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EINLEITUNG
BIONIK
SYSTEMATISCHES LERNEN VON DER NATUR
Der Begriff Bionik wurde erstmals im Jahre 1960
verwendet und setzt sich aus den Worten Biologie
und Technik zusammen. Im Gegensatz zur Biotechnologie,
welche die Stoffwechselleistung von
Mikroorganismen industriell nutzt, befasst sich die
Bionik oder Biomimetik mit der Erforschung und
der systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien
und Problemlösungen der Natur
in technische Anwendungen. Als Fundgrube
biomimetischer Innovationen haben sich neben
Tieren auch zunehmend Pflanzen erwiesen, deren
Vielfalt in einem 3,8 Milliarden Jahre andauernden
Evolutionsprozess entstanden ist.
Die Bionik als Wissenschaft begann mit Leonardo da Vincis (1452-1519)
Beobachtungen zum Vogelflug und seinen ersten Flugapparaten, auch
wenn die Umsetzung seiner Ideen an den eingeschränkten technischen
Mitteln seiner Zeit scheiterte. Erst 3 Jahrhunderte später, ca. 1810, gelang
Albrecht Ludwig Berblinger („Der Schneider von Ulm“) mit vom Eulen- und
Storchenflug inspirierten gewölbten Tragflächen erste Gleitflüge. Jean-Marie
Les Bris flog 1856 mit einer nach dem Vorbild der Albatrosse konstruierten
Flugmaschine, 1890 folgte Clément Ader mit der vom Fledermausflug
inspirierten Flugmaschine „Eole“, Otto Lilienthal führte 1891 die ersten
Gleitflüge durch. Schon im Jahre 1762 fand die erfolgreiche Jungfernfahrt
eines Unterwasserfahrzeugs aus Holz statt („Steinhuder Hecht“), welches die
Form eines Hechts nachahmte. 1829 wurde der Fallschirm nach dem Vorbild
des Wiesenbockbarts erfunden.
Einige spektakuläre bionische Entwicklungen in neuerer Zeit haben ein breites
Interesse an der Bionik geweckt, beispielsweise der schmutzabweisende
Lotuseffekt, der sehr gute cw-Wert des Mercedes Benz Bionic Car nach dem
Vorbild der Kofferfische oder die Entdeckung des reibungsmindernden Effekts
der speziellen Hautschuppung von schnell schwimmenden Haien, welcher
von Speedo auf Wettkampfschwimmanzüge übertragen wurde.
Mit dem Wissen, dass zukünftige technische Innovationen hauptsächlich in den
Überschneidungsbereichen zwischen den Natur- und Ingenieurswissenschaften
entstehen werden, besteht die Erwartung, dass durch eine engere Zusammenarbeit
von Mechanik, Chemie und Biologie wesentliche technische
Entwicklungen stattfinden werden. Zusätzlich wird erwartet, das die Bionik
auch ökologisch vorteilhafte Lösungen bietet, was jedoch nicht zwangsläufig
der Fall sein wird.
Natürliche Vorbilder können selten 1:1 in die Technik übernommen werden.
Nur bei wenigen Ausnahmen wie dem Klettverschluss oder den
ersten Flugapparaten war diese direkte Übertragung möglich. Vielmehr
greift moderne Bionik die Problemlösungen der Natur auf, versucht die
zugrundeliegenden biologischen Prinzipien zu entschlüsseln und daraus
eine differenzierte technische Umsetzung zu generieren. Gerade die in den
letzten Jahren entwickelten neuartigen Methoden zur Charakterisierung
der Materialien, des Aufbaus und der Funktionsweise biologischer Gewebe
haben einen erstaunlichen Erkenntnisgewinn über das bionische
Potential natürlicher Werkstoffe erbracht. Hochauflösende Mikroskopie,
Mikrotomographie oder Mikrospektroskopie ermöglichen die Untersuchung
der mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften und die
Klärung des Zusammenhangs von Funktion, Struktur und biochemischem
Aufbau.
Dr. Markus Milwich
ITV Denkendorf
GRUNDLEGENDE MERKMALE BIOLOGISCHER SYSTEME
Bionik ist eine klar formulierbare Disziplin und Vorgehensweise.
Sie führt die in der Biologie entdeckten
und erforschten Aspekte der Natur wie natürliche
Konstruktionen („Konstruktionsbionik“), Vorgehensweisen
oder Verfahren („Verfahrensbionik“)
und deren Informationsübertragungs,
Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien
(„Informationsbionik“) einer technischen Umsetzung
zu. Die in den verschiedenen Bereichen der
Bionik untersuchten und bewerteten biologischen
Systeme sind zwar höchst vielfältig, dennoch können
wesentliche gemeinsame prinzipielle Merkmale
benannt werden, welche ohne Einschränkung als
allgemeingültige Ziele und Vorbilder für zukünftige
technische Entwicklungen Gültigkeit besitzen:
Adaptivität:
Die Anpassungsfähigkeit an variable Umweltbedingungen sichert das
Überleben und die optimale Funktion des biologischen Systems auch bei
veränderten Umgebungsbedingungen.
Selbstheilung:
Biologische Systeme besitzen eine hohe Schadenstoleranz, aufgetretene
Schäden werden schnell, effizient und dauerhaft repariert.
Nachhaltigkeit:
Die Lebensdauer biologischer Systeme ist begrenzt, nach dem Absterben
werden die Materialien vollständig abgebaut und in den biologischen
Stoffkreislauf zurückge-führt.
Material- und Energieeffizienz:
Der Aufbau, der „Betrieb“, und die Funktionserfüllung der biologischen
Systeme erfolgt mit geringstmöglichem Verbrauch an Rohstoffen und Energie.
Beispiele sind das passive Kühlsystem der Termitenbauten, die effiziente
aktive Kühlung und Heizung des Bienenstocks durch Bienenflügelschlag,
Energiespeicherung und -rückführung in der Fortbewegung des Känguru
und die Reibungsminimierung durch den speziellen Aufbau der Hai- und
Delphinhaut.
Selbstorganisation:
Biologische Produktentwicklung ist eine genetisch kontrollierte Selbstorganisation,
die den Aufbau kleinster Molekülbausteine bis zum Lebewesen
regelt. Die Selbstorganisation und Schwarmintelligenz von Vogel- und
Fischschwärmen, Bienen- und Ameisenvölkern oder Piranhas geschieht
mittels einfachster Algorithmen und wird vor allem durch Duftbotenstoffe
organisiert. Bioniker wollen daraus Erkenntnisse ziehen, wie Verkehrs- oder
Materialflüsse optimiert gesteuert werden können.
Leichtbau:
Vermeidung von Spannungskonzentrationen durch Anpassung der Faserrichtungen
und Einsatz effizienter, angepasster Werkstoffe.
Multifunktionalität:
Mehrere Funktionen sind in einer Struktur zusammengefasst. Ein Baumstamm
vereint mechanische Stabilität (Eigengewicht, Wind-, und Schneelast) mit
Wasserlei-tung und Wasserspeicherfunktionen.
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*14 Cent pro Minute aus dem Festnetz der T-Com, Mobilfunkpreise können abweichen
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