Bionik - Der Natur abgeschaut

Bionik - Der Natur abgeschaut

Viele moderne Erfindungen - von der Autokarosserie bis zum Salzstreuer - kopieren Vorbilder aus der Natur. Seit 39 Jahren hat diese Wissenschaft einen Namen: Bionik.

Leonardo da Vinci, das Universalgenie des 15. Jahrhunderts, hatte eine besondere Gabe. Als Techniker, Architekt und Naturwissenschaftler erfand er Uhren, Fluggeräte, Waffen, Brunnen, Zugmaschinen, Festungen, Musikinstrumente und vieles mehr. Sein Genie bestand in erster Linie in der Fähigkeit, die Natur aufmerksam zu beobachten und von ihr zu lernen. So waren seine Flugapparate Fledermäusen und Vögeln nachempfunden und durch das aufmerksame Studium von Wasser- und Wolkenbewegungen lernte er die Gesetze der Schwerkraft für die Entwicklung von Maschinen zu nutzen. Auch die Malerei definierte er als "genaue Erforschung" und "legitime Tochter der Natur".

Eigentlich war Leonardo da Vinci einer der ersten Bioniker. Doch erst im Jahre 1958 wurde das Übertragen von Strukturen und Funktionen natürlicher Systeme auf die Technik durch den Begriff Bionik geprägt. Bionik steht für die Begriffe Biologie und Technik und ist unlängst ein anerkannter Wissenschaftsbereich. Tausende Erfindungen hat diese Wissenschaft bis heute hervorgebracht hat und es kommen noch immer viele hinzu.

Untrennbar verbunden: Biologie und Technik

Von der Natur abschauen macht Sinn. Tiere und Pflanzen haben im Laufe von Millionen Jahren perfekte Anpassungen an ihre Umwelt vollzogen. Nur das, was zum Überleben nützlich war, konnte sich durchsetzen. Auf diese Weise hat die natürliche Konkurrenz immer bessere und raffiniertere Verbesserungen hervorgebracht.

Leonardo da Vinci war nicht der erste Mensch, der durch Naturbeobachtungen neue Erfindungen entwickelte. Viele Waffen unserer Urahnen haben Vorbilder in der Natur. Die Katapulte der Griechen und der Römer funktionierten wie pflanzliche Fruchtkapseln, die ihre Samen in die Winde schleudern. Panzerrüstungen aus Stahl, wie sie die alten Ritter trugen, imitieren den Panzer einer Schildkröte und der Morgenstern, eine mittelalterliche Schlagwaffe, war der Blütenknospe von Disteln nachempfunden.

Schon früh nutzten Wissenschaftler die Methoden der Bionik. So ließ sich der Brite Marc Brunel durch die Bohrorgane von Holzwürmern inspirieren, mit dem die Würmer selbst in härteste Hölzer Löcher bohren konnten. Die von ihm entwickelte Technik einer Gesteinsvortriebsmaschine nach dem Vorbild des Holzwurms ermöglichte 1825-41 die Grabung des ersten Tunnels unter der Themse.

Der Ingenieur Georges de Mestral konzipierte 1951 ein revolutionäres Ver-schlußsystem: den Klettverschluß. Sein Vorbild war die Klettfrucht der Distel, die mit Hilfe von Widerhaken Spaziergänger und Tiere als unfreiwillige Beförderer für ihre Samen nutzt. Die winzigen Haken des Klettverschlußes verhaken sich genauso mit den Schleifen des Gegenstücks, wie die achtmal kleineren Häkchen der Distel im Fell von Tieren oder der Kleidung von Spaziergängern. Genial, praktisch und einfach.

Wie Pflanzen Klettverschluß, Fallschirm und Salzstreuer erfanden

Aber es geht noch leichter. Eines der ersten bionischen Patente meldete der naturbegeisterte Erfinder Raoul Francé an. Bei der Betrachtung einer Klatsch-mohnfrucht entdeckte er, wie geschickt die Frucht selbst bei geringstem Wind ihre Samen in den Wind streut. Am oberen Teil der Samenkapsel befinden sich kleine Löcher, aus denen bei jedem Windstoß einige Samen herausgeschleudert werden. Francé stellte dieses Prinzip auf den Kopf und entwickelte durch Nachbildung der Mohnfrucht den ersten Salzstreuer.

Auch der Löwenzahn hat eine intelligente Methode entwickelt, um seine Samen weiträumig zu verteilen. Jeder Samen ist dafür eigens mit einem Miniaturfallschirm ausgestattet. Schon ein schwacher Windstoß reicht aus, um die Samen 10 bis 20 Meter weit zu durch die Luft schweben zu lassen. Wir alle kennen die "Pusteblumen" aus der Kinderzeit. Moderne Fallschirme ahmen das Flugprinzip von Löwenzahn- und Wiesenbocksbartsamen nach, wobei eine möglichst große Fläche den Fall des Springers bremst.

Der Traum vom Fliegen

Überhaupt Fliegen: Hätten wir den Wunsch, Fliegen zu können je verspürt, wenn wir nicht täglich Vögel, Blätter und Samen durch die Lüfte schweben sähen? Neben den Fallschirmspringern haben auch Drachenflieger, Segelflieger, Hubschrauber und moderne Transportflugzeuge Vorbilder in der Natur. Hubschrauber verwenden das Flugprinzip von Ahornsamen und Libellen; Drachen- und Segelflieger nutzen die Auftriebkräfte der Winde, so wie es die Gleitsamen zahlreicher Pflanzen und tun.

Clément Ader war der erste Mensch, dem es gelang, mit einer motorisierten Maschine vom Boden abzuheben. Mit einem Fluggerät, dessen Form einer Fledermaus ähnelte schaffte er es, etwa 50 Meter weit zu fliegen. Noch erfolgreicher war Otto Lilienthal, dessen Gleitflieger ebenfalls Fledermäuse imitierten. Sein Bruder Gustav kopierte indessen mit einem Schlagflügel-Flugzeug das Flugprinzip von Vögeln.

Die Vorbilder für die Rumpfform moderner Verkehrsflugzeuge schwimmen im Wasser und sind bekannt für ihre Schnelligkeit und Wendigkeit. Delphine haben eine besonders strömungsgünstige Körperform, die als Vorbild für die aerodynamische Außenform von Flugzeugen dienten. Ihre Nase wurde zum Vorbild für den Bug von Tankern und nach dem Modell seiner reibungsarmen Haut wurde eine Spezialhülle entwickelt, mit der Schnellboote um fast 30 Prozent schneller werden können.

Haie lieferten das Modell für die Konstruktion einer Kunststofffolie, durch die der Luftwiderstand von Flugzeugen gesenkt werden kann. Die Oberfläche ihrer Haut ist mit Schuppen überzogen, die eine Umströmung des Wassers erleichtern. Wenn Airbus-Flieger mit einer künstlichen "Hai-Haut" überzogen werden, sparen sie jährlich bis zu 140.000 Tonnen Treibstoff.

Kein Zweifel, wir haben viel von der Natur gelernt und unsere Vorbilder in einigen Bereichen sogar übertroffen.

Doch es gibt noch immer einiges zu lernen. So kann die Hummel nach den heutigen Gesetzen der Aerodynamik bei 0,7 Quadratzentimeter Flügelfläche und 1,2 Gramm Gewicht eigentlich überhaupt nicht fliegen. Sie tut es aber trotzdem!

Die Natur als Architekt und Baumeister

Viele Formen und Konstruktionen der Natur haben Architekten zu Ideen angeregt. So sind Bienenwaben ein Paradebeispiel dafür, wie man mit möglichst wenig Baumaterial eine stabile Struktur erzeugen kann. Die Wabenstruktur der Bienen wird bei Kuppeln ebenso genutzt wie als Struktur für Kartone, Verbundmaterialien, Karosserien, Verkehrsreflektoren und Lautsprechermembranen. Auch die Spinnen zeigen uns, wie man mit wenig Material elastische und stabile Strukturen errichten kann. Ein bekanntes Beispiel für diese Leichtbauweise liefert das Dach des Münchner Olympiastadiums, das wie ein Spinnennetz einfach an Drahtseilen aufgehängt wurde.

Wer einmal versucht hat, eine Auster zu knacken, weiß, wie stabil ein Muschelgehäuse sein kann. Die Stabilität der Jakobsmuschel wird durch die Wellenform ihres Gehäuses erzeugt. Da wellenförmige Materialien mehr Belastung aushalten, wird dieses Prinzip für Kuppeldächer ebenso angewandt, wie für Wellblech-Konstruktionen. Sehr stabil sind auch die Stacheln von Igeln. Ihnen wurden moderne Träger-Konstruktionen (z.B. Pylon-Träger) nachempfunden.

Warum kann eine Schlange einen Fels oder Stein nach oben schlängeln, ohne abzurutschen? Die Schuppen ihrer Haut sind so angeordnet, das ein Gleiten in die eine Richtung erleichtert und in die andere erschwert wird. Sie besitzen also eine Art Schuppenbremse, die sie vor dem Zurückrutschen schützt. Eine von der Schlangenhaut abgeleitete Klebefolie wird heute zur Beschichtung von Langlaufskiern verwendet und verschafft Skifahrern das Gleitgefühl einer Kobra.

Warum sind Bäume stabiler als Strommasten?

Auch Bäume dienen als Vorbilder für technische Innovationen. So fragten sich Wissenschaftler des Karlsruher Kernforschungszentrums, warum große Bäume bei starken Winden viel seltener abbrechen als Hochspannungsmasten. Das Ergebnis ihrer computerberechneten Studie: Das Geheimnis der Stabilität von Bäumen liegt in der Spannungsverteilung.

An den Stellen, die besonderer Belastungen ausgesetzt sind, bauen Bäume dickere Jahresringe an. Damit wird die Spannung auf mehr Holz verteilt. Aus diesem Grund haben Bäume auch einen dicken Stamm. Denn wenn der Wind oben durch die Kronen fährt, wirken die höchsten Belastungen am Stamm des Baumes. Auch in Astgabeln finden wir dieses Prinzip wieder. Die Gabelstelle, an der hohe Belastungen wirken, ist besonders dick gewachsen. Ein einfaches, aber effektives Prinzip. Mehr als 300 Bauteile, von der Kurbelwelle bis zur Dachstrebe, wurden von den Wissenschaftlern des Forschungszentrums nach dem Vorbild der Bäume optimiert, indem einfach ihre Form leicht korrigiert wurde.

Ein anderes Beispiel für moderne Bionik liefert der BASF-Konzern in ganzseitigen Werbeanzeigen. Darin wird für ein neues Medikament gegen Gefäßerkrankungen geworben, dass in Kürze auf den Markt kommen soll. Auf der Suche nach einem Mittel, welches die Blutgerinnung verhindert, weckte der Blutegel das Interesse der BASF-Forscher. Denn sein Speichel enthält ein Protein, dass die Blutgerinnung verhindert. Dadurch ist der Blutegel in der Lage sich in aller Ruhe mit dem Blut seines Opfers vollsaugen zu können. Was des einen Leid ist, könnte schon bald des anderen Rettung werden. Denn durch chemische Veränderungen ist es den BASF-Forschern schliesslich gelungen, einen neuen Arzneistoff gegen den Herzinfarkt zu entwickeln.

Überhaupt macht die Bionik in neuer Zeit wieder häufig von sich Reden. Im Stern-TV stellte Günther Jauch kürzlich den Erfinder einer neuen Allzweckwaffe gegen Verunreinigungen an Fassaden, Geschirr und Kraftfahrzeugen vor. Dem findigen Tüftler war aufgefallen, das die großen Blätter der Lotus-Pflanze stets trocken und sauber sind. Des Rätsels Lösung: Die Blätter verfügen über eine mikrofeine Noppen-Struktur, welche Staub-, Schmutz- oder Wasserpartikeln eine Haftung unmöglich macht. Dem verblüften Publikum zeigte der Erfinder in der TV-Sendung einen Löffel mit derselben Oberflächen-Struktur, an dem kein Honig haften bleibt, sobald man ihn senkrecht hält. Ein Löffel, der sich ohne Wasser abwaschen läßt. Kurz darauf wurde in Werbespots die erste Fassadenfarbe auf "Lotus-Basis" angepriesen. Die Wandfarbe soll ein Verschmutzen der Fassade deutlich erschweren. Vielleicht ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis auch die ersten Autos mit selbstreinigender Oberfläche auf den Markt kommen.

Letzte Hürde: Künstliche Intelligenz

Eines der letzten ungelösten Rätsel der Wissenschaft ist die Entwicklung künstlicher Intelligenz. Selbst die schnellsten Computer besitzen nicht die Anpassungs- und Lernfähigkeit des menschlichen Gehirns. Doch auch hier könnte die Bionik Abhilfe schaffen und diesmal ist es der Mensch selber, der Pate für eine technische Entwicklung steht. Informatiker tüfteln an Neurocomputern, deren Funktionsweise unseren Gehirnzellen nachempfunden wird. Es gibt bereits erste Erfolge: So kann das Elektronenhirn dank der neuen Struktur Formen und Geräusche unterscheiden lernen. Dafür muß die Maschine wie der Mensch zuerst einen Lernprozeß druchlaufen. Ob es jemals gelingen wird, das hochkomplexe und sich ständig verändernde Gehirn eines Menschen künstlich nachzubauen ist allerdings fraglich. Und es sei dahingestellt, ob es wirklich wünschenswert ist, daß Computer eines Tages wie Menschen Denken können.


Text: Michael Krabs
Fotos: Bildagentur Zoonar (Mario Kaul, Joanna wnuk, Rebmann, Calvin)

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