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Bionik

Die Bionik beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von Erfindungen der belebten Natur und ihrer innovativen Umsetzung in der Technik. Bernhard Irrgang gibt eine Einführung und informiert über Beispiele ihrer Anwendung.


Es gibt Parallelen zwischen dem genetisch fixierten Bauplan eines Organismus und dem Bauplan eines technischen Artefakts, das sich nach dem Vorbild der Natur selbst zusammenbaut. Bionik (auch: Bio-Mimikry, Bio-Mimetik, Bio-Mimese) beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von Erfindungen der belebten Natur und ihrer innovativen Umsetzung in der Technik. Durch moderne Biotechnologie verändert sich auch die Struktur der modernen Technik. Der Unterschied zwischen Natur und Technik verringert sich. Die Bionik ist ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure sowie bei Bedarf auch Vertreter anderer Disziplinen wie etwas Architekten, Philosophen und Designer zusammenarbeiten. Der englische Begriff "Bionics" wurde vom amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele 1960 auf einer Konferenz in der Wright-Patterson Air-Force Base in Dayton, Ohio geprägt. Das deutsche Wort "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 werden. Im englischen Sprachraum beschränkt sich die Bedeutung von Bionik häufig auf eine Kombination von Biologie und Elektronik. Die deutschen Ansätze entsprechen eher den Begriffen "Biomimetik" und "Biomimikry" (Nachahmung von Strukturen der belebten Natur).

Was ist Bionik?

Bionik kann als Top down Prozess (Analogie-Bionik) konzipiert werden. So wurde etwa 1920 der Klettverschluss nach dem Vorbild der Kletten entwickelt. Bionik kann aber auch als Bottom up Prozess (Abstraktions-Bionik) modelliert werden und umfasst dann mehrere Schritte:

1. Biomechanik und Funktionsmorphologie von biologischen Systemen,
2. Erkennen des zugrunde liegenden Prinzips,
3. Abstraktion dieses Prinzips (Loslösung vom biologischen Vorbild und Übersetzung in Technik),
4. Suche nach möglichen technischen Anwendungen und
5. Entwicklung technischer Anwendungen in Kooperation mit Ingenieuren, Technikern und Designern (Wikipedia, Artikel Bionik; Stand 20.1.2009).

Während man die Bionik der 70er Jahre noch unter dem Leitbild "Nachahmung der Natur" verstehen konnte, so hat sich dies in den letzten Jahren doch radikal verändert: Aufgrund des wachsenden Einflusses der biotechnologischen Verfahren in der Technologie insgesamt kommt es nun zunehmend zum Ko-Design von Naturwissenschaft und Technik im Bereich von hypermoderner Technologie und Technoresearch (Verknüpfung von naturwissenschaftlicher Forschung mit technologischer Entwicklung; Irrgang 2008). Während die biologische Grundlagenforschung die moderne Technik, deren Methoden, Gerätschaften und zum Teil auch Fragestellungen zu einem tieferen Verständnis der biologischen Funktionen und Systeme nutzt, beinhaltet die Bionik den Transfer biologischer Erkenntnisse in die Technik. Dieser Transfer ist keine direkte Übertragung im Sinne des Kopierens, sondern ein eigenständiger, kreativer Forschungs- und Entwicklungsprozess, das heißt ein durch die Natur angeregtes Neuerfinden, das bis zur Anwendung in der Regel über mehrere Abstraktions- und Modifikationsschritte abläuft (Bannasch 2007, 205).

Anwendungsbeispiele

Lange glaubte man, ideal glatte Oberflächen seien besonders widerstandsarm und verschmutzungsresistent. Solche Oberflächen kommen in der belebten Natur jedoch kaum vor. Die Entdeckung, dass die feinen Längsrippen auf den Schuppen schnell schwimmender Haifische den turbulenten Reibungswiderstand vermindern, leitete in der Strömungsdynamik einen Paradigmenwechsel ein (Bannasch 2007, 204f.). Bei vergleichenden Studien zur Systematik pflanzlicher Oberflächen wurde entdeckt, dass die Blätter der Lotuspflanze über erstaunliche selbstreinigende Eigenschaften verfügen (Bannasch 2007, 205). Biologie und Technik haben gemein, dass sie ausgehend von einem Basismodell (z. B. einem Ur-Insekt oder Ur-Vogel, respektive einem Funktionsmuster oder einem Prototypen) weitere Verbesserungen anstreben. Die Qualitätskriterien können bestimmte Einzelparameter (z. B. Gewicht, Festigkeit, Herstellungszeit oder Kosten) oder auch diverse Kriterien beinhalten (Bannasch 2007, 206). Mit zellulärem Wachstum und Mechanismen der individuellen Formadaption begegnen Bäume und Knochen unterschiedlichen Belastungssituationen (Bannasch 2007, 207). Neuere Trends betreffen zum Beispiel klebfreies Haften nach dem Vorbild der Fauna. Fliegen und Geckos besitzen an den Füßen Haftballen, die aus feinsten Härchen bestehen und sich an die Oberfläche anschmiegen, so dass sie molekulare Anziehungskräfte nutzen können. Daher können sie an der Decke laufen und an glatten Oberflächen haften. Polymerstrukturen mit einem künstlichen Mikroflor erreichen, verglichen mit einer glatten Oberfläche aus demselben Material, derzeit etwa die 5-fache Haftkraft (Bannasch 2007, 207f.).

Biomechatronik und Robotik

Biomechatronik und Robotik befassen sich mit intelligenten Mikro- und Nanomaschinen, Miniaturfluggeräten, einer großen Vielfalt von Lauf- und Schwimmrobotern, bionischen Greifersystemen und Manipulatoren bis hin zu künstlichen Gliedmaßen, Organprothesen (Prothetik) und Spezialgerätschaften, insbesondere für die Biomedizintechnik. Der humanoide Roboter bildet das mechanische Funktionsspektrum der menschlichen Arme und Hände im Maßstab 1:1 mit künstlichen Muskeln und insgesamt 48 Gelenkachsen (Freiheitsgrad: die Beweglichkeit des künstlichen Handgelenkes) nach. Die pneumatischen Muskeln ermöglichen menschenähnliche Bewegungsabläufe (Bannasch 2007, 208). Die Flügel moderner Großflugzeuge von der Dimension des Airbus A 380 erzeugen gewaltige Randwirbel (Wirbelschleppen), die Widerstand verursachen und kleinere Flugzeuge in Gefahr bringen können. Winglets an den Flügellenden, wie sie auch Vögel nutzen, sollen das Problem mildern (Bannasch 2007, 208). Elektromagnetische Wellen haben im Meer nur eine kurze Reichweite, Radar und Funk sind blockiert. Delphine und Wale haben sich dieser Problematik angepasst und singen mit einer großen Frequenzbandbreite. Man fand heraus, dass die fortlaufenden Frequenzänderungen nicht nur zur Informationsübertragung dienen, sondern auch Störeinflüsse (unter anderem durch Nachhall und Rauschen) kompensieren. Akustische Unterwassermodems, die im Ultraschallbereich "singen", können digitale Daten auch über kilometerweite Distanzen sicher und umweltfreundlich übertragen. Autonome Forschungs- und Vermessungs-U-Boote, meereskundliche Messstationen und ein neuartiges Tsunami-Frühwarnsystem in der Tiefsee des indischen Ozeans wurden mit dieser Innovation ausgerüstet (Bannasch 2007, 209).

Konstruktions-Bionik

Die Konstruktions-Bionik möchte Konstruktionen der Natur kopieren. In der Verfahrens-Bionik setzt man dabei auf Adaptionen von natürlichen Prozessen hinsichtlich der Informationsübertragungs-, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien. Dies kann man als Informations-Bionik beschreiben. Weitere Ansatzmöglichkeiten in der Bionik: 1. Material-Bionik; 2. Werkstof-Bionik; 3. Konstruktions-Bionik oder Struktur-Bionik; 4. bionische Prothetik; 5. bionische Robotik; 6. Klima- und Energie-Bionik; 7. Bau-Bionik; 8. Sensor-Bionik; 9. bionische Kinematik und Dynamik; 10. Neuro-Bionik; 11. Evolutions-Bionik; 12. Prozess-Bionik und 13. Organisations-Bionik (Nachtigall 2002).

Die Bionik bietet Einsatzmöglichkeiten in zahlreichen Branchen: In der Medizintechnik, in der Verfahrenstechnik, im Anlagenbau, im Umweltschutz, in der Bau-, Pharma-, Automobil-, Flugzeugbau- und Chemieindustrie sowie in der Energiewirtschaft (BMBF 2005, 3). Die Nanobiotechnologie schlägt die Brücke zwischen der unbelebten und belebten Natur. Sie zielt darauf ab, biologische Funktionseinheiten in grundlegender Hinsicht zu verstehen (BMBF 2005, 5). Proteine nach Maß mit gewünschten Eigenschaften schneidern zu können, ist ein wichtiges Ziel der Biotechnologie. Die Schnittstelle zwischen Biologie und Materialforschung führt zum bionischen Werkstoffansatz. Beispiele sind biofunktionalisierte Oberflächen (z. B. für Korrosionsschutz, Anti-Fouling), biomorphe hierarchische Strukturen in synthetischen Werkstoffen (z. B. dem Holz nachempfundene Keramiken), biohybride Werkstoffe, biomineralisierte Werkstoffe (nach dem Vorbild der Muschelschale) und Trägermaterialien für bioanaloge Funktionen (wie Membranen-Filter und Katalysatoren (BMBF 2005, 6)). Die Natur ist für den heutigen Betrachter eine Meisterin der nachhaltigen Produktion: Produkte werden ökonomisch mit einem Minimum an Energie und Ressourcen hergestellt und die Abfälle immer vollständig in den natürlichen Kreislauf zurückgeführt (BMBF 2005, 7).

Bionik, ethische Dimension

Während Strukturen des Lebendigen als Vorbilder für technische Artefakte, Produkte und Verfahren außer Zweifel stehen, ist das Theorem "gemäß der Natur leben" in der neuzeitlichen Ethik keineswegs anerkannt. In der antiken Philosophie, insbesondere in der Stoa, lautete die Anweisung, die Natur nachzuahmen und das Vorbild der Natur umzusetzen, auch für die Ethik. Nur verstand die antike Philosophie Natur ganz anders als wir heute in den Naturwissenschaften: Sie war der unveränderliche, geordnete Kosmos (Fixsternhimmel, Konstanz der Arten), Ausdruck des göttlichen Logos (Vernunft), christlich die göttliche Schöpfung (Buch Genesis im Alten Testament), die gut und moralisch nicht neutral waren. Seit dem 19. Jahrhundert ist die belebte wie die unbelebte Natur als Evolution eine zufällig verlaufende Entwicklung, die sittlich und ethisch weder positiv noch negativ ist, sondern höchstens funktional. Eine Ableitung sittlicher Verpflichtungen aus Beschreibungen der Natur (z.B. des Menschen) verletzen das Hume'sche Gesetz (Irrgang 2001) und stellen einen "naturalistischen Fehlschluss" dar. Unbenommen davon können quasimoralische Verhaltensweisen, wie sie z.B. die Soziobiologie zu erklären versucht, durchaus unter natürlichen Rahmenbedingungen entstehen (Irrgang 2001). Ein Beispiel: Aus dem Reproduktionsverhalten von Säugetieren folgen keine sittlichen Verpflichtungen für die Sexualität bei Menschen.

Literatur

Bannasch, Rudolf 2007: Bionik; in: H. J. Bullinger (Hg.): Technologieführer; Grundlagen- Anwendungen-Trends; Berlin u. a., 204-209

Blüchel, Kurt 2006: Bionik. Wie wir die geheimen Baupläne der Natur nutzen können; München BMBF 2005: Innovationen aus der Natur. Förderkonzept Bionik; Bonn, Berlin
Irrgang, Bernhard 2001: Lehrbuch der Evolutionären Erkenntnistheorie; München, Basel

Irrgang, B. 2008: Philosophie der Technik; Darmstadt

Nachtigall, Werner 2002: Bionik; Berlin

Nachtigall, Werner 2006: Bionik – Was ist das? Was kann das? Was soll das (Audio CD); Köln

Rossmann, T., C. Tropea 2004: Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur, Ingenieur und Geisteswissenschaften; Berlin



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