Bionik

Bionik bedeutet übersetzt so viel wie „das Studium des Lebens“. Bioniker versuchen in ihrer Forschung, Grundsätze der Natur, also von Pflanzen oder Tieren, auf die Technik anzuwenden. Da Tiere und Pflanzen sich extrem an ihre Umgebung anpassen können und durch eine Reihe besonderer Fähigkeiten die Schnelligkeit ihrer Bewegungen, die Verfeinerung ihrer Orientierung oder die Stabilität ihres Äußeren auf die gegebenen Lebensumstände einstellen, bieten sie den Forschern Beispiele, die diese auf die technische Entwicklung anzuwenden versuchen.

Bionik und Evolution

Im Laufe der Millionen von Jahren, seit denen es Leben auf unserem Planeten gibt, haben sich die Pflanzen und Tiere durch einen ständigen Prozess des Optimierens an die, sich immer wieder verändernden, Lebensumstände anpassen müssen. Indem Erbanlagen sich vermischt haben oder mutierten, änderten sie sich in jeder neuen Generation, um den harten Überlebenskampf zu überstehen. Diese Anpassung und stetige Weiterentwicklung führte dazu, dass nur der Stärkste überlebte. Die Eigenschaften der Tiere und Pflanzen, die sich durch diese Anpassungsfähigkeit auszeichnen, sind für Bioniker hilfreiche Ratgeber, um die Effizienz technischer Produkte zu steigern. Bioniker vereinen Biologie und Technik zu einem neuen Forschungszweig.

Bionikforschung

Die technische Kopie der Natur?

Einfaches Kopieren der Natur auf die Technik ist allerdings nicht möglich. Oft braucht es eine lange Zeit, um Effekte, die uns von der Natur vorgegeben werden, auf die Technik anzuwenden. Am bekanntesten aus der Bionik ist der Lotus-Effekt, den uns die Lotuspflanze vormacht, deren Fähigkeit der Selbstreinigung ihrer Blätter auf die Oberflächenbeschaffenheit einiger Produkte übertragen wurde. Dazu musste genau untersucht werden, wie dieses Prinzip funktioniert und man erkannte unter dem Mikroskop, dass die Blätter der Lotuspflanze mit winzigen Wachsspitzen ausgestattet sind, an denen das Wasser nicht anhaften kann und beim hinabfließen den Schmutz einfach mitnimmt.

Dieser Effekt ist uns schon aus der Fahrzeugpflege bekannt oder wird beim Produzieren von Dachziegeln oder Wandfarben angewandt.

Die Anfänge der Bionik

Das erste Mal hörte man das Wort „bionics“ auf einer Konferenz der Luftwaffe, bei der Jack E. Steele, ein Major der amerikanischen Luftwaffe, den Begriff ausführte. Doch schon Leonardo Da Vinci nahm sich im 16.jahrhundert die Natur als Muster und konstruierte seine Flugmaschinen nach dem Vorbild der Vögel. Als Beispiel für einen Fallschirm, der im 19. Jahrhundert von George Cayley entwickelt wurde, diente der Flugsamen von heimischen Pflanzen. Eine wichtige Fähigkeit für den Erfolg der Gleitflüge leitete Otto Lilienthal im 20.Jahrhundert an der Wölbung der Flügel ab, die für den Auftrieb beim Fliegen von großer Wichtigkeit ist. Die elegante und effiziente Art, wie Vögel ihre Flugkünste zeigen, dient noch immer als Wegweiser für die Forschung und kann doch nicht gänzlich durchschaut werden. Abgeschaut hat man sich allerdings die Eigenschaft der Schwungfedern, die an den Enden der Vogelflügel zu sehen sind und dafür sorgen, dass nicht zu viele Wirbel am Flügelende gebildet werden. Dies haben Techniker schon auf Flugzeugtragflächen übertragen, die seit ein paar Jahren immer häufiger „lange Ohren“ oder Spitzen an den Flügeln tragen, die Winglet, Sharklet oder Wingtip heißen und dafür sorgen, dass das Flugzeug einen geringeren Luftwiederstand beim Sink- oder Steigflug hat, eine bessere Stabilität am Boden und weniger Treibstoff verbraucht.

Bionik-und-Mensch

Libellen als Vorbild für die Leichtbauweise

Manche Fähigkeiten oder Eigenschaften von Tieren können trotz vieler Versuche nicht kopiert werden. Als Vorbild für Flugkünste wie Schnell-, Segel- oder Schwebeflug dient die Libelle, die mit Flügeln ausgestattet ist, die ihre Stabilität durch ein ausgeklügeltes System von Adern und Röhren enthalten und trotzdem nur 1 bis 2 Prozent des Gesamtgewichtes der Libelle ausmachen. Könnte man ihre Eigenschaften auf die Technik übertragen, käme ein Mini-Flugroboter dabei heraus, der in Katastrophengebieten zu Aufklärungszwecken eingesetzt werden könnte. Doch die Flugkünste der meisten fliegenden Insekten sind bis heute noch nicht erreicht worden.

Die Haie und ihre Hautbeschaffenheit

Der Hai dient als Vorbild für neu entwickelte Anstriche für Boote, die der Oberflächenbeschaffenheit der Haut von Haien nachempfunden wurde. Der Hai ist das Meerestier, das als bester und elegantester Schwimmer bezeichnet wird. Seine Hautschuppen sind spitz und beweglich und zusätzlich von feinen Rillen durchzogen, die es möglich machen, dass ein Hai wenig Reibungswiderstand hat und jede Strömung perfekt und mit wenig Energieaufwand ausnutzen kann. Zudem verhindert die spitze Oberflächenstruktur ein Anheften von Muscheln, Seepocken oder anderen kleineren Meerestieren, die sich bei anderen Fischen gerne auf der Haut festsetzen und dadurch Reibungsverlust beim Schwimmen bewirken. Diese Eigenschaften tragen die neuen Bootsanstriche, die nun keine chemischen Zusätze mehr enthalten, um die Anlagerung oder Besiedelung von sessilen Organismen zu verhindern.

Sandskink – ein „schwimmendes“ Wüstenreptil

In der Sahara findet man den Sandskink, ein Reptil, das sich ähnlich wie ein Fisch im Wüstensand bewegt und sich durch schlängelnde Bewegungen extrem schnell fortbewegen kann. Auch hier ist ein Blick auf die Hautoberfläche und seine Beschaffenheit interessant, denn es zeigt sich, dass diese noch glatter ist, als andere bekannte Oberflächen aus dem technischen Bereich, wie Teflon, Stahl oder Glas. Auch ein Abrieb der Haut kann selbst durch den ständigen Kontakt mit scharfem und spitzem Wüstensand nicht festgestellt werden, weswegen die Widerstandsfähigkeit der Sandskink-Haut als Vorbild für Lacke mit hoher Kratzfestigkeit dienen soll.

Das Leichtbauprinzip der Spinnen

Die Fähigkeit der Spinnen, ein Höchstmaß an architektonischer Leistung zu erbringen, wenn sie mit ihren extrem reißfesten und elastischen Fäden im Leichtbauverfahren über Nacht neue Strukturen erbauen, dient als Vorbild für neues Material, das unter anderem im medizinischen Bereich eingesetzt werden soll. Die Spinne verarbeitet so wenig Material wie möglich und versucht trotzdem eine hohe Festigkeit des Netzes zu erreichen. Die Spinnenseide, die zur Konstruktion für ihre Netze in ihren Spinndrüsen gebildet wird, hat die Fähigkeit, bezogen auf ihr Gewicht, vier Mal so belastbar zu sein wie Stahl und um das Dreifache gedehnt werden zu können, bevor es reißt. Dadurch wird Material und Energie eingespart und eine hohe Effektivität und Lebensdauer erreicht. Die Versuche der Bioniker, Spinnenseide auf künstlichem Wege herzustellen, soll dann in der Medizin zur Produktion von biokompatiblem Material dienen oder in der Textilbranche zur Herstellung neuer reißfester Kleidung, die jedem Wetter strotzt.

Delfine und ihre scharfen Sinne

Vor allem für das Medium Wasser dienen Delfine den Bionikern als Vorbilder, da sie durch ihre scharfen Sinnen fähig sind, im Wasser zu kommunizieren und Dinge in ihrer Beschaffenheit wahrzunehmen, selbst wenn das Wasser sehr trübe ist oder die Entfernung sehr groß. Das technische Potenzial, das in Fischen und ihrer Fähigkeit zur Orientierung unter Wasser selbst unter extremen Umständen, steckt, können Forscher in der Chirurgie einsetzen oder aber in der Fehlersuche bei Kläranlagen und Hochöfen. Die Anpassung der Organismen an ihre Umwelt wird noch viele Beispiele zur Erforschung liefern, die in den nächsten Jahren und Jahrzehnten im technischen Bereich umgesetzt werden.

Heike Leonhardt Verfasst von:

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