Bionik
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Die Bionik (auch: Evolutionstechnik, Evolutionsstrategie, Biomimikry, Biomimetik) beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihre innovative Umsetzung in der Technik. Die Bionik ist ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure, sowie ggf. Vertreter anderer Disziplinen wie z.B. Architekten und Designer zusammen arbeiten.
Der englische Begriff bionics wurde vom US-amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele 1960 auf einer Konferenz in Dayton geprägt. Das deutsche Kofferwort Bionik setzt sich aus Biologie und Technik zusammen und bringt damit zum Ausdruck, wie für technische Anwendungen Prinzipien verwendet werden können, die aus der Biologie abgeleitet wurden. Die Bionik ist Lernen von der Natur.
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Im englischen Sprachraum beschränkt sich die Bedeutung von "bionics" zumeist auf die Konstruktion von Körperteilen oder allgemeiner einer Kombination von Biologie und Elektronik. Das, was im deutschsprachigen mit Bionik konnotiert wird, entspricht im Englischen oft dem Begriff biomimetics oder manchmal auch biomimicry. Da viele Autoren sich der sprachlichen Problematik bewusst sind, werden mittlerweile die beiden Begriffe Bionik und Biomimetik meist als Synonyme verwendet.
In der Bionik werden gezielt Lösungen für technische Probleme in der Biologie gesucht (Bionik als top-down-Prozess, Analogie-Bionik). Alternativ werden Prinzipien von biologischen Modellsystemen Produkt-unabhängig abstrahiert (vom biologischen Vorbild losgelöst), die dann als Ideenvorlage für vorher nicht festgelegte technische Problemlösungen dienen können (Bionik als bottom-up-Prozess, Abstraktions-Bionik). Nachdem diese neuen Prinzipien in der Technik etabliert sind, können die Anwendungen in jedem geeigneten Bereich stattfinden. Diese Herangehensweisen werden u. a. dadurch begründet, dass im Laufe der Evolution viele biologische Lösungen optimiert wurden.
Als historischer Begründer der Bionik wird häufig Leonardo da Vinci angeführt, der z. B. den Vogelflug analysierte und versuchte, seine Erkenntnisse auf Flugmaschinen zu übertragen. Das erste deutsche Patent im Bereich Bionik wurde 1920 Raoul Heinrich Francé für einen „Neuen Streuer“ nach dem Vorbild einer Mohnkapsel erteilt (Dt. Patentamt, Nr. 723730). Allerdings hat sich die Bionik erst in den letzten Jahrzehnten v. a. aufgrund neuer und verbesserter Methoden (Rechnerleistung, Produktionsprozesse) zu einer etablierten Wissenschaftsdisziplin entwickelt.
Zu beachten ist, dass bei der Entwicklung technischer Funktionselemente parallele Entwicklungen in der Natur nicht immer bereits bekannt waren. So wurde das Fachwerk ohne Kenntnis der Feinstruktur der Knochenbälkchen entwickelt. In solchen Fällen kann man nicht von einer Vorbild-Übertragung-Beziehung sprechen, sondern eher von Entsprechungen zwischen Natur und Technik. Da keinerlei Übertragung stattfand, kann man bei solchen formellen oder funktionellen Entsprechungen nicht von Bionik sprechen.
Biomimetik bzw. Bionik als Wissenschaftsdisziplin sucht dagegen gezielt nach Strukturen in der Natur, die technisch als Vorbilder von Bedeutung sein können.
Diese Vorgehensweise kann häufig als reine Analogien-Suche bezeichnet werden. Sie erlaubt allerdings meist nur kleinere Innovationssprünge, da die technische Anwendung bereits erkennbar sein muss.
Alternativ können durch biologische Grundlagenforschung bestimmte Struktur- oder Organisationsprinzipien beschrieben werden, die erst danach als geeignet für eine Übertragung in die Technik erkannt werden. So werden z. B. anhand der Untersuchung des Knochenaufbaus neue Fachwerkskonstruktionen entwickelt. Auch führten die Erkenntnisse über die Unbenetzbarkeit und Selbstreinigung bestimmter pflanzlicher Oberflächen erst später zur Entwicklung so unterschiedlicher industrieller Produkte wie Fassadenfarbe, Dachziegel und Markisen mit dem so genannten Lotus-Effekt.
Als Meilenstein der Bionik gilt Prof. Rechenbergs Vortrag auf der gemeinsamen Jahrestagung der WGLR und DGRR am 16. September 1964 in der Berliner Kongresshalle mit dem Titel: „Kybernetische Lösungsansteuerung einer experimentellen Forschungsaufgabe“ [3]. Hier führt er das mittlerweile berühmt gewordene Darwin-im-Windkanal-Experiment vor, in dem eine zur Zickzackform gefaltete Gelenkplatte sich evolutiv zur ebenen Form geringsten Widerstands entwickelt.
[Bearbeiten] Vorgehensweisen
[Bearbeiten] Bionik als top-down-Prozess
- Problem definieren
- in der Natur Analogien suchen
- Vorbilder aus der Natur analysieren
- mit Erkenntnissen aus der Natur Ideen für das zu lösende Problem suchen
[Bearbeiten] Beispiele
- Flugzeug. Otto Lilienthal und die Gebrüder Wright beobachteten den Flug (Lokomotion) großer Vögel, bevor sie ihre Prototypen bauten.
- Fallschirm. Frucht des Wiesenbocksbarts.
- Winglets an Flugzeugflügeln. Hoher Treibstoffverbrauch durch große Wirbel an den Flügelspitzen von Flugzeugen. Untersuchung von Flügeln segelnder/gleitender Vögel als Flugzeug-Analogie. Beschreibung der Handschwingen von bestimmten Vogelarten (z. B. Bussard, Kondor und Adler), die statt eines großen Wirbels mehrere kleinere verursachen und damit insgesamt weniger Energie verbrauchen. Herstellung künstlicher Flügel mit mehreren Wirbelablösestrukturen (Winglets). Die Weiterentwicklung führte zu einem Schleifenprofil am Flügelende (Split-wing loop), der etwa zur selben Zeit parallel nicht-bionisch von einer Flugzeug-Entwicklungsfirma entwickelt wurde (Spiroid). Dieses Beispiel zeigt, dass am Ende einer Optimierung deren bionische Herleitung nicht mehr sichtbar sein muss.
- Entwicklung neuartiger Profile von Autoreifen. Biologisches Vorbild waren u. a. Katzenpfoten, die sich bei Richtungswechsel verbreitern und so mehr Kontaktfläche zum Untergrund haben.
- Spinnenartige Roboter, deren Beine autonome Steuerungsfunktionen haben und die dadurch zentral gesteuerten Robotern überlegen sind.
- Der "Lotus-Effekt", der bei Dachziegeln, Fensterscheiben und Malerfarben verwendet wird. Inspiriert wurde diese Technik von der immer blütenreinen Lotusblume.
[Bearbeiten] Bionik als bottom-up-Prozess (Abstraktions-Bionik)
- biologische Grundlagenforschung: Biomechanik und Funktionsmorpholgie von biologischen Systemen
- erkennen und beschreiben eines zu Grunde liegenden Prinzips
- Abstraktion dieses Prinzips (Loslösung vom biologischen Vorbild und Übersetzung in nicht-fachspezifische Sprache)
- mögliche technische Anwendungen suchen
- in Kooperation mit Ingenieuren, Technikern, Designern, etc. eine technische Anwendung entwickeln
[Bearbeiten] Beispiele
- Unbenetzbarkeit und Selbstreinigung bestimmter biologischer Oberflächen: Die Beobachtung und nähere Untersuchung der Tatsache, dass von einem Blatt der Lotuspflanze praktisch alle wasserlöslichen Substanzen abperlen (Lotuseffekt), führte zu Patenten für extrem schlecht benetzbare und selbstreinigende Oberflächenstrukturen (bzw. eine neue künstliche Oberfläche: z. B. als Fassadenfarbe). Siehe auch: Wachse auf Pflanzenblättern, z. B. von der Lotusblume, Kohlrabi, u. v. m.
- Strukturoptimierungen von Bauteilen (CAO und SKO) - Wuchsformen von Bäumen bzw. Knochen.
- Riblet-Folien: bei schnell schwimmenden Haien besteht die Hautoberfläche aus kleinen, dicht aneinander liegenden Schuppen. Auf diesen Schuppen befinden sich scharfkantige feine Rillen, die parallel zur Strömung ausgerichtet sind. Diese mikroskopisch kleinen Rillen bewirken eine Verminderung des Reibungswiderstands. Dieser widerstandsvermindernde Effekt ist in allen turbulenten Strömungen, also auch in Luft wirksam. Flugzeuge können mit einer speziellen Folie beklebt werden (so genannte Riblet-Folien), die auf ihrer Oberseite über eine sehr ähnliche Struktur verfügt und so den Luftwiderstand des Flugzeugs senkt. Die wissenschaftliche Grundlage entstammt Untersuchungen an fossilen Haien bzw. deren "Schuppen".
- Der (besonders bei Kindern) sehr beliebte Klettverschluss wurde nach dem Vorbild der Klettfrüchte entwickelt (George de Mestral, 1956).
- Schwarmintelligenz und Ameisenalgorithmus übertragen Verhaltensweisen von Insekten in technische Bereiche.
[Bearbeiten] Parallelentwicklungen in der Technik und in der Natur
- Saugnäpfe kommen auch beim Kraken und Käfern vor.
- Sonar bzw. Echolot wurde schon lange bevor der Mensch es kannte von Delphinen und Fledermäusen benutzt.
- Vorflügel der Flugzeuge - Daumenfittich des Vogelflügels
- Propeller - Flügelfrucht des Ahorns
- Spritzen - Giftstachel von Bienen oder Hornissen
- Schwimmflosse - Schwimmhäute bei Fröschen oder Wasservögeln
- Düsenantrieb - Rückstoßprinzip bei Quallen und Tintenfischen
- Klettverschluss - Stacheln der Klette
[Bearbeiten] Literatur
- Ingo Rechenberg: Evolutionsstrategie. Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution, 1972, ISBN 3-772-80374-1
- WWF Deutschland: Bionik - Patente der Natur. 1991 (vergriffen)
- WWF Deutschland: Bionik - Natur als Vorbild. 1993 (vergriffen)
- Ingo Rechenberg: Evolutionsstrategie ′94, Frommann-Holzboog Stuttgart 1994, ISBN 3-772-81642-8
- Ingo Rechenberg: Photobiologische Wasserstoffproduktion in der Sahara, Frommann-Holzboog Stuttgart 1994, ISBN 3-772-81643-6
- Werner Nachtigall, Kurt G. Blüchel: Das große Buch der Bionik. Neue Technologien nach dem Vorbild der Natur, DVA Stuttgart und München 2000, ISBN 3-421-05379-0, (Sonderausgabe 2003 unter ISBN 3-421-05801-6)
- Helga Kleisny: Warum Fliegen sich im Kino langweilen. Bionische Methoden als Chance für die Zukunft , Kleisny 2000, ISBN 3-831-10155-8
- Werner Nachtigall: Natur macht erfinderisch. Das große Buch der Bionik, Ravensburger Buchverlag 2. Auflage 2001, ISBN 3-473-35890-8
- Werner Nachtigall: Bionik, Springer Berlin 2. Auflage 2002, ISBN 3-540-43660-x
- Werner Nachtigall: Bau-Bionik. Natur, Analogien, Technik, Springer Berlin 2003, ISBN 3-540-44336-3
- T. Rossmann, C. Tropea: Bionik: Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- Und Geisteswissenschaft. Springer Berlin 2004, ISBN 3-540-21890-4
- Antonia B. Kesel: Bionik, Fischer 2005, ISBN 3-596-16123-2
- Zdenek Cerman, Wilhelm Barthlott, Jürgen Nieder: Erfindungen der Natur. Rowohlt Reinbek bei Hamburg 2005, ISBN 3-499-62024-3
- Kurt G. Blüchel und Fredmund Malik (Hrsg.): Faszination Bionik, Die Intelligenz der Schöpfung, Mcb Verlag 2006, ISBN 3-939-31400-5
- Kurt G. Blüchel: Bionik. Wie wir die geheimen Baupläne der Natur nutzen können, Goldmann 2006, ISBN 34-421-5409-X
- Doris Freudig: Faszination Biologie. Von Aristoteles bis zum Zebrafisch, Spektrum Akademischer Verlag 2005, ISBN 3-827-41581-0
- Audio-CD: Werner Nachtigall: Bionik - Was ist das? Was kann das? Was soll das?, supposé Köln 2006, ISBN 3-932513-72-5
[Bearbeiten] Siehe auch
- Biosystemtechnik
- Evolutionären Algorithmen/Evolutionsstrategie
- Mimese
- Mimikry
- Kreativitätstechnik-Methoden
[Bearbeiten] Weblinks
- Bionik-Kompetenz-Netz (BIOKON)
- Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik Technische Universität Berlin
- BMBF
- Kompetenznetz Biomimetik
- Bionik an der TU Ilmenau
- Bionik an der Universität des Saarlandes
- Biotechnik Zentrum der TU Darmstadt
- Aktueller und allgemeinverständlicher Newsletter zu Bionik
- Skript Bionik der TU Wien
- Plattform Marine Bionik an der Hochschule Bremen
- Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik
