Bionik, Biomimetik - Naturwissenschaftliche Rundschau

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Übersicht rechte Winkel begannen, die in der Natur vorherrschenden abgerundeten, gebogenen Strukturen abzulösen, da es durch sie einfacher wurde, bestimmte Gegenstände und Bauten mit gewünschten, möglichst identischen Eigenschaften herzustellen. Zudem ermöglichten sie es später, relativ einfache Berechnungen im Bau- und Konstruktionsbereich vorzunehmen. Anstelle der in der Natur weit verbreiteten flexiblen und weichen Gebilde schuf die Technik steife und starre Konstruktionen. Mit der Erfindung des Rades schließlich, das kein Vorbild in der Natur hatte (die Bakteriengeißel als rotierende Radstruktur wurde erst im 20. Jhdt. entdeckt), eröffneten sich nie dagewesene Möglichkeiten für die Fortbewegung und den Transport [3]. Ein entscheidender Technologiesprung war die Gewinnung und Nutzung von Metallen. Metalle, die in natürlichen Konstrukten fast nicht vorkommen, wurden aufgrund ihrer leichten Bearbeitbarkeit zu den wichtigsten technischen Materialien, die in der Bronzezeit (in Mitteleuropa ca. 2200– 800 v. Chr.) und Eisenzeit (ca. 800 v. Chr. bis Zeitenwende) die kulturelle und technische Entwicklung des Menschen wesentlich beeinflussten. In der Phase der Industrialisierung wurde die Kenntnis der Metallverarbeitung eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, die bei hohen Temperaturen arbeiten. Auch dies war ein weiterer entscheidender Schritt einer „Emanzipation“ von der Natur, denn die hocheffizienten Energiegewinnungsprozesse der organismischen Welt laufen bei normaler Umgebungstemperatur ab. BIONIK, BIOMIMETIK, TECHNISCHE BIOLOGIE. Bionik, Biomimetik (zusammengesetzt aus „Biologie“ und „Technik“ bzw. „mimesis“ = Nachahmung): Umsetzung der Erkenntnisse aus der biologischen Forschung in technische Anwendungen. Der Begriff bionics wurde vermutlich 1960 von J. E. Steele geprägt, wobei bereits bei ihm das „Lernen der Technik von der Natur“ im Vordergrund stand. Der im internationalen Sprachgebrauch üblichere Begriff „Biomimetik“ (engl. biomimetics) entspricht im Wesentlichen dem deutschen Bionik (engl. bionics) und findet auch im deutschsprachigen Raum zunehmend Verbreitung. Bionik besteht in den seltensten Fällen darin, natürliche Funktionsstrukturen direkt in technische Konstruktionen zu übertragen. In aller Regel handelt es sich um ein über mehrere Abstraktions- und Modifikationsprozesse laufendes kreatives Umsetzen in die Technik, also um ein durch die Natur angeregtes „Neuerfinden“. Technische Biologie: Erforschung des Form-Struktur-Funktions- Zusammenhangs lebender Organismen unter der Verwendung physikalischer und technischer Methoden. Dieser Begriff wurde von Werner Nachtigall als komplementärer Begriff zur Bionik eingeführt. Während es in der Bionik um einen (Erkenntnis-)Transfer von der Biologie in die Technik geht, findet in der Technischen Biologie ein (Methoden-)Transfer aus Physik und Technik in die biologische Forschung statt. Ursprünglich wurde anstelle von „Technischer Biologie“ teilweise auch der Begriff „Biotechnik“ verwendet. Dieser ist als „Biotechnologie“ heute jedoch eindeutig mit mikround molekularbiologischen sowie biochemischen Inhalten belegt und sollte nur noch in diesem Sinne verwendet werden. Diese wenigen Meilensteine verdeutlichen, wie es zu einer fortschreitenden Entkopplung der technischen Entwicklung von der natürlichen Umwelt gekommen ist, was auch neue und andere Umweltbezüge einschließt. Da die Menschheit aber trotz aller Fortschritte in die Umwelt eingebunden bleibt, hat dies zu großen ökologischen Problemen geführt. Die in den letzten Jahren systematisch einsetzende bionische/biomimetische Forschung kann als „High-Tech-Bionik“ bezeichnet werden. Sie versucht gezielt, biologische Vorgänge, Strukturen und Funktionsweisen quantitativ zu erfassen und in technische Anwendungen umzusetzen. Es sei betont, dass auch die moderne „High-Tech-Bionik“ per se nicht zu umweltverträglichen Produkten führen muss und kein Allheilmittel für ökologische Probleme darstellt. Zumindest in einigen Bereichen vermag sie aber, Alternativen zu bieten und Produkte mit einer verbesserten Ökobilanz zu liefern. Vorläufer und Pioniere der Bionik Leonardo da Vinci (1452–1519) wird häufig als der historische Begründer der Bionik bezeichnet. In einer seiner bekanntesten Arbeiten hat er beispielsweise die Formveränderung von Vogelflügeln (Handschwingen beim Abschlag gespreizt, beim Aufschlag sich überdeckend zusammengelegt) funktionell analysiert [4, 5]. Ausgehend von diesen Beobachtungen und Analysen versuchte er, Schlagflügel für den menschlichen Flug zu konstruieren, die jedoch aufgrund biophysikalischer Randbedingungen nicht funktionieren konnten (die Masse eines Menschen ist im Bezug auf seine Muskelleistung viel zu groß). Erst eine Entkopplung der beim Vogelflügel vorhandenen Doppelfunktion, durch die mit einer Struktur Auf- und Vortrieb erzeugt wird, in starre, dem Auftrieb dienende Tragflächen und einen den Vortrieb erzeugenden Motor brachte vor nunmehr 100 Jahren den Durchbruch bei technischen Fluggeräten [6, 7]. Die große Zahl der erfolglosen Versuche, den Vogelflug zu kopieren, stellt einen eindrucksvollen Beleg dar für die Grenzen, die einer direkten Kopie von der Natur in die Technik gesetzt sind (dennoch scheint es prinzipiell möglich, einen menschlichen Schwingenflug zu realisieren; vgl. NR 2/2003, S. 65). Der italienische Arzt und Mathematiker Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679) hat die technisch-experimentelle Analyse der Fortbewegungsvorgänge von Tieren begründet, während Sir George Cayley (1773–1857) biomimetische Methoden bei der Konstruktion sich selbst stabilisierender Flugmodelle und Fallschirme verwendete. Hierbei diente ihm die Federflugfrucht des Wiesenbocksbarts (Tragopogon pratensis) als Vorlage zur Konstruktion eines Fallschirms mit tief liegendem Schwerpunkt und nach außen hochgezogener Tragfläche (Abb. 1). Auch Galileo Galilei (1564–1642) hat sich in seinen Discorsi e dimonstrazioni matematiche von 1637 mit dem mechanischen Aufbau von Pflanzen im Vergleich zu technischen Konstruktionen beschäftigt [8, 9]; so zum Beispiel mit der unter Belastung durch das Eigengewicht erreichbaren Maximalhöhe von Bäumen und Bauwerken. Außerdem hat er am Beispiel des Getreidehalms und des Schafts der Vogelfeder beschrieben, dass eine erhöhte Biege- 178 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 4, 2004
Speck, Neinhuis: Bionik, Biomimetik – Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunftspotential steifigkeit durch periphere Materialanordnung erreicht wird. Im deutschsprachigen Raum war es vor allem Raoul Heinrich Francé (1874–1943), der zu Beginn des letzten Jahrhunderts den Gedanken des „Von der Natur lernen“ in einer Vielzahl populärwissenschaftlicher Schriften einer breiten Öffentlichkeit bekannt machte [10, 11]. Wie manch anderer seiner Zeitgenossen hielt er es für möglich, die Konstruktionsprinzipien der Natur naiv kopieren zu können. Bei seinen Betrachtungen zur Übertragung in technische Anwendungen fehlten in der Regel die Einbeziehung grundlegender funktioneller Überlegungen und Dimensionsanalysen sowie quantitative Untersuchungen von Struktur und Funktionsweise der „biologischen Modelle“. Auch Alf Gießler hat bereits in seinem 1939 erschienenen, leider von nationalsozialistischer Ideologie getrübten Buch Biotechnik die Natur auf mögliche Anregungen für technische Entwicklungen hin untersucht [12, 2]. Von den zu Beginn des 20. Jahrhunderts wirkenden Forschern muss vor allem D’Arcy Wentworth Thompson (1860– 1948) Erwähnung finden. Er war der wohl wichtigste Vertreter einer Forschungsrichtung, die man heute im Grenzgebiet zwischen mathematischer, technischer und theoretischer Biologie ansiedeln würde [13]. Thompson beschrieb 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 [14]. Er vermied jedoch jegliche Kausalanalyse und verzichtete zudem auf experimentelle Untersuchungen. 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 auseinander gesetzt. Eine seiner bekanntesten Überlegungen zeigt, wie man durch Cartesische Transformationen Formen ineinander überführen und somit deren „Form-Verwandtschaft“ aufdecken kann (Abb. 2). Versuche, Lebewesen und ihre Funktionen mit physikalisch-technischen Methoden zu analysieren (Technische Biologie) und andererseits „Lösungsvorschläge“ der Natur in die Technik zu übertragen (Bionik/Biomimetik), blieben allerdings bis in die zweite Hälfte des letzten Jahrhunderts auf vereinzelte Ansätze beschränkt und kamen nicht zu einer breiten Anwendung. Facetten der Bionik Werner Nachtigall hat 1992 eine Unterteilung der Bionik vorgeschlagen, die deutlich macht, wie viele Aspekte in diesem Forschungsfeld zusammentreffen [15]. Sämtliche Teilgebiete lassen sich problemlos an bereits etablierte Fachrichtungen der Biologie, der Ingenieurwissenschaften und Physik anschließen und können diese einerseits ergänzen, andererseits aber auch in neue Richtungen weiterführen [vgl. 1, 2, 16]. Zwischen einigen dieser Teilbereiche gibt es fließende Übergänge. 1. Historische Bionik: Geschichte und Entwicklung bionischer Forschung aus verschiedenen Teilgebieten der Technik und der Biologie. Abb. 2. Beispiele Sir D’Arcy Thompsons zur Generierung der Form miteinander verwandter Fischarten durch Cartesische Transformationen. Aus [14] 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 organischer, gut recyclebarer Baumaterialien (z. B. Stroh in Tonbacksteinen zur Stabilisierung und als Wärme- und Schalldämmung) sowie Konstruktion temporärer technischer Leichtbauwerke (z. B. Seil-, Schalenund Membranenkonstruktionen), basierend auf Anregungen von natürlichen Leichtbaukonstruktionen. 4. Klima- und Energiebionik: Energieeinsparung und Wohnkomfort durch passive Lüftung, Kühlung und Heizung in Anlehnung an Tierbauten. 5. Konstruktionsbionik: Analyse der Konstruktionselemente und Funktionsmechanismen der meist multifunktionellen natürlichen Konstruktionen; Vergleich mit analogen technischen Konstruktionen und Untersuchung von Anwendungsmöglichkeiten bionisch inspirierter Konstruktionen in der Technik. 6. Bewegungsbionik: Untersuchung von schwimmenden und fliegenden Tieren in Hinblick auf ihre Strömungsanpassungen an das äußere Milieu (Wasser, Luft), ihrer Antriebsmechanismen und deren mechanischen Wirkungsgrade mit dem Ziel der Verbesserung technischer Konstruktionen; Bewegungsanalyse des Laufens von Tieren mit unterschiedlicher Beinzahl als Grundlage für den Bau von „Laufmaschinen“. Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 4, 2004 179
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