Bionik, Biomimetik - Naturwissenschaftliche Rundschau

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

Übersicht 7. Gerätebionik: Entwicklung technisch einsetzbarer Maschinen und Geräte, basierend auf Vorbildern aus der Natur (z. B. Pumpen, Bohrer, hydraulische oder pneumatische Maschinen, Förder- und Abbausysteme). 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, Inlineskater oder Langlaufski); Verbesserungen in der Robotik (z. B. bei der Greifarmsteuerung durch Analysen der Beinbewegungen von Arthropoden). 9. Sensorbionik: Entwicklung hochsensibler Sensor-, Ortungs- und Orientierungssysteme durch Umsetzung von Konstruktionsprinzipien biologischer Sensoren, die für eine Vielzahl chemischer und physikalischer Reize bekannt sind. Mögliche Anwendungen sind Abstands-Kontroll-Systeme für Autos und verschiedenartige codierte Öffnungssysteme für Sicherheitsräume und schlüssellose Autos. 10. Neurobionik: Weiterentwicklung von Informationsverarbeitung und Steuerung (z. B. durch intelligente Schaltungen, die Verschaltung von Parallelrechnern und Neuronale Schaltkreise), ausgehend von Anregungen aus dem Bereich der Neurobiologie und biologischen Kybernetik. Beispiel: Neuronale Netze zur Steuerung von Industrieanlagen (vgl. NR 2/2003, S. 74). 11. Verfahrensbionik: Analyse von Steuerung und Ablauf komplexer biologischer Prozesse und Untersuchung der Übertragungsmöglichkeit in die Technik; Beispiele: 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 Evolutionsstrategien in der Technik für die Optimierung komplexer technischer Systeme und Verfahren (vor allem solcher, die rechnerisch (noch) nicht simulierbar sind). Nach ihrem Arbeitsgebiet gefragt, würden sich indes nicht alle Wissenschaftler, die in einem der oben genannten Gebieten tätig sind, als Bioniker oder „biomimetisch orientierte“ Forscher bezeichnen. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Neurobionik, aber auch für weite Teilbereiche der Anthropo-, Sensor- und Verfahrensbionik. Hierin zeigen sich zum einen die großen Chancen des interdisziplinären Ansatzes der Bionik, bestehende Forschungsrichtungen weiterführend zu ergänzen, andererseits aber auch die große Gefahr der Beliebigkeit, nach dem Motto „alles ist irgendwie Bionik“. Aus diesem Grund wird im Folgenden versucht, Grenzen und Möglichkeiten der Bionik aufzuzeigen und das Arbeitsgebiet am Beispiel einiger typischer Forschungsprojekte und technischer Anwendungen in seiner ganzen Breite, aber auch klaren Umgrenzung zu definieren. Möglichkeiten und Grenzen der Bionik Bevor einige Anwendungsmöglichkeiten der Bionik vorgestellt werden, sollen mögliche Missverständnisse ausgeräumt werden: 1. Traditionelles ingenieurmäßiges Konstruieren wird auch weiterhin 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 Lösungen als Ideenreservoir zur Optimierung technischer Materialien und Konstrukte zu nutzen. 3. In der Technik wurden oftmals ohne jegliche Vorkenntnis der Natur Problemlösungen entwickelt, die in ihrer Funktion natürlichen Gebilden oder Organen mit ähnlichen Aufgaben verblüffend ähneln. Diese a posteriori festgestellten Analogien beschränken sich jedoch häufig auf Aussehen und Funktion, während Materialien, Strukturen und interne Funktionsweise sich meist grundlegend unterscheiden. Beispiele für solche Analogien sind: (1) aus dem Bereich der Mechanik Vielzweck-Taschenmesser (mit ihrem Verstau- und Ausklapp-Prinzip) und die multifunktionellen Beine von Stutzkäfern (Histeridae) sowie technische Saugnäpfe und die Saugnäpfe an den Vorderbeinen des Gelbrandkäfers (Dytiscus marginalis) (Abb. 3); (2) aus dem Bereich der Sensorik das Ultraschall-Echo-Ortungssystem der Delphine und die in der Medizin verwendete Ultraschall-Sonographie, ferner das als Wärmedetektor funktionierende Grubenorgan der Grubenottern und technische Infrarot-Ortungssysteme. a b c d Abb. 3. Von den natürlichen Vorbildern nicht beeinflusste Analogentwicklungen der Technik. – a. Vielzwecktaschenmesser (mit Verstauund Ausklapp-Prinzip). – b. Multifunktionelles Bein eines Stutzkäfers (Histeridae). – c. Saugnäpfe einer Seifenschale. – d. Saugnäpfe an den Vorderbeinen eines männlichen Gelbrandkäfers. [Photos W. Nachtigall] 180 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 4, 2004
Speck, Neinhuis: Bionik, Biomimetik – Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunftspotential Wie bereits angedeutet, darf man nicht erwarten, dass die Bionik prinzipiell die „natürlichere“, „umweltverträglichere“ Variante der Technik darstellt. Außerdem kann die Bionik – wie jede Wissenschaft – auch missbraucht werden. Diese Ambivalenz zeigt sich beispielsweise an den „Micro Air Vehicles“ (MAV), „intelligente Kleinstflugobjekte“, die mit Hilfe bionischer Methoden entwickelt werden. Sie können vielfältigen zivilen Zwecken dienen (etwa im Brandschutz oder bei der Überwachung von Vulkanen), aber auch eine neue Dimension in kriegerische Auseinandersetzungen bringen. Ausgewählte Beispiele bionischer/biomimetischer Forschung Formoptimierung nach dem Muster wachsender Bäume und Knochen Ausgehend von Beobachtungen der (Wuchs-)Form von Bäumen und anderer mechanisch stark belasteter natürlicher Strukturen wie Knochen hat sich Claus Mattheck vom Institut für Materialforschung des Forschungszentrums Karlsruhe mit den Gesetzmäßigkeiten ihrer Formgebung beschäftigt [17, 18]. Er konnte nachweisen, dass Strukturen bei minimalem Materialeinsatz den Festigkeitsanforderungen genügen, wenn auf ihrer Oberfläche überall gleiche Spannungen herrschen. Die Hypothese der konstanten Spannungen wurde bereits 1893 von dem Förster K. Metzger für Fichtenstämme formuliert [19]. Eine solche „Bauvorschrift“ führt dazu, dass bei Bäumen, Knochen, Zähnen und Krallen unter sparsamstem Materialeinsatz maximal belastbare Strukturen entstehen und lokale Schwachstellen vermieden werden (Abb. 4). Basierend auf seinen Untersuchungen an natürlichen Strukturen hat Claus Mattheck eine Reihe Computerunterstützter Methoden zur Gestaltoptimierung technischer Bauteile entwickelt [20, 21, 13], die seit mehr als einem Jahrzehnt erfolgreich in der Industrie eingesetzt werden: Bei der Computer-gestützten Optimierung (Computer Aided Optimisation: CAO-Verfahren) wird das in der Wachstumszone (Kambium) erfolgende sekundäre Dickenwachstum von Bäumen simuliert. Hierbei wird an die hochbelasteten Außenbereiche technischer Bauteile so lange Material angelagert, bis eine mechanisch optimierte Form mit konstanter Oberflächenspannung entstanden ist. Beim SKO-Verfahren (Soft Kill Option) hingegen wird nach dem Vorbild der Knochen-abbauenden Zellen (Osteoclasten) Material von unterbelasteten Stellen (im Innen- und Außenbereich) des im Computer simulierten Bauteils entfernt (Abb. 5a). Für sich genommen führt das SKO-Verfahren zu Leichtbau-Strukturen, die allerdings Spannungsspitzen an der Oberfläche haben können. Mit dem CAO-Verfahren hingegen erhält man Strukturen ohne derartige Spannungsspitzen und mit hoher Dauerfestigkeit, aber ohne Gewichtsoptimierung. Eine Kombination beider Verfahren ermöglicht es, die Vorteile zu vereinen, so dass im Ergebnis hochbelastbare form- und gewichtsoptimierte Strukturen entstehen. Auf diese Weise konstruierte man bereits Leichtmetall-Autofelgen mit 26% Gewichtsersparnis (Abb. 5b) und orthopädische Abb. 4. Natürliche Gestaltoptimierung führt bei Baumgabeln (Zwieseln) zu einer günstigen Spannungsverteilung und zu Formen ohne Kerbspannung. Die v. Mises-Spannung ist ein relatives Maß für die Spannungsverteilung. Aus [18] Schrauben mit 20fach höherer Lebensdauer (eingesetzt z. B. bei Rückgratoperationen) und minimierter Bruchgefahr. Mattheck entwickelte außerdem das CAIO-Verfahren (Computer Aided Internal Optimisation), mit dem der Faserverlauf in Faserverbundwerkstoffen entlang der Kraftlinien kerbspannungsmindernd optimiert werden kann, wodurch die Gefahr der Rissbildung vermindert wird. Optimierung von Flug- und Schwimmkörpern nach dem Vorbild schwimmender Wirbeltiere Eine andere Art der Formoptimierung wurde bereits in den 60er Jahren von Heinrich Hertel (TU Berlin) für Flugzeuge gefordert. Er regte die Konstruktion spindelförmiger Laminarrümpfe für Flugzeuge an, an denen die Luft über weite Bereiche des Rumpfes bis zur weit hinten liegenden dicksten Stelle in der Grenzschicht laminar bleibt. Hierdurch kann der Gesamtwiderstand stark verringert werden. Ausgehend von Untersuchungen spindelförmiger Körper, die sich konvergent bei schnell schwimmenden Fischen (z. B. Thunfisch, Schwertfisch), Delphinen und anderen Walen evolviert haben, war Hertel zur Überzeugung gelangt, dass Flugzeuge mit einem ähnlichen spindelförmigen Rumpf einen geringeren Luftwiderstand haben als solche mit herkömmlichem zylindrischem Rumpf [22]. Neuere Untersuchungen von Rudolf Bannasch (TU Berlin/EvoLogics GmbH Berlin) an Pinguinen Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 4, 2004 181
Seite 1 und 2: ÜBERSICHT. Bionik, Biomimetik Ein
Seite 3: Speck, Neinhuis: Bionik, Biomimetik
Seite 7 und 8: Speck, Neinhuis: Bionik, Biomimetik
Seite 15: Speck, Neinhuis: Bionik, Biomimetik

Bionik, Biomimetik - Naturwissenschaftliche Rundschau

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?