Bionik

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Forschung

Bionik

Die Evolution hat im Laufe der Zeit geniale Lösungen für Anpassungen an extreme Lebensräume entwickelt. Ob im Wasser, an Land oder in der Luft – wer überleben will, braucht besondere Fähigkeiten und Eigenschaften. Viele Tiere können sich – je nach Lebensraum – extrem energiesparend fortbewegen, sich unter schwierigen Bedingungen orientieren und verständigen. Andere wiederum verfügen über ultraleichte, aber sehr stabile Körperpanzer. Bioniker versuchen, die Geheimnisse von Naturprinzipien zu entschlüsseln und sie als Vorbild für die Entwicklung neuer technischer Lösungen zu nutzen.

Millionen Jahre lange Optimierung

Delfine schwimmen im Delfinarium

Delfine gehören zu den Zahnwalen

Die perfekte Anpassung von Pflanzen und Tieren an ihre Umgebung ist ein Ergebnis der Evolution – und die ist nichts anderes als ein viele Millionen Jahre lang andauernder Optimierungsprozess. Mutationen und ständige Neuvermischung der Erbanlagen bei der Fortpflanzung führen viele kleine Veränderungen herbei, die nicht ohne Folgen bleiben. Der Kampf um Fortpflanzungsmöglichkeiten und knappe Ressourcen führt zu einer natürlichen Selektion, die eine ständige Weiterentwicklung und verbesserte Anpassung an die Lebensbedingungen vorantreibt.

Die daraus resultierenden Fähigkeiten und Eigenschaften von Tieren und Pflanzen könnten Forschern wertvolle Hinweise liefern, um neue und effizientere technische Produkte herzustellen. Der Forschungszweig nennt sich Bionik – die Symbiose von Biologie und Technik.

Keine Kopiervorlage

Nahaufnahme eines Lotusblattes auf dem Wassertropfen perlen.

Lotusblätter lassen Wasser und Schmutz abperlen

Selbst wenn die Natur mit einer scheinbar perfekten Lösung aufwartet – einfach kopieren lässt sich kaum etwas. Vom biologischen Phänomen bis zu einer technischen Umsetzung ist es meist ein weiter Weg. Entscheidend ist das Verständnis für das zugrunde liegende Prinzip: Beispiel Lotuseffekt.

Der Effekt, die selbstreinigende Eigenschaft der Lotuspflanze, ist schon lange bekannt. Aber erst die systematische Untersuchung zeigte, wie er zustande kommt: Die Blätter der Lotuspflanze sind mit mikroskopisch kleinen Wachsspitzen überzogen, an denen Wasser einfach abperlt und den Schmutz dabei mitnimmt. Bei der Übertragung des Effekts auf Wandfarben, Dachziegel oder Plastikboxen wurde später die Art der Oberflächenstruktur nachgeahmt.

Neuer Ansatz mit langer Tradition

Porträt von Leonardo da Vinci

Leonardo da Vinci gilt als Urvater der Bioniker

Der Begriff Bionik ist noch gar nicht so alt. 1960 führte der amerikanische Luftwaffenmajor Jack E. Steele die englische Entsprechung "bionics" auf einem von der Luftwaffe gesponserten Symposium ein. Die Idee dahinter ist allerdings wesentlich älter. Bei der Eroberung des Luftraums stand die Natur von Anfang an Pate. Schon im 16. Jahrhundert erdachte Leonardo da Vinci Flugmaschinen nach dem Vorbild des Vogelflugs. Leonardo gilt als Urvater der Bioniker.

Später, Anfang des 19. Jahrhunderts, orientierte sich George Cayley bei der Konstruktion der ersten funktionierenden Fallschirme an den Flugsamen heimischer Pflanzen. Otto Lilienthal erkannte Anfang des 20. Jahrhunderts als Erster die Bedeutung der Flügelwölbung für den Auftrieb – und legte damit die Grundlage für die ersten erfolgreichen Gleitflüge.

Selbst heute ist die Eleganz und Effizienz des Vogelflugs immer noch wegweisend und unerreicht. Die aufgespreizten Schwungfedern am Flügelende sind Vorbild für entsprechende Winglets, die an immer mehr Flugzeugtragflächen zu sehen sind. Sie reduzieren die Wirbelbildung am Flügelende – und damit auch den Luftwiderstand und den Treibstoffverbrauch.

Libellen – ultraleichte Flugkünstler

Aufnahme einer Libelle

Die Ultraleichtbauweise der Libellen gilt als unübertroffen

Manche Leistungen in der Natur sind trotz zahlreicher Kopierversuche bis heute unerreicht. Insekten gehören zu den kleinsten und ältesten Flugkünstlern in der Natur. Sie könnten Vorbild für kleine Flugroboter werden, die in Katastrophengebieten Aufklärungsarbeit leisten. Extreme Beweglichkeit und umfangreiche Rotationsfähigkeiten der Flügel erlauben je nach Situation Schwebe-, Segel- oder Schnellflug.

Unübertroffen ist die filigrane Ultraleichtbauweise der Libellen. Die Flügel der Libelle werden durch ein intelligent angeordnetes Ader- und Röhrensystem stabilisiert. Ihr Gewicht macht gerade einmal ein bis zwei Prozent des Gesamtgewichts aus. Libellen wären also ein ideales Vorbild für Mini-Flugroboter.

Haie – schnelle Jäger der Meere

Aufnahme eines Hais

Die Haihaut hat strömungsgünstige Eigenschaften

Haie zählen zu den besten und elegantesten Schwimmern unter den Meerestieren. Die besondere Oberflächenstruktur ihrer Haut macht es möglich. Die Haihaut besteht aus spitzen beweglichen Hautschuppen. Sie besitzen zusätzlich feine Rillen, die der Haioberfläche besonders strömungsgünstige Eigenschaften verleihen. Dank der Senkung des Reibungswiderstandes können Haie sich nicht nur sehr schnell, sondern auch sehr energiesparend fortbewegen.

Ein weiterer positiver Effekt der spitzen, beweglichen Hautschuppen: Es können sich keine Fremdorganismen wie Seepockenlarven oder Muscheln anheften. Auch das senkt Reibungsverluste im Wasser. Ein neu entwickelter Bootsanstrich, der die Haihautoberfläche nachbildet, ist bereits auf dem Markt. Er steht als Alternative zu den herkömmlichen, chemisch wirkenden "Antifouling-Anstrichen" gegen Besatz an Bootsrümpfen zur Verfügung.

Sandfische – "schwimmend" durch den Wüstensand

Auch einige Landtiere haben ihren Reibungswiderstand perfekt minimiert. Der Sandskink, ein in der Sahara vorkommendes Reptil, taucht problemlos in den Wüstensand und kommt dort – ähnlich wie ein Fisch – mit schlängelnden Bewegungen erstaunlich schnell voran. Der Sandfisch verdankt diese besondere Fähigkeit ebenfalls seiner einzigartigen Hautoberfläche. Sie ist extrem glatt – glatter als bisher bekannte technische Oberflächen wie Teflon, Glas oder Stahl.

Auch was die Widerstandsfähigkeit angeht, braucht die Sandskink-Haut keinen Vergleich zu scheuen. Die Dauerbelastung im spitzen, scharfen Wüstensand führt zu keinerlei Abrieb – ein dachziegelartiger Aufbau lässt die Körner einfach abperlen. Dieses Prinzip könnte Vorbild für hochwertige kratzfeste Lacke und Farben werden.

Spinnen – konstruieren nach dem Leichtbauprinzip

Aufnahme eines Spinnennetzes

Spinnenseide ist extrem reißfest, leicht und elastisch

In der Natur herrscht der architektonische Anspruch vor, möglichst im Leichtbauverfahren mit einem Höchstmaß an Stabilität neue Strukturen zu erschaffen. Diese Vorgaben spiegeln sich bei den Spinnen unter anderem in der hohen Reißfestigkeit und Elastizität der verschiedenen Netzvarianten wider.

Ob Rad- oder Trichternetz, immer achtet die Spinne darauf, möglichst wenige Spinnenfäden zu verarbeiten, ohne dabei die Festigkeit des Netzes aufs Spiel zu setzen. Das ist möglich, weil die Fäden aus Spinnenseide bestehen, die fünfmal so reißfest ist wie Stahl und ein äußerst geringes Gewicht aufweist.

Insgesamt spart diese Vorgehensweise wertvolle Energie und Baumaterial, ist zudem sehr effektiv und vergleichsweise langlebig. Bioniker versuchen, Spinnenseide künstlich, aber naturgetreu nachzubilden, um sie als biokompatibles Material in der Medizintechnik oder für extrem reißfeste und wetterbeständige Kleidung einzusetzen.

Geschärfte Sinne

Auch in der Wahrnehmung ihrer Umwelt sind viele Organismen vollkommen an die äußeren Bedingungen angepasst. Speziell im fremden Medium Wasser ist die Natur der menschlichen Technik oft ein Stück voraus, denn die Reichweite von Licht- und Funkwellen ist dort stark begrenzt.

Lange Zeit suchten Ingenieure nach einer Möglichkeit, unter Wasser zu kommunizieren. Eine überraschende Lösung und Grundlage zur Entwicklung eines Unterwassermodems lieferte hier die Untersuchung der Verständigung von Delfinen.

Auch die elektrischen Organe, mit denen sich einige Fische im trüben Wasser orientieren, haben ein enormes technisches Potenzial. Die Wahrnehmung elektrischer Felder liefert neben dem räumlichen Eindruck nämlich auch Informationen über die Materialbeschaffenheit und könnte unter anderem zur Diagnose in Kläranlagen, Hochöfen, und auch bei chirurgischen Eingriffen eingesetzt werden.

Autoren: Sebastian Rams/Tobias Schlößer

Stand: 17.08.2016, 13:38

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