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27.11.2018 | Von:
Prof. Dr. Dr. Bernhard Irrgang

Bionik gestern - heute - übermorgen

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.

Bionische Hand eines us-amerikanischen Irak-Veteranen, eines der ersten Exemplare, bei dem alle Finger individuell angetrieben werden.Bionische Hand eines us-amerikanischen Irak-Veteranen, eines der ersten Exemplare, bei dem alle Finger individuell angetrieben werden. (© AP)

Auf dem Weg zur Technologie von morgen gibt es grundlegend neue Trends. Zum Beispiel: Disziplinen greifen ineinander, etwa Bionik und synthetische Biologie, Nano- und Biotechnologie, Robotics, Biomedizin und Green Technology. Molekularbiologie ist mit dem funktionellen Moleküldesign bei denselben kleinen Strukturen angekommen wie die Physik. Zugleich eröffnen sich damit neue Wege zur Funktionalisierung. Nicht zu verwechseln ist diese Entwicklung mit der Diskussion um die Bionik in den 1970er Jahren. Hier muss klar unterschieden werden: Trachtete man zu jener Zeit in Ermangelung genauerer Kenntnisse über die molekularen Ursachen biologischer Disziplinen und Prozesse nach eher mechanistischen Übertragungen von Erkenntnissen aus der Natur auf die Technik, geht es heute um ein Zusammenwachsen der gestalterischen Möglichkeiten auf Basis solider molekularer bis quanteneffektbezogener Erkenntnisse (vgl. Bullinger 2007, 3f.). Bioingenieurskunst heute ist gerichtete Evolution, und die gibt es nur im Reagenzglas. Bionik kann als Evolutionstechnik verstanden werden, insbesondere die Konstruktionsbionik (vgl. Kutschera 2004, 81-89).

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 beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von "Erfindungen" der belebten Natur und ihrer innovativen Umsetzung in der Technik. Der Unterschied zwischen Natur und Technik verringert sich. 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).

Bionik kann als Top-down-Prozess (Analogie-Bionik) konzipiert werden. So wurde 1920 der Klettverschluss nach dem Vorbild der Kletten entwickelt. Während man die Bionik der 1970er Jahre noch unter dem Leitbild "Nachahmung der Natur" verstehen konnte, so hat sich dieses Verständnis 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 2003; Irrgang 2008; Irrgang 2010). 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. So kann Bionik auch als Bottom-up-Prozess (Abstraktions-Bionik; Übertragung biologisch-funktionaler Mechanismen in technologische Abläufe) modelliert werden. Dieser Transfer ist keine direkte Übertragung im Sinne des Kopierens, sondern ein eigenständiger, kreativer Forschungs- und Entwicklungsprozess, das heißt ein durch die Natur angeregtes technologische Neuerfinden, das bis zur Anwendung in der Regel über mehrere Abstraktions- und Modifikationsschritte abläuft.

Anwendungsbeispiele: Bei vergleichenden Studien zur Systematik pflanzlicher Oberflächen wurde entdeckt, dass die Blätter der Lotuspflanze über erstaunliche selbstreinigende Eigenschaften verfügen. Neuere Trends betreffen zum Beispiel klebfreies Haften. 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 und Spezialgerätschaften, insbesondere für die Biomedizintechnik (vgl. Bullinger 2007, 204-209). Die Konstruktions-Bionik möchte Konstruktionen der Natur kopieren. In der Verfahrens-Bionik spielen Informationsübertragungs-, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien eine Rolle. Dies kann man als Informations-Bionik beschreiben. Weitere Ansatzmöglichkeiten in der Bionik: 1. Material-Bionik; 2. Werkstoff-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 (vgl. Nachtigall 2002).

Die Bionik bietet Einsatzmöglichkeit in der Medizintechnik, in der Verfahrenstechnik, im Anlagenbau, im Umweltschutz, in der Bau-, Pharma-, Automobil-, Flugzeugbau- und Chemieindustrie sowie in der Energiewirtschaft. Die Nanobiotechnologie etwa schlägt die Brücke zwischen der unbelebten und belebten Natur . 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 und biomineralisierte Werkstoffe (nach dem Vorbild der Muschelschale) und Trägermaterialien für bioanaloge Funktionen (wie Membranen-Filter und Katalysatoren. Die Natur ist ein Meister der nachhaltigen Produktion: Produkte werden ökonomisch mit einem Minimum an Energie und Ressourcen hergestellt und die Abfälle immer vollständig in den natürlichen Kreislauf zurückgeführt (vgl. BMBF 2005, 3-7).

Die synthetische Biologie als "Bionik futura" möchte die molekularen Grundlagen der Stoffwechsel- und Fortpflanzungsfunktion einfacher einzelliger Organismen genau und vollständig verstehen, um sie nachzubauen. Der molekulare Schlüssel zum Verständnis des Phänomens Leben in seiner ganzen Breite soll mit reduktionistische Erklärungsstrategien erklärt werden, um die Erschaffung von Leben im Labor zu ermöglichen (Boldt u.a. 2009, 9-11). Die Verfahren und die Ziele der synthetischen Biologie sind (1) Erweiterung von Strukturen der Biologie, die in der Natur kein Vorbild mehr haben (2) Reduktion: der Minimalorganismus und Minimalzellen können ebenfalls kein Vorbild mehr in der Natur haben (3) Modularisierung: auch diese Formen können ein Novum darstellen (Boldt u.a. 2009, 42-53).

Spezielle Probleme der Bionik treten im Bereich Gehirn-Computer-Schnittstellen auf. Diese leiten vom Gehirn erzeugte Signale ab, um damit technische Systeme zu steuern. Insbesondere motorische Prothesen oder Exoskelette wären typische Anwendungen. Mit solchen Schnittstellen ausgestattete Patienten erschienen manchen Experten schon als Cyborgs (vgl. Clausen 2015, 75f.). Aber geht diese spezielle Anwendung wirklich über die Frage hinaus: Was passiert, wenn Technik eine Person verändert? Vor allem, wenn man berücksichtigt, dass bei jedem Gebrauch externer Werkzeuge nach einer Zeit der Übung eine Integration in das Selbstkonzept verbunden ist (zum Beispiel beim Autofahren ). Dann ist der Einsatz von Computer-Gehirn-Schnittstellen und damit gesteuerter motorischer Systeme in dieser Hinsicht nichts Besonderes (vgl. Clausen 2015, 77). Anderseits gibt der Mensch ein Stück weit die Kontrolle über sein Tun an einen anderen ab, wenn ein Arzt eine Prothese einstellt und damit das Verhalten seines Patienten nicht unerheblich beeinflusst (Beispiel Beatmungsgerät). Was beim Arzt auf mehrere Akte verteilt ist, wird bei der Gehirn-Computer-Schnittstelle zum Dauerzustand. Die Kontrollfunktion übernimmt jetzt nicht der Arzt, sondern das Programm, welches die Verbindung herstellt. Vollständige Fehlerfreiheit ist bei technischen Geräten grundsätzlich nicht erreichbar. Bemerkt der Patient eine fehlerhafte Aktion, muss er korrigierend eingreifen, sonst wäre er für den entstehenden Schaden sogar haftbar (vgl. Clausen 2015, 78).

Der Grund für diese Probleme ist, dass die Steuerungsalgorithmen nicht robust und zuverlässig genug sind. Viele der beeindruckenden Forschungsergebnisse wurden unter exakt definierten Laborbedingungen erzielt. Im Alltag muss die Mensch-Maschinen-Schnittstelle jedoch mit erschwerten Umständen zurechtkommen – etwa, weil sich die Position der Elektroden oder ihr elektrischer Kontakt mit der Haut nach dem Ab- und Wiederanlegen der Prothese verändert hat. Daher bedarf es intelligenter Prothesen, denn die menschliche Hand ist anatomisch und physiologisch eine hochkomplexe Konstruktion (vgl. Graimann 2015, 23f.). Der Mensch hat aufgrund der Erweiterungsfähigkeit seines Leibschemas die Möglichkeit, Exoskelette zu nutzen . Menschen müssen den Umgang mit Exoskeletten genauso einüben wie den Umgang mit anderen Techniken und Technologien. Auch nach Knie- oder Hüftoperationen sind Reha-Maßnahmen erforderlich. Der südafrikanische Olympiasieger im Sprint mit Unterbeinprothesen (Teilnahme bei den Olympischen Spielen und den Paraolympischen Spielen) berichtete, dass er etwa 14 Tage Eingewöhnungszeit für seine jeweils neuen Prothesen benötigte. Aber auch andere Vorgänge der Benutzung von Technologie und des Umgangs mit ihr – wie Autofahren oder Radfahren – benötigen eine Eingewöhnungszeit. Neu bei Prothesen und Exoskeletten ist, dass sich auch die Maschine durch Lernprozesse an die Bewegungsabläufe seines Benutzers gewöhnen kann, um den Erfolg des gesamten Unternehmens zu steigern. Exoskelette wären daher gleichzustellen mit autonom gesteuerten Fahrzeugen zu Land, zu Wasser und in der Luft.

Noch viel grundsätzlichere Bedeutung erhält die Bionik in der neuen Bioökonomie als nachhaltiger Recycling-Ökonomie. Das übliche "Downsizing" (Effizienzsteigerung) reicht nicht aus; "Upsizing" ist erforderlich, also die Bildung von Industrieclustern, die bspw. Abfall in anderen Bereichen wieder als Ressource nutzt. Die bislang übliche Beschränkung auf das Kerngeschäft der Bioökonomie reicht nicht mehr. Es gilt also für eine zukünftige nachhaltige Wirtschaftsform, die Kunst des schnellen Handels mit wissenschaftlicher Forschung zu verbinden. Wir brauchen an der Biologie orientierte Managementsysteme in der Wirtschaft (vgl. Pauli 2010, 17-21), denn Evolution ereignet sich aufgrund von Interdependenz und Kooperation. Das Gesetz der Entropie sollte durch ein Gesetz der Regeneration ersetzt werden (vgl. Irrgang 2018).

Postulate: Wir brauchen einen Paradigmenwechsel, der die tiefgreifende Abhängigkeit der Phänomene untereinander aufzeigt und von ihnen ausgeht, wobei auch verborgene Zusammenhänge erahnt und berücksichtigt werden müssen (vgl. Pauli 2010, 39-44). Bei jeder Verarbeitung einer Ressource müssen auch die Nebenprodukte untersucht werden und die Wiederverwertbarkeit von Rohstoffen zum obersten Leitziel des Produktionsverhaltens gemacht werden (vgl. Pauli 2010, 45-53). Wir können uns also auch für die Rohstoffverwertung von der Biologie inspirieren lassen. Dies wird die strategische Achse unserer Zukunft werden. Dazu ist das Konzept der nachhaltig wirtschaftenden Bio-Plantage zu konzipieren (vgl. Pauli 2010, 89-109). Insgesamt ist darauf hinzuweisen, dass die so erforderliche Zusammenarbeit verschiedener Industrien zur Abfallbeseitigung in der gewünschten Form des Recyclings und der Kreislaufwirtschaft strategische Planung von Informationstechnikern und den Zusammenschluss von Industrien zu größeren Einheiten erforderlich macht (vgl. Pauli 2010, 152-179).

Literatur

Blüchel, Kurt 2006: Bionik. Wie wir die geheimen Baupläne der Natur nutzen können; München

Boldt, Joachim, Oliver Müller, Govanni Maio 2009: Synthetische Biologie. Eine ethisch-philosophische Analyse; Bern

Bullinger, Hans-Jörg (Hg.) 2007: Technologieführer. Grundlagen – Anwendungen – Trends, Berlin u. a.

BMBF 2005: Innovationen aus der Natur. Förderkonzept Bionik; Bonn, Berlin

Clausen, Jens 2015: Verschwimmende Grenzen zwischen Mensch und Technik; in: Spektrum Spezial Physik. Mathematik. Technik 2/15,74-79

Graimann, Bernhard 2015: Auf dem Weg zur perfekten Prothese; in: Spektrum Spezial Physik. Mathematik. Technik 2/15, 20-27

Irrgang, B. 2003: Von der Mendelgenetik zur synthetischen Biologie. Epistemologie der Laboratoriumspraxis Biotechnologie; Technikhermeneutik Bd. 3; Dresden 2003

Irrgang, B. 2008: Philosophie der Technik; Darmstadt

Irrgang, B. 2010: Von der technischen Konstruktion zum technologischen Design. Philosophische Versuche zur Theorie der Ingenieurspraxis; Münster

Irrgang, B. 2018: Art. Gentechnik; in: Staatslexikon, herausgegeben von der Görres Gesellschaft und dem Herder Verlag 8 2018; Freiburg, 1126-1138

Kutschera, Ulrich 2004: Streitpunkt Evolution. Darwinismus und intelligentes Design; Münster

Nachtigall, Werner 2002: Bionik; Berlin 22002

Pauli, Gunter 2010: Neues Wachstum. Wenn grüne Ideen nachhaltig "blau" werden. Die ZERI- Methode als Standpunkt einer Blue Economy; EA 1999 "Upcycling"; Berlin

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Je genauer das Genom, das Erbgut eines Menschen, entschlüsselt werden kann, je mehr man über die molekularen Ursachen einer Krankheit weiß, desto besser lassen sich für den einzelnen Patienten die erfolgreiche Behandlungsstrategie und das passende Medikament finden - so die Vision von biomedizinischer und pharmakologischer Forschung.

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