Akademie für Kinder

Sigrid Belzer, geboren 1972, ist Diplom-Geologin
und beschäftigt sich bereits seit ihrem Studium
mit der Vermittlung von Naturwissenschaften
an Schüler, Lehrer und interessierte Laien.
Sie entwickelt und leitet Bionik-Veranstaltungen
für Kinder, verfasst Unterrichtsmaterialien und
erfindet auch mal Spiele, Modelle und Bastelsets,
um Bionik verständlich zu machen.
Peter Nishitani, geboren 1970, studierte Illustration
an der Fachhochschule Hamburg.
Er hat schon viele Bücher und auch Spiele illustriert
und arbeitet für verschiedene Zeitschriften.
Peter Nishitani lebt und arbeitet in Hamburg.

Sigrid Belzer
Mit farbigen Illustrationen von Peter Nishitani
Bionik für Kinder
Fischer Schatzinsel

Fischer Schatzinsel
www.fischerschatzinsel.de
Die Durchführung der in diesem Buch beschriebenen Experimente
erfolgt auf eigene Verantwortung. Trotz sorgfältiger Auswahl der
Experimente können die Autorin und der Verlag nicht ausschließen,
dass einzelne Experimente nicht wie beschrieben gelingen.
Die Haftung für das Gelingen der Experimente und mögliche Schäden
bei ihrem Fehlschlagen wird ausgeschlossen.
Für alle
Neugier nasen
2. überarbeitete Auflage: August 2010
© S. Fischer Verlag GmbH, Frankfurt am Main 2010
Lektorat: Ilona Einwohlt, Weiterstadt
Fotonachweis für den Innenteil am Ende des Buches
Umschlaggestaltung: bilekjaeger
Umschlagfotos: © photocase, Corbis
Gestaltung der Innenseiten: KOKOM Kommunikation GmbH, Darmstadt
Druck und Bindung: CPI – Ebner & Spiegel GmbH, Ulm
Printed in Germany
ISBN 978-3-596-85389-2

I nhalt
BIONIK – Erfindungen der Natur 9
Was wir von der Natur lernen können 11
Bionik – Biologie und Technik 15
Gezielte Suche in der Natur oder: das »Top down«-Prinzip 18
Von der Natur in die Technik oder: das »Bottom up«-Prinzip 28
Ideenkiste Natur 38
Der Traum vom Fliegen 40
Am Anfang war der Vogel 42
Entwicklung zu modernen Flugzeugen 50
Warum ein Flugzeug fliegt 59
Bionik im Aufwind 64
Wie ein Fisch im Wasser 76
Die Tricks der Schwimmspezialisten 78
Auf die (Antriebs-)Technik kommt es an 86
Oberflächen im Wasserstrom 102
Wenn Roboter laufen lernen 112
Roboter helfen Menschen 114
Bionische Roboterarme 123
Bionische Laufroboter 135
Roboterfußball: sehen und gesehen werden 143
Sensoren und Kommunikation 148
Bionische Sensoren 158

Haften, kleben, reinigen 164
Vielseitige Oberflächen 166
Haltemechanismen von Insekten 178
Sandsturmerprobte Wunderechse 184
Fleißige Bienen sammeln im Dienst der Umwelt 192
Die Wasserspinne – Wasserbad mit Taucherglocke 198
Nie mehr waschen – die Tricks der Lotuspflanze 204
Formstabile Wunderbauten 216
Von der Natur inspiriert 219
Der passende Baustoff für jedes Haus 221
Stabile Gebäude nach Vorbild der Natur 227
Eine Hülle für die Luft 234
Stabilität durch Knicke 242
Materialien im Verbund 250
Verbundmaterial Pflanzenhalm 254
Leicht, stark, optimiert 260
Immer besser 262
So stabil wie ein Grashalm 265
So stark wie ein Baum 269
Knochen – so leicht wie möglich und so fest wie nötig 281
Bionisch optimierte Fahrzeugteile 288

Clevere Energiesparer 294
Wie der Eisbär sich den Rücken wärmt 296
Solarzellen – Strom aus der Sonne 308
Energiesparende Klimaanlagen 314
Wasser trinken wie der Nebeltrinker-Käfer 321
Energiepolitik 328
Bionik – unendlich viele Ideen 330
Fortschritt durch Wissen 332
Sprung in die Zukunft 342
Anhang 344
Register 346
Bildnachweis 349
Danksagung 350
Infobox
Experimente zum Mitmachen

Bionik
Erfindungen
der
Natur
Im täglichen Kampf ums Überleben müssen
sich Tiere und Pflanzen immer wieder ihrer
veränderten Umgebung anpassen.
Im Laufe der Evolution hat die Natur dabei
erstaunliche Tricks entwickelt.

Der Webervogel baut kunstvolle
stabile Nester aus Pflanzenhalmen.

Was wir von der Natur lernen können
11
Fliegen wie ein Vogel, schwimmen wie ein Fisch, klettern wie ein
Gecko – es gibt viele Dinge, die uns Menschen an der Natur faszinieren
und die wir selbst gerne können würden. Bionik bedeutet, vereinfacht
gesagt, sich etwas von den Lebewesen abzuschauen und in
die Technik zu übertragen.
Du wirst in diesem Buch lesen, was die Flugzeugbauer vom Vogel gelernt
haben, wieso es Roboter gibt, die Fußball spielen, und warum
manche Pflanzen immer sauber bleiben.
Das besondere Etwas
Die Natur steht Pate für viele tolle Erfindungen. Es gibt viel Spannendes
zu entdecken, denn Pflanzen und Tiere haben sich über viele
Millionen Jahre entwickelt und dabei oft erstaunliche Eigenschaften
herausgebildet. Schließlich kämpfen sie täglich um ihr Überleben und
den Fortbestand ihrer Art. Deshalb sind auf der Erde unzählige Arten
entstanden. Jede davon hat eine Besonderheit, die einen Vorteil gegenüber
den anderen Arten bietet, zum Beispiel weil ein Tier durch
einen bestimmten Körperbau weniger Energie zum Rennen, Fliegen
oder Schwimmen braucht oder weil eine Pflanze mit nur wenig Baumaterial
besonders stabil ist und sich deshalb gegen andere Arten
durchsetzen kann.
Auch wir wollen mit möglichst wenig Energie Auto fahren oder unsere
Häuser stabil und aus günstigen Materialien bauen – daher untersuchen
die Bioniker, was wir uns von Tieren und Pflanzen für unsere
technischen Probleme abschauen können.

12
Es war einmal das Urpferdchen
Wie sich Lebewesen im Laufe der Evolution entwickeln und ihren Körperbau
verändern, können wir zum Beispiel anhand mancher Fossilien erkennen.
Das sind versteinerte Überreste von Pflanzen, Tierskeletten oder Gehäuseschalen,
wie die der Ammoniten, die du im Kapitel »Wie ein Fisch im Wasser«
kennenlernen wirst. Durch die Erforschung urzeitlicher Tiere können wir einen
Blick in die Vergangenheit werfen und ihr Aussehen und ihren Entwicklungsstand
mit den heutigen Arten vergleichen. Das hilft uns, die Evolution besser
zu verstehen. Die Anpassungen an den Lebensraum können manchmal in
den Skeletten der Lebewesen erkennbar werden. So ist es zum Beispiel auch
beim sogenannten Urpferdchen im Vergleich zu unseren heutigen Pferden.
Die Urpferdchen-Fossilien aus der Fossilienfundstätte Grube Messel bei
Darmstadt sind etwa 47 Millionen Jahre alt. Zur damaligen Zeit herrschte bei
uns ein anderes Klima als heute, weil es insgesamt auf der Erde wärmer war
und Europa ein bisschen weiter südlich lag. So kam es, dass es zu Lebzeiten
der Pferdchen einen tropischen Regenwald gab – hier im heutigen Deutschland
lebten sogar Krokodile! Fossilien können wir in der Grube Messel finden,
weil die Urpferdchen und andere Tiere und Pflanzen dort damals in einen tiefen
See fielen oder darin lebten und teilweise erhalten sind. Die Urpferdchen
waren nur etwa so groß wie Hunde. Dadurch, dass sie so klein waren, konnten
sie sich gut im Regenwald bewegen und schnell verstecken, wenn Gefahr
durch Raubtiere drohte. Schauen wir uns ihre Anpassung an einen veränderlichen
Lebensraum am Beispiel der Füße an: Der Boden im Regenwald war
weich, und die Urpferdchen hatten gut angepasste Füße. Diese bestanden nicht
aus einem starken Zeh mit einem großen Huf, wie du es von heutigen Pferden
kennst, sondern sie hatten mehrere kleine Zehen mit Mini-Hufen, die ihnen
auf dem Waldboden guten Halt boten. Als das Klima sich langsam veränderte
und es auf der Erde kühler wurde, verkleinerten sich die Regenwälder, und
entsprechend wandelte sich der Lebensraum der Tiere nach und nach in offene
Graslandschaften und Steppen.
Das Pferdeskelett, vor allem die Beine und Füße, passte sich dem härteren
Untergrund in den Steppen an. Während der Mittelzeh sich nach und nach verstärkte,
bildeten sich die anderen Zehen zurück. Den Mittelzeh kennen wir beim
heutigen Pferd als Fuß mit einem dicken Huf. Aus den kleinen, mehrzehigen
Pferdchen entwickelten sich über viele Generationen hinweg langbeinige, auf
starken Hufen laufende Pferde, wie du sie heute kennst.

Das Urpferdchen war an einen
anderen Lebensraum angepasst
als die heutigen Pferde.

14
Veränderliche Bedingungen in der Natur
Die Vorteile und Besonderheiten der Tier- und Pflanzenarten entwickeln
sich seit vielen Millionen Jahren von Generation zu Generation
immer ein wenig weiter. Denn die Tiere und Pflanzen passen sich
an die Bedingungen ihres Lebensraumes an. Und dieser Lebensraum
kann sich ständig verändern: Im Laufe der Erdgeschichte haben sich
das Klima und damit die Lebensbedingungen in allen Regionen der
Erde immer wieder gewandelt.
So konnte aus einer üppigen Graslandschaft eine karge Steppe werden
oder aus einem tropischen Regenwald eine kühle Region. Für Tiere
und Pflanzen bedeutet dieser stetige Wechsel von Temperatur, Licht,
Wasser und Nahrungsangebot, dass sie im Kampf um ihren Platz in
der Nahrungskette immer neue Probleme lösen müssen. Ihre Körper
und Fähigkeiten passen sich im Laufe der Evolution an die sich ändernden
Lebensumstände an. Wenn ihnen das nicht gelingt, können
sie unter Umständen aussterben wie die Dinosaurier.
Von den Anpassungen der Pferde könnten wir zum Beispiel lernen,
auf welche Art sich ein Roboter auf einem weichen oder auf einem
harten Boden fortbewegen könnte – die unterschiedliche Stellung und
die Anzahl der Zehen wären vielleicht die Lösung, damit der Roboter in
weichem Boden nicht einsinkt, sondern stabil laufen kann. Kommt er
in eine Gegend mit härterem Untergrund, könnte er seine Zehen zusammenklappen
und einen einzigen festen Fuß benutzen! Das ist nur
ein kleines Beispiel für etwas, was wir uns aus der Natur für die Technik
abschauen könnten. Die Erforschung der Natur hilft manchmal,
die Technik zu verbessern.

Bionik – Biologie und Technik
15
Bionik ist eine Wissenschaftsdisziplin, in der Biologen und Ingenieure
Erkenntnisse aus der Natur nutzen, um technische Probleme zu lösen.
Diese Zusammenarbeit zwischen Biologen und Technikern bringt
auch das Wort Bionik zum Ausdruck: Es setzt sich aus den Begriffen
Biologie und Technik zusammen. Biologie ist ein griechisches Wort
(bios = Leben und logos = Lehre) und bedeutet übersetzt »Lehre vom
Leben«. In dieser Naturwissenschaft geht es um Pflanzen, Tiere und
den menschlichen Körper. Biologen erforschen, wie Lebewesen aufgebaut
sind, wie sie zusammenleben, sich verhalten und warum sie so
aussehen, wie sie aussehen. All diese Eigenschaften hängen oft sehr
eng mit ihrem jeweiligen Lebensraum zusammen.
Mit dem Begriff Technik bezeichnet man alle Geräte, Maschinen und
Hilfsmittel, die wir Menschen bauen und gebaut haben, um uns das
Leben leichter zu machen. Diese Erfindungen können groß sein wie
Flugzeuge oder Autos oder eher klein wie spezielle Klebebänder oder
Computerchips.
In der Bionik arbeiten Biologen und Techniker eng zusammen. Die Biologen
erforschen dabei, wie bestimmte Dinge in der Natur grundlegend
funktionieren, und die Ingenieure haben die Aufgabe, dieses Wissen in
der Technik anzuwenden. So können ganz neue Erfindungen gemacht
oder ältere Ideen verbessert werden. Einer der wichtigsten Bioniker in
Deutschland ist Professor Werner Nachtigall, der viele Jahre das deutsche
Bionik-Kompetenz-Netzwerk BIOKON leitete. In diesem Netzwerk
haben sich Wissenschaftler und Ingenieure zusammengeschlossen,
um ihr Wissen miteinander zu teilen und gemeinsam zu arbeiten.

16
RatNic ist ein bionischer Roboter, dessen Bewegungsapparat
kletternden Tieren nachempfunden ist.
Was der Mensch verbessern will
Ingenieure und Erfinder haben ständig neue Ideen. Sie erfinden Dinge,
die zwar nicht immer überlebensnotwendig, aber praktisch sind, wie
Schuhe ohne Schnürsenkel, leichtere Fahrräder, schnellere Autos oder
bunte Radiergummis. Sie verbessern unseren Alltag, unser Leben
wird dadurch komfortabler und schöner. In manchen Fällen sind wir
jedoch auch einfach abhängig von der Technik, wie bei der Zubereitung
von Nahrung und in der Medizin. Dabei stellt sich uns immer wieder

17
die schwierige Frage: Wie können wir Dinge produzieren, ohne dabei
unnötig Rohstoffe oder Energie zu verschwenden Auch wir Menschen
müssen uns ja an unsere Umwelt anpassen, oft ist es leider so, dass die
Umwelt unter uns und unseren vielen technischen Erfindungen leidet.
Das soll in Zukunft anders werden! Der Klimawandel und unsere
knapper werdenden Rohstoffe stellen uns vor neue Herausforderungen.
Um unser Überleben zu sichern und die unterschiedlichen Ökosysteme
der Erde nachhaltig zu schützen, geht es in Forschung und
Technik vor allem darum, neue Ideen und umweltfreundliche Lösungen
für verschiedene technische Probleme zu finden. Kann man Autos
bauen, die unsere Umwelt nicht verschmutzen Wie kann man Roboter
so programmieren, dass sie uns im Alltag helfen Wie können Schiffe
und Flugzeuge schnell, aber energiesparend Menschen und Waren
transportieren Wie kann man Brücken und Häuser mit möglichst
wenig Material bauen, ohne dass sie dabei an Stabilität verlieren
Wie kann man Energieformen nutzen, die in großen Mengen vorhanden
sind, zum Beispiel Wasser-, Wind- und Sonnenenergie
Die Bionik gibt auf diese Fragen oft völlig überraschende wie faszinierende
Antworten, auf die die Wissenschaftler und Ingenieure erst
durch genaues Beobachten der Natur kommen. Alle Lebewesen mit
ihren besonderen Eigenschaften können Vorbild für technische Erfindungen
sein. Um den Tricks der Natur auf die Spur zu kommen, gibt es
in der Bionik zwei Methoden: Entweder suchen die Bioniker gezielt in
der Natur nach einer Lösung für ein Problem, oder sie entdecken zufällig
etwas in der Natur, was so spannend ist, dass sie es in die Technik
übertragen möchten. Schauen wir uns diese beiden Möglichkeiten
genauer an. Was ist zum Beispiel bei der gezielten Suche nach Ideen
aus der Natur bereits erfunden worden Und welche Erfindungen verdanken
wir »Professor Zufall«

Gezielte Suche in der Natur oder: das »Top down«-Prinzip
Sucht ein Ingenieur für ein technisches Problem ganz gezielt
nach einer Lösung in der Natur, arbeitet er nach dem sogenannten
»Top down«-Prinzip (englisch für »von oben nach
unten«). Dafür muss er zunächst wissen, welche Lebewesen
eine Lösung für ein Problem bieten, das seinem technischen
Problem ähnelt. Er kann dazu einen Biologen um
Rat fragen. Gemeinsam bilden sie dann ein Bionik-Team
und suchen nach Ähnlichkeiten von Form, Funktion oder anderen
Eigenschaften zwischen Natur und Technik – solche
Ähnlichkeiten bezeichnet man als Analogien.
Wenn du zum Beispiel ein Flugzeug bionisch verbessern möchtest,
dann suchst du ein Vorbild aus der Natur, das ebenfalls fliegen kann,
wie Storch, Möwe oder Flugsamen, und untersuchst, was du von diesem
Tier oder der Pflanze lernen kannst. Das haben schon viele Erfinder
getan, und du lernst in diesem Buch noch einige Beispiele für
zum Teil halsbrecherische Flugapparate kennen, die nach natürlichen
Vorbildern gebaut wurden.
Wenn du ein Bioniker bist, nutzt es dir vermutlich wenig, einen Maulwurf
anzuschauen, um die Flugeigenschaften deines Flugzeugs zu
optimieren. Aber weil der Maulwurf hervorragend graben kann, sind
seine Krallen vielleicht die perfekte Fundgrube für neue Formen von
Baggerschaufeln. Der Entenfuß sieht der Schwimmflosse auf dem Titelbild
ähnlich. Das bedeutet nicht, dass die Schwimmflosse erfunden
wurde, weil es Entenfüße gibt, und Baggerschaufeln sind auch ohne
Maulwurf-Unterstützung gebaut worden. Aber Entenfuß und Maul-

19
wurfkralle haben ähnliche Formen und Funktionen wie die Schwimmflossen
oder Baggerschaufeln und könnten deshalb als Vorbild für
eine technische Verbesserung dienen.
Die Maulwurfkralle
könnte das Vorbild für
eine verbesserte Baggerschaufel
sein.

20
Analogien zwischen Natur und Technik
Maulwurfkralle und Baggerschaufel sind ein Analogienpaar, denn sie
haben ähnliche Funktionen – beide eignen sich besonders gut zum Graben.
Schwimmflossen ähneln den Füßen von Enten. Sie verdrängen
durch ihre große Fläche viel Wasser, und Enten wie auch Taucher können
deshalb schnell damit schwimmen. Der Tintenfisch hat an seinen
Armen Saugnäpfe, mit denen er sich und seine Beute festhalten kann.
Uns dienen Saugnäpfe aus Kunststoff dazu, Dinge auf glatten Oberflächen
zu befestigen, wie der Handtuchhalter im Badezimmer. Vögel
benutzen ihren Schnabel wie der Mensch seine Hand. Sie können damit
ihre Nahrung festhalten oder Nüsse knacken. Und der Mensch benutzt
Pinzetten, Zangen oder Nussknacker, die oft eine ganz ähnliche Form
haben wie ein Schnabel.

21
Das heißt natürlich nicht, dass der Nussknacker nur erfunden werden
konnte, weil es Vögel gibt, die mit ihrem Schnabel Nüsse aufknacken
können! Die Menschen haben sich zwar viele Ideen in der Natur geholt,
aber die meisten Geräte haben sie wahrscheinlich entwickelt, ohne dabei
viel über Tiere oder Pflanzen nachzudenken, und das wird sicher
auch so bleiben. Die Bionik bietet zusätzliche Möglichkeiten, um die bestehende
Technik zu verbessern oder auf ganz neue Ideen zu kommen.
Ähnlichkeiten zwischen
Natur und Technik
nennt man Analogien.
Von der Katzenpfote zum Autoreifen
Ein Beispiel, bei dem die gezielte Suche nach einer Lösung im Naturreich
erfolgreich war, ist die bionische Verbesserung eines Autoreifens der
Firma Continental. Reifen sollen zwar einerseits besonders gut rollen,
aber auch ihr Bremsverhalten ist überaus wichtig. Die Reifen-Ingenieure
fragten ihre Kollegen aus der Biologie um Rat, um ein Lebewesen

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zu finden, das ihnen als Vorbild dienen könnte, weil es beide Eigenschaften
vereint. Es sollte einerseits in seinen Bewegungen schnell
und wendig sein, andererseits aber auch sehr gut abbremsen. Sie
stellten fest, dass Katzen genau das besonders gut können. Aber wie
machen die Katzen das
Katzenpfoten sind ganz schmal, wenn die Katze rennt, und verbreitern
sich, wenn sie stoppt – dadurch bekommen die Pfoten mehr Bremsfläche.
Dieses Prinzip haben die Entwickler auf ihren Autoreifen übertragen.
Der Reifen verbreitert sich jetzt stärker als herkömmliche
Reifen, wenn das Fahrzeug bremst, dadurch wird der Bremsweg sehr
viel kürzer. Eine solche Verbesserung nennt man übrigens auch Optimierung.
Die Pfoten der Katze verbreitern sich, wenn sie abbremst. Das Prinzip der verbreiterten
Bremsfläche haben Ingenieure auf den Katzenpfotenreifen übertragen.

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Streuer gesucht
Ein weiteres Beispiel für das gezielte Suchen einer Lösung in der Natur
führte zu einer Erfindung nach Vorbild einer Pflanze. Im Jahr 1920 hatte
der österreichisch-ungarische Wissenschaftler Raoul Francé ein Problem,
das ihn intensiv beschäftigte: Bei seinen Forschungen zur Fruchtbarkeit
von Ackerböden wollte er Kleinstlebewesen, sogenannte Mikroorganismen,
möglichst gleichmäßig auf einer Bodenprobe verteilen, um
zu testen, wie sich diese auf die Ernte auswirken. Als Wissenschaftler
untersuchte er das aber nicht auf dem Acker, sondern in seinem Labor.
Er baute also den Acker im kleinen Maßstab nach.
Im Gegensatz zur freien Natur, wo es mal regnet, hagelt oder wochenlange
Trockenheit herrscht, kann man im Labor die Versuchsbedingungen
immer gleich halten und dann gezielt bestimmte Bedingungen
verändern. So kann man genau erforschen, welche Einflüsse die
einzelnen Veränderungen, wie zum Beispiel die Regenmenge oder die
Menge von Dünger, auf das Ergebnis haben.
Francé überlegte sich, dass es sicher am besten funktionieren würde,
die Mikroorganismen auszustreuen, um sie gleichmäßig auf der Bodenprobe
zu verteilen. Er testete deshalb einige ihm bekannte Streugeräte
wie einen Salzscheffel, einen Puderstreuer, wie ihn damals
Ärzte benutzt haben, und einen Zerstäuber. Dabei stellte er sehr unzufrieden
fest, dass sie ungleichmäßige Reihen oder Flecken streuten,
nichts funktionierte wirklich gut. Also überlegte er gezielt – heute
würde man sagen: nach dem »Top-down«-Prinzip –, welche Pflanzen
und Tiere ein feines Pulver oder eine größere Menge kleiner Teilchen
gut verstreuen können. Besonders interessant erschien ihm, wie verschiedene
Pflanzen ihre Samen durch den Wind verteilen lassen.

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Die Ausbreitung von Pflanzensamen kann auf ganz verschiedene Arten
stattfinden: Sie können einfach hinunterfallen wie Eicheln und
Kastanien, sie können rotieren wie Ahornsamen oder segeln wie Flugsamen,
deren Flugtechnik Menschen zu Fluggeräten inspiriert hat,
wie du im Kapitel »Der Traum vom Fliegen« noch lesen wirst. Als perfektes
Vorbild für seinen Streuer fand der Wissenschaftler schließlich
die Mohnkapsel.
In einer Mohnkapsel bilden sich kleine, schwarze Mohnsamen, wie du
sie von deinem Mohnbrötchen kennst. Wenn sie reif sind, trocknet die
Kapsel aus und öffnet kleine Löcher unter ihrem Deckel.
Wird der Pflanzenstiel dann vom
Wind hin- und herbewegt, fallen
die Mohnkörnchen durch die kleinen
Öffnungen am oberen Rand
der Mohnkapsel hinaus und werden
so in der Umgebung verteilt.
Die Mohnkapsel
verstreut ihre Samen
durch die kleinen Öffnungen
am Deckelrand.
Raoul Francé kopierte die Bauweise
der Mohnkapsel und entwickelte
auf diese Weise einen neuartigen
Streuer, mit dem er seinen
Laborversuch erfolgreich durchführen
konnte.
Francé nannte diese Methode,
sich gezielt Mechanismen aus der
Natur für die Technik abzuschauen,
»Biotechnik« und meldete den
Mohnkapselstreuer zum Patent an.

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Streuversuche
Baue Francés Versuch nach und teste, wie unterschiedliche Streuer ihren
Inhalt verteilen. Der Wissenschaftler zeichnete sich dazu ein Raster
auf und zählte, wie viele Körnchen jeweils in die Kästchen gefallen sind.
Je besser der Streuer funktionierte, desto gleichmäßiger konnte er die
Körnchen verteilen.
Welche Arten von Streuern kennst du Ist jeder Streuer für jedes Streumittel
geeignet Teste, wie sich Zucker, Gewürze, Glitter, Puder oder Sand aus
einem Salzstreuer streuen lassen. Erfinde einen neuen Streuer für Puderzucker.
Finde heraus, wie du zum Beispiel Zucker und Zimt in unterschiedlichen
Mustern auf deinen Milchreis streuen kannst.
Hinweis: Die Streuer, die du testest, musst du nach Gebrauch reinigen.
Fülle nichts in Lebensmittelstreuer, was nicht essbar ist! Nicht zum Experimentieren
geeignet sind Putzmittel zum Streuen, Dünger oder Ameisengift.
Am besten besprichst du deinen Versuch vorher mit einem Erwachsenen.
Streuexperiment
von Raoul Francé

Die Mohnkapsel diente als Vorbild für einen Spezial-Streuer für Laborversuche.
Seine Erfindung war damit das erste »bionische« Patent in Deutschland.
Ein Vorbild für unseren heutigen Salzstreuer war der Mohnkapselstreuer
wohl nicht, auch wenn dies manchmal vermutet wird. Unser
Salzstreuer hat nämlich die Löcher oben im Deckel und nicht auf der
Seite, damit das Salz zielgenau auf das Frühstücksei gestreut werden
kann und nicht weitflächig verteilt wird, wie es Francés Ziel war.
Fortschritt durch Dokumentation
In der Wissenschaft ist es wichtig, sich Dinge, die man herausgefunden hat,
für die nächsten Versuche zu merken. Auch wenn man sein Wissen anderen
Menschen zur Verfügung stellen will, ist es hilfreich, seine Versuchsergebnisse
genau festzuhalten, also zu zeichnen oder zu beschreiben.
Du kannst beschreiben, welche deiner Streuer sich am besten eignen und
welche Probleme bei deinen Versuchen auftraten. Wie wichtig es ist, dir genau
aufzuschreiben, was du wie erforscht und herausgefunden hast, lässt
sich an einem einfachen Beispiel erklären: Wenn du einen sehr leckeren
Kuchen backst und aufisst, kannst du natürlich hinterher sagen, dass du
einen wirklich leckeren Kuchen gemacht hast, aber beweisen kannst du es
nicht. Wenn du nicht aufschreibst, ob du zwei oder zehn Eier genommen

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hast, und was du damit gemacht hast, kannst du den Kuchen vielleicht nicht
noch einmal backen. Beim Backrezept ist wichtig, wie viel Gramm Mehl,
Zucker, Butter und Nüsse du genommen und in welcher Reihenfolge du die
Zutaten zusammengerührt hast.
Genauso ist es in der Wissenschaft: Um festzuhalten, was du untersucht hast
und was dabei herausgekommen ist, musst du deine Versuchsergebnisse
aufschreiben. Das Dokumentieren hat den Vorteil, dass du nichts vergisst
und andere einfach nachlesen können, was du zusammengerührt hast, ohne
dass du es ihnen erklären musst.
In Wissenschaft und Forschung sind nur auf diese Weise die Ergebnisse für
andere Wissenschaftler und für Ingenieure nachvollziehbar. Die Experimente
können dann von dir und anderen weiterentwickelt werden und die Grundlage
für neue Erfindungen und Entdeckungen sein.
Echte Forscher befolgen allerdings nicht nur vorgegebene Versuchsanleitungen,
sondern sind immer auf der Suche nach neuen Fragen, denen sie
nachgehen können. Sie probieren in der gebotenen Vosicht die verrücktesten
Sachen aus, weil sie so neugierig sind und wissen wollen, wie alles Mögliche
funktioniert. Und genau dadurch entsteht technischer Fortschritt!
Besonders gut ist es, wenn du dir ein Forscherheft anlegst, in dem du deine
Experimente, Ergebnisse und Ideen für weitere Forschungen zusammenträgst.

Von der Natur in die Technik oder: das »Bottom up«-Prinzip
Katzenpfotenreifen und Mohnkapselstreuer sind Beispiele für das
»Top down«-Prinzip, die gezielte Suche nach Lösungen für ein Problem.
Eine zweite Methode, mit der Bioniker arbeiten, nennt man
»Bottom up«-Prinzip (englisch für »von unten nach oben«). So wird
die Entwicklung einer Erfindung bezeichnet, die darauf beruht, dass
ein Biologe etwas herausfindet, was in der Technik verwendet werden
könnte. Dazu wird das biologische Prinzip zuerst gründlich erforscht
und dann in Zusammenarbeit mit Ingenieuren auf eine technische
Fragestellung übertragen. Ein Beispiel dafür ist der sehr
bekannte Lotus-Effekt.
Saubere Pflanzen
Der Grund für die stets saubere Oberfläche der Lotusblätter wurde
von Biologen der Universität Bonn entdeckt. Die Blätter und Blüten
ihrer Pflanzensammlung mussten mit Wasser vom Staub befreit
werden, weil die Forscher deren Oberflächen unter besonders starken
Mikroskopen untersuchen wollten. Dabei machten sie eine Entdeckung,
die weitreichende Folgen hatte: Sie stellten fest, dass es Pflanzen
gibt, die wie von selbst sauber werden. Von ihren Blättern scheint der
Schmutz zu »verschwinden«, kaum dass sie mit einem Tropfen Wasser
in Berührung kommen! Das weckte natürlich das Interesse der
Wissenschaftler, und nach genauer Untersuchung fanden sie heraus,
warum manche Blätter diesen Selbstreinigungseffekt haben und andere
nicht. Das hängt mit den speziellen Eigenschaften dieser Blattoberflächen
zusammen, die du im Kapitel »Haften, kleben, reinigen«
noch genauer kennenlernen wirst.

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Manche Blattoberflächen
werden nicht nass, das
Wasser perlt sofort ab und
reinigt das Blatt dabei von
Verschmutzungen.

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Mit ihrer Beobachtung wandten sich die Wissenschaftler an verschiedene
Firmen. Sie hatten die Vermutung, dass ein solcher Selbstreinigungseffekt
auch für uns Menschen nützlich sein könnte. Stell dir
vor, du hättest ein sich selbst reinigendes T-Shirt! Oder Schuhe, die
du nie putzen musst, das wäre doch toll! Deswegen suchten die Biologen
jemanden, der ein technisches Produkt mit ihnen entwickeln
und herstellen wollte. Zuerst glaubte niemand recht an diese Idee,
aber dann fand das Forscherteam einen Hersteller. Inzwischen gibt es
zwar immer noch keine Kleidung, die sich von ganz alleine reinigt, aber
Hunderttausende von Häusern, die mit einer selbstreinigenden Farbe
gestrichen sind. Doch davon später mehr.
Interessante Haken an der Sache: die Klette
Ein weiteres Beispiel für eine »Bottom-up«-Erfindung ist der Klettverschluss,
den du bestimmt von deinen Schuhen oder Taschen kennst.
Das Vorbild dafür stammt, wie könnte es anders sein, aus der Natur.
Es ist nicht schwer zu erraten: Das natürliche Vorbild für den Klettverschluss
war die Klette. Die Klette bildet kleine, stachelige Bälle,
die sich im Fell von Tieren oder auch an unseren Kleidern festhaken,
wenn man die Pflanze streift. Doch warum klettet sie sich fest Sie verbreitet
so ihre Samen in der Umgebung, damit viele neue Klettpflanzen
wachsen können. Es ist eine ziemlich fitzelige Angelegenheit, diese
Klettfrüchte wieder zu entfernen, und meistens kletten sie sich an der
nächsten haarigen Oberfläche sofort wieder fest. Genau diese Eigenschaft
sorgte 1941 für die geniale Erfindung des Klettverschlusses.
Der Schweizer Ingenieur George de Mestral war vollkommen technikbegeistert
und außerdem ein leidenschaftlicher Jäger. Er hatte einen
Hund, der ihn auf seinen Streifzügen stets begleitete. Nach den Spaziergängen
musste er jedes Mal die Klettfrüchte von seinen Kleidern

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Haken einer Klettfrucht
Fruchtstände der Klette im Hundefell

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und aus dem Fell seines Hundes entfernen. Weil de Mestral ein neugieriger
Tüftler und Erfinder war, untersuchte er die Kletten genauer.
Er wollte wissen, warum Kletten so hartnäckig haften können.
Er fand die Antwort unter dem Mikroskop: Die Kletten haben kleine,
elastische Widerhaken, die sich an haarigen Strukturen gut festhalten
können. Zieht man an ihnen, biegen sich die kleinen Haken auf und
nehmen danach wieder ihre ursprüngliche Form an. Oft reißen die Haken
beim Ablösen auch einfach ab. Glücklicherweise hat eine Klette
genügend Haken, um sich immer wieder neu festzuhaken.
Mikroskopaufnahme Klettverschluss

33
Vom Hundefell zum Klettverschluss
Diese Eigenschaft der Klette faszinierte de Mestral dermaßen, dass er
sie in die Technik übertragen und einen textilen Verschluss nach dem
Prinzip der Klette entwickeln wollte. Der Verschluss sollte aus Haken
und Schlaufen bestehen, die sich beim Aufeinanderlegen ineinander
verhaken, sich aber auch wieder voneinander lösen können. Er besprach
diese Idee mit vielen Experten für Textilien, doch alle schüttelten
die Köpfe über sein Anliegen, denn so einen seltsamen Stoff hatten
sie noch nie gewebt. Nach langem Suchen fand de Mestral endlich einen
Weber, der an seinem Webstuhl die ersten Klettverschlussstücke
Von der Erfindung zum Patent
Wenn jemand eine Erfindung gemacht hat, kann er sie beim Patentamt in
München als Patent anmelden. Damit kann er dafür sorgen, dass er zwanzig
Jahre lang entscheiden darf, was mit seiner Idee passiert und wer damit Geld
verdienen darf. Eine Patentanmeldung ist ziemlich kompliziert und teuer. Die
Erfindung kommt aber auf diesem Wege aus dem Labor oder der Werkstatt
in die Öffentlichkeit. Jeder kann die Beschreibungen lesen, und sie können
ab diesem Zeitpunkt anderen als Grundlage für weitere Forschungen und
Erfindungen dienen. Beim Patentamt findet man also auch Informationen
darüber, welche Dinge andere Leute erfunden haben.
Wenn du eine Erfindung machst und irgendwann zum Patent anmelden
möchtest, hast du eine ganze Reihe von Aufgaben vor dir. Zuerst musst du
natürlich eine gute Idee haben, aber das wird für dich nach dem Lesen dieses
Buches wahrscheinlich kein Problem sein! Die Idee zu deiner Erfindung
kannst du aufschreiben, aufmalen oder ein kleines Modell davon bauen. Wer
sein Patent vermarkten will, braucht meistens zuerst ein erstes Probestück
von seiner Erfindung, einen sogenannten Prototyp. Damit kann er auf die
Suche nach jemandem gehen, der das neue Produkt herstellt und verkauft.
George de Mestral meldete sein erstes Patent übrigens schon im Alter von
12 Jahren an, er hatte ein neuartiges Modellflugzeug erfunden.

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anfertigte. Nach dem Vorbild der Natur war ein neuartiger Verschluss
entstanden, der sich leicht und schnell öffnen und schließen ließ – und
das beliebig oft.
George de Mestral meldete seine Erfindung zum Patent an und gab
ihr den Namen Velcro ® (Velour = franz. Schlaufe, Flausch oder Samt;
Crochet = Haken). Diese Firma gibt es noch heute, aber der Klettverschluss
wird inzwischen auch von anderen Firmen hergestellt.
Klettverschluss im Einsatz
Zurück zum Klettverschluss: Schau ihn dir doch mal genauer an. Wenn
du die beiden Teile, die aneinander festkletten, untersuchst, stellst du
fest, dass sie sich unterschiedlich anfühlen. Eine Seite ist flauschig
wie das Hundefell, die andere Seite eher rau. Diese raue Seite ist über
und über mit vielen kleinen Haken besetzt, die den Widerhaken der
Klette nachempfunden sind.
Die Haken verfangen sich beim Zusammenlegen der beiden Verschlusshälften
in dem flauschigen Gewebe. Auf diese Weise hält der
Klettverschluss zusammen. Die Haken sind, wie bei der Klettfrucht,
elastisch und werden beim Öffnen des Verschlusses geradegezogen,
sie lassen also los. Danach nehmen sie wieder ihre ursprüngliche
Form an. Manchmal reißen beim Öffnen des Verschlusses auch einige
der vielen Flauschfäden ab.
Das Tolle am Klettverschluss ist, dass man damit eine ziemlich stabile
Verbindung ganz ohne Klebstoff oder Schrauben herstellen kann,
die sich unzählige Male trennen und wieder verschließen lässt – manche
Hersteller werben damit, dass man ihre Klettverschlüsse bis zu
10.000-mal benutzen kann, ohne dass sie kaputtgehen.

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Wie klettig ist ein Klettverschluss
Normalerweise ziehst du den Klettverschluss beim Öffnen an einer Ecke
nach oben. So werden die Haken nacheinander aus dem Flauschgewebe gelöst.
Was aber passiert, wenn du versuchst, den Verschluss auf eine andere
Weise zu öffnen Besorge dir ein Stück Klettverschluss (zum Beispiel aus
dem Baumarkt oder von einem alten Schuh) und versuche herauszufinden,
welche Kräfte so eine Klettverbindung aushalten kann.
(1) Halte eine Seite des Klettverschlusses
fest oder befestige sie
auf einem Holzbrett.
(2) Öffne den Verschluss, indem du
eine Seite an der Kante löst.
(3) Ziehe den Verschluss in der Mitte der
Haftfläche auseinander und öffne den
Verschluss auf diese Weise. Kostet das
mehr oder weniger Kraft
(4) Ziehe die Oberseite des Verschlusses
zur Seite und teste, wie viel Kraft du
brauchst, um den Verschluss zu lösen.
Wie viel Gewicht kannst du an den Klettverschluss hängen,
bevor er sich öffnet
Der Klettverschluss lässt sich leicht öffnen, wenn man an bestimmten Stellen
und in bestimmte Richtungen zieht. Die Wirkung der Haftverbindung ist also
abhängig von der Zugrichtung.

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Der Klettverschluss wurde zuerst nur für industrielle Anwendungen
und in der Raumfahrt genutzt. Astronauten müssen zum Beispiel
dicke Handschuhe tragen, wenn sie sich außerhalb ihres Raumschiffes
bewegen, und können deshalb nur schwer kleine Knöpfe oder
Reißverschlüsse öffnen. Es ist bei einem Weltraumspaziergang also
gar nicht so einfach, Werkzeuge aus einer Tasche zu nehmen. Hier
kann der Klettverschluss sehr hilfreich sein, weil man nur an der richtigen
Stelle ziehen muss, um ihn zu öffnen, oder daraufdrücken, um
ihn zu schließen. In Raumschiffen sind die meisten Gegenstände aus
hitzebeständigen Materialien, die notfalls einem Feuer standhalten
können. Deshalb wurden die Raumfahrt-Klettverschlüsse erst aus
Klettverschlüsse findest du zum Beispiel an Kleidung, Schuhen und Taschen.

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Metall und später aus Glasfaser hergestellt. Auch Feuerwehrleute und
Rennfahrer tragen an ihren Anzügen nichtbrennbare Klettverschlüsse
aus Kunststoff, damit sie die Kleidung so schnell wie möglich an- und
ausziehen können.
Heute ist der Klettverschluss überall zu finden: Taschen, Schuhe und
Spielgeräte sind mit diesem bionischen Verschlusssystem versehen.
An vielen Kleidungsstücken hat der aufnähbare Klettverschluss mittlerweile
Knöpfe und Reißverschlüsse ersetzt. Klettbänder werden
zum Bündeln von Kabeln, zum Verschließen von Bandagen und sogar
bei Babywindeln genutzt.
Manche Klettverschlüsse werden extra so hergestellt, dass die Haken
und Ösen sich zwar schnell ineinander verhaken, jedoch kaum wieder
voneinander lösen lassen. Diese Verschlüsse werden in der Automobilindustrie
genutzt, um die Polster für einen Autositz möglichst
schnell, aber zugleich sehr fest in ein Auto montieren zu können.
Doch der Klettverschluss hat auch Nachteile: Wenn er verfusselt oder
schmutzig wird, funktioniert er nicht mehr gut. Außerdem macht der
Verschluss ein ganz typisches Geräusch, das du sicher kennst, es
macht »raaatsch«, wenn du ihn öffnest. In manchen Ländern wird er
deshalb sogar Ritschratsch genannt. Dieses Geräusch ist ein Grund,
warum der Klettverschluss nicht in allen Fällen verwendet werden
kann: Ein Verhaltensforscher, der durch den Dschungel schleicht und
scheue Tiere beobachten möchte, würde die Tiere ziemlich schnell
verscheuchen, wenn er einen Klettverschluss öffnen müsste, um sein
Fernglas aus der Tasche zu holen.
Welche anderen Haftmechanismen aus der Natur die Bioniker untersucht
haben und wie wir sie zukünftig anwenden können, erfährst du
im Kapitel »Haften, kleben, reinigen«.

Ideenkiste Natur
Viele bionische Anwendungen sind für dich längst selbstverständlich
geworden, wie das erste Kapitel zeigt. Heute steigst du zum Beispiel
ohne nachzudenken in ein Flugzeug, dabei haben Menschen das Fliegen
vor nicht allzu langer Zeit erst mühsam »gelernt« und nach dem
Vorbild von Vogelflügeln verbessert. Ähnlich verhält es sich mit dem
Schiffsbau. Auch hier gibt es viele Verbesserungsmöglichkeiten nach
dem Vorbild der Natur.
Das wesentliche Ziel dabei ist, Formen, Antriebe und Oberflächen aus
dem Tier- und Pflanzenreich auf Schiffe und U-Boote zu übertragen,
um mit weniger Energie mehr Leistung zu erzielen. Roboter sollen
zukünftig selbständig Aufgaben lösen und Arbeiten übernehmen, die
für die Menschen gefährlich oder schwierig sind. Vorbild für die bionischen
Roboter können Fortbewegungsweisen und Körperbau von
Tieren sein.
Besondere Oberflächen an Insekten- und Reptilienfüßen sorgen für
neuartige Möglichkeiten, Klebefilme herzustellen, die Tricks bestimmter
Bienen können sogar bei Ölkatastrophen helfen, die Ölteppiche
vom Meer aufzusaugen. Die Stabilität von Pflanzen und Muschelschalen
wird erforscht, um haltbare oder besonders stabile Materialien zu
entwickeln, die gleichzeitig besonders leicht sind. Bäume und Knochen
wachsen nach bestimmten Prinzipien, die unter anderem im
Fahrzeugbau zu Gewichtseinsparungen genutzt werden können – ein
wirksames Mittel, um Energie in Form von Treibstoffen zu sparen und
Bauteile haltbarer zu machen.
Sonnenenergie in Strom umzuwandeln und sich dabei an der Energieumwandlung
der Pflanzen zu orientieren oder Gebäude natürlich zu

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belüften, wie es in Tierbauten geschieht, sind weitere Ideen, an denen
die Bioniker aktuell arbeiten. Im letzten Kapitel dieses Buches erfährst
du, warum Spinnenseide so interessant für die Forscher ist
und was sie daraus zukünftig herstellen wollen.
In diesem Buch lernst du die genialsten Erfindungen der Natur kennen
und findest viele Möglichkeiten für Versuche, Forschungen und eigene
Erfindungen. Also genau das Richtige für Neugiernasen!

Traum
Der
Fliegen
vom

Fliegen wie ein Vogel – davon
haben Menschen schon immer
geträumt. In der Natur gibt
es die unterschiedlichsten
Flugtechniken, die Ingenieure
und Bioniker zu immer neuen
Fluggeräten inspirieren.

Am Anfang war der Vogel
Wie ein Vogel durch die Luft fliegen zu können, das war schon immer
ein Traum der Menschen: Große Entfernungen leicht und mühelos
überwinden, die Welt von oben betrachten, frei und schwerelos zu
sein – hast du dir nicht auch schon einmal vorgestellt, wie es wäre,
wenn du einfach losfliegen könntest
Aber können Vögel wirklich mühelos fliegen In diesem Kapitel erfährst
du, welche Ideen Erfinder und Ingenieure hatten und haben,
um Flugzeuge und erstaunliche Flugapparate nach Vorbildern aus
der Natur zu bauen. Du wirst Tiere und Pflanzen kennenlernen, die
dafür Modell standen, wirst lesen, welche Ideen sich bis heute durchgesetzt
haben und welche Forschungsprojekte unsere Zukunft mitbestimmen
könnten. Denn eins ist sicher: Wir Menschen haben bis
heute nur einen Bruchteil der erstaunlich vielfältigen wie komplizierten
Flugtechniken aus der Natur verstanden.
Leonardo da Vinci
Ein Mann, den das Beobachten der Natur besonders faszinierte, war
der Italiener Leonardo da Vinci. »Da Vinci« ist kein richtiger Nachname,
sondern bedeutet »aus Vinci«, denn dort wurde Leonardo 1452, also
vor über 500 Jahren, geboren. Leonardo da Vinci war ein unglaublich
neugieriger Mensch. Er war Naturforscher, Maler, Erfinder, Architekt,
Künstler und interessierte sich sehr für Medizin. Da er so viele unterschiedliche
Interessen und Talente hatte, bezeichnen wir ihn heute als
ein Universalgenie. Das bedeutet: Er war einfach in allem gut!
Leonardo untersuchte die Dinge, indem er sie zeichnete und malte, das
wissen wir aus unzähligen Zeichnungen, die bis heute erhalten sind.

Leonardo da Vinci studierte schon vor mehr als 500 Jahren den menschlichen Bewegungsapparat.