Bionik-Logo

Homepage

Was ist Bionik

Teilgebiete der Bionik

Bionik-Studieren in Deutschland

BioKoN Standort SB

BioKoN SB-Anschrift

BioKoN SB-Mitarbeiter

Bücher zur Bionik

Bionik in den Medien

Bionik-Links

BioKoN SB-Gästebuch


Forschungsarbeiten

Konstruktionsbionik - Lernen von der Natur


Bionik betreiben heißt "Lernen von der Natur für technisch-eigenständiges Weitergestalten". Wichtig ist dabei die Betonung der eigenständigen Entwicklungsarbeit "lege artis" der Ingenieurwissenschaften. Bisher gibt es keine Institutionen, die sich ausschließlich mit Bionik befassen, doch existiert ein Netzwerk von institutionellen Einrichtungen und Personen, die Bionik betreiben. Dabei haben sich verschiedene Schwerpunkte herauskristallisiert. Evolutionsbionik betreibt man beispielsweise bei Rechenberg in Berlin und bei Schwefel in Dortmund. Verfahrensbionik im Sinne einer technologischen Übernahme photosynthetischer Prinzipien wird unter anderem bei Wörle in Bremen, Grätzel in Lausanne und Dürr in Saarbrücken betrieben. Entsprechend unserer Ausrichtung befassen wir uns in meiner Saarbrücker Arbeitsgruppe und Institution speziell mit Konstruktionsbionik. Was ist das?

Zunächst versuchen wir, Strukturen bzw. Konstruktionen der belebten Welt im Sinne einer "Technischen Biologie" zu verstehen. Aus den Ergebnissen können dann im Sinne der "Bionik" Anregungen konstruktionstypischer Gesichtspunkte in die Technik übertragen werden. Einige Beispiele aus unterschiedlichen Stadien der Umsetzung von der Ideenskizze bis zum Patent sollen diesen Gesichtspunkt verdeutlichen.

Französische Forscher haben die Bauchschuppen von Schlangen der Gattung Leimadrophys näher untersucht, die im Regenwald auf rutschigem Untergrund kriechen. Sie haben sich die Konfiguration der Bauchschuppen als "richtungsabhängige Reibungsgeneratoren" patentieren lassen, und eine französische Firma hat danach Klebefolien für Langlaufski entwickelt Diese behindern das Vorwärtsgleiten nicht, reduzieren aber deutlich das Rückrutschen (Abbildung 1): ein Verkaufsschlager für ausführende Firmen. Technische Biologie geht also vom biologischen Objekt aus; Bionik überträgt die Erkenntnisse in die Technik, wie das Schema in der Abb. 1 zeigt. (Basierend auf Castagnet, Gasc und Renoux.)

Autolacke werden heutzutage immer noch sehr glatt konzipiert, in der irrigen Ansicht, daß darauf Schmutzpartikel schlecht haften. Das Gegenteil ist der Fall. Der Bonner Botaniker Barthlott und seine Mitarbeiter haben gezeigt, daß eine mikrokristalline Noppung der Oberfläche, wie sie besonders ausgeprägt die Lotosblume zeigt ("Lotus-Effekt"), Adhäsionskräfte zwischen Schmutzpartikel und Oberfläche so reduziert, daß auftreffende Regentropfen die Partikel einrollen lassen und mitnehmen: selbstreinigende Oberfläche (Abbildung 2). Patente für die technische Umsetzung dieser Entdeckung über die sich die Lackhersteller freuen, die Betreiber von Autowaschanlagen ärgern werden sind erteilt worden.

Klettverschlüsse an Sport- und Wanderschuhen haften zwar schnell, verschmutzen aber leicht und verlieren dann die Haftung. Eine Firma hat bei uns angefragt, ob es in der Natur Beispiele für "verschmutzungsunempfindliche" und trotzdem festschließende statistische Verhakungen gibt.Es gibt sie, und aus dem Vergleich der technischen Fragestellungen mit dem Katalog biologischer Ergebnisse kann man Anregungen für technische Verbesserungen oder neue Konstruktionen ziehen, die auch patentrechtlich interessant sind.


Bäume optimieren sich durch Ausbildung von Zug- und Druckholz selbsttätig als "Körper gleicher Spannungen". Durch eigentümliche geometrische Ausformung von Astverzweigung reduzieren sie dramatisch ihre Kerbspannungen. Nach diesem Prinzip hat der Karlsruher Biomechaniker C. Mattheck beispielsweise Pedikelschrauben (für Operationen an Wirbeln) entwickelt, die nicht mehr brechen ein unschätzbarer Vorteil für den Patienten.

Das Känguruh speichert Energie nach Aufsetzen nach einem Sprung und gibt ein Gutteil davon dem nächsten Absprung wieder mit: Stoßdämpfung gekoppelt mit einer Art Katapulteffekt. Wir haben Vorschläge gemacht, wie man dieses Prinzip durch Spezialaufhängungen der Sohle bei Sportschuhen für ein elegantes und ermüdungsarmes Laufen und Wandern nutzen kann.

Wasserkäfer, Vögel, Fische und Pinguine zeigen ungemein strömungsangepaßte Rümpfe, die in einem gegebenen Reynoldszahlbereich nur sehr geringe Widerstände erzeugen. Für den Eselspinguin, Pygoscelis papua, haben D. Bilo und ich beispielsweise den (unglaublich geringen) Druckwiderstandsbeiwert von cWD = 0,07 gemessen. Dabei ist der Pinguin keineswegs "strömungsschnittig", vielmehr ein relativ dickes Gebilde mit einem Längen-Dicken-Verhältnis von etwa 4 : 1 (Abbildung 3). Bei Vögeln haben wir den Rumpf der rasch fliegenden Mehlschwalbe untersucht und in Spantenbauweise nachgebaut, HcW-Werte um etwa 0,1 sind hier zu erwarten. Aspekte dieser Art haben wir in die Entwicklung neuartiger Autokarosserien mit eingebracht.

Roboterarme werden heutzutage immer noch streng kraftschlüssig und spielarm konzipiert. Ihre Bewegung ist damit unflexibel und potentiell unfallträchtig. B. Möhl, Mitglied unserer Saarbrücker Forschergruppe, hat einen "elastischen" Roboterarm entwickelt auf der Basis des Ober-Unterarm-Systems beim Menschen oder auch der Gliedmaßen einer Heuschrecke. Es kompensiert die infolge der vorhandenen elastischen Elemente auftretenden Nichtlinearitäten durch eine präzise, rechnergesteuerte Geschwindigkeitsnachführung. Für die Grundidee des Systems ist Patentschutz beantragt worden.

Man sieht also, daß Struktur- beziehungsweise Konstruktionsbionik ein vielfältiges Gebiet darstellt, in dem sich Zoologie, Botanik, technische Physik und technische Mechanik verzahnen. Wie kann nun der Informationstransfer von einem Gebiet zum anderen vor sich gehen? Anfragen kommen entweder aus der Industrie an bionisch arbeitende Institutionen, oder Entdeckungen der letzteren werden über Technologiezentren der Industrie angeboten. In jedem Fall ist die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Biologen erforderlich. Dies sollte in Zukunft in der Ausbildung mit berücksichtigt werden. Unseren neuen Studiengang "Technische Biologie und Bionik", der zum Biologendiplom führt, erläutert K. Braun an anderer Stelle dieses Heftes. Wir bauen aber auch Lehrveranstaltungen für "Bionik als Nebenfach für Ingenieure" auf, die sich zunehmender Beliebtheit erfreuen und die dem Ingenieur die typische Denkweise der Bionik nahebringen sollen.

Querbeziehungen zwischen Technik und Biologie bieten sich einerseits ganz am Anfang einer Zusammenarbeit, wenn es darum geht, Anforderungskataloge für die technische Produktentwicklung und Ergebniskataloge aus der Biologie zu vergleichen. Bionik meint nicht ein emotionelles "Zurück zur Natur"; sie peilt vielmehr Höchsttechnologien an. (Das schließt low tech dort, wo es sinnvoll ist, selbstredend nicht aus.) Bionik ist eben ein Werkzeug, das man benutzen kann oder auch nicht. Es ist aber unweise, ein ganzes Reich "wohlfunktionierender Erfindungen" nicht zur Kenntnis zu nehmen.

Werner Nachtigall

aus 3/98