Bionik

Der Begriff Bionik wurde 1958 auf einem Kongress in Dayton/Ohio vom amerikanischen Luftwaffenmajor J. E. STEELE (1924–2009) geprägt. Er sollte das „Lernen aus der Natur für die Technik“ verdeutlichen. Oder, wie der deutsche Vorreiter der Bionik, WERNER NACHTIGALL (*1934), es formulierte: Lernen von der Natur für ein eigenständiges technisches Gestalten.

Wenngleich der Begriff neu war, bezeichnete er doch nur eine seit Jahrhunderten immer wieder versuchte Verfahrensweise. Schon das Allroundgenie LEONARDO DA VINCI (1452–1519) entwarf um das Jahr 1500 eine Reihe von Flugapparaten nach dem Vorbild von Vogelschwingen und den rotierenden Samen des Ahornbaums. Bis sich jedoch ein Mensch mit flügelähnlichen Konstruktionen tatsächlich in die Luft erhob, sollte es noch rund 400 Jahre dauern, denn DA VINCIs Apparate waren nicht flugtüchtig. Zu sehr beruhten sie noch auf einer bloßen Nachahmung des natürlichen Vorbilds ohne Berücksichtigung der fundamentalen physikalischen Gesetze.

Die Legende von IKARUS

Hätte IKARUS, der „fliegende Mensch“ der griechischen Mythologie, die wichtigsten Prinzipien der heutigen Bionik gekannt, wäre er vielleicht nicht abgestürzt. Der Sage nach schmolzen dessen genau nach dem Vorbild des Vogelflügels konstruierten Flügel aus Federn und Wachs, weil er der Sonne zu nahe kam, und ließen ihn abstürzen. Und auch in der Realität waren viele Jahrhunderte hindurch die Versuche des Menschen, die Natur zu kopieren, meist zum Scheitern verurteilt. Zwar gibt es Ausnahmen wie den Kunststoffschwamm oder den Klettverschluss, die auf einer rein morphologischen Nachahmung beruhen – doch die Regel sind sie nicht.

Für WERNER NACHTIGALL, den renommiertesten deutschen Bioniker, ist die Ursache dafür klar: „Die Natur liefert keine Blaupausen für die Technik. Die Meinung, man bräuchte die Natur bloß zu kopieren, führt in eine Sackgasse.“ Ähnlich formuliert es auch der Engländer JULIAN VINCENT: „Eine exakte Kopie der Natur wäre unklug, denn die Natur ist nicht nur unglaublich komplex, in ihr herrschen auch völlig andere Bedingungen.“

Bioniker stehen daher vor der Herausforderung, erst einmal zu verstehen, welche physikalischen Prinzipien hinter einer erfolgreichen natürlichen Konstruktion stecken. Wer fliegen will wie ein Vogel, muss zunächst analysieren, warum der Vogel überhaupt fliegen kann. Erst dann kann die daraus gewonnene Erkenntnis in eine technische Struktur umgesetzt werden. „Entscheidend ist“, so betont auch WERNER NACHTIGALL, „dass wir mit dem Know-how der Technik und Physik an die Natur herangehen und die richtigen Fragen stellen.“

Und Fragen an die Natur haben im Moment Hochkonjunktur: Nicht mehr nur die klassischen Ingenieursdisziplinen wie Flugzeug- und Schiffsbau oder die Architekten suchen dort nach Anregungen und Impulsen, auch Materialwissenschaftler, Klimatechniker und Informatiker orientieren sich immer mehr an natürlichen Vorbildern. Denn die Konstruktionen der Natur sind vor allem eins: effektiv bei maximaler Energie- und Materialausnutzung. Im Zeitalter schwindender Ressourcen und drohender Klimaveränderung sind es vor allem diese Eigenschaften, die die Natur als Vorbild interessanter denn je machen.

Die Bionik umschreibt einen Wissenschaftszweig, der sich der vergleichenden Betrachtung biologischer und technischer Systeme widmet. Sie befasst sich also mit den Möglichkeiten der Anwendung von biologischen Funktionsprinzipien in der Technik. Technische Systeme können durch die Ergebnisse dieser Wissenschaft eine Erhöhung der Qualität und eine Erweiterung im Allgemeinen erfahren. Im Mittelpunkt des Interesses stehen vor allem biomechanische Probleme sowie Prinzipien der Nachrichtenverarbeitung und -übertragung und letztendlich die Energieumwandlungsmechanismen von autotrophen Organismen.

Lebenden Systemen werden ihre eigens entwickelten Problemlösungen abgeschaut und anschließend in sich daraus ergebenden konstruierten technischen Systemen verwirklicht bzw. simuliert. Dafür gibt es eine ganze Menge an Beispielen, wie etwa die Überdachungskonstruktionen nach dem Bauprinzip von Schneckenhäusern oder den Mikrostrukturen von Kieselalgen und Radiolarien.

Die Bionik ist ein Wissenschaftszweig der Zukunft, der dem Wissenschaftler unzählige Anwendungsmöglichkeiten bietet. Forscher versuchen, auf den unterschiedlichsten Segmenten die „Arbeitsweisen der Natur“ für den wirtschaftlichen Gebrauch nutzbar zu machen. Diese ausgeklügelten technischen Lösungen nach dem Vorbild der Natur sind ein vielversprechender Ansatz, mit begrenzten Ressourcen sparsamer umzugehen und somit letztendlich die Umwelt zu schonen oder weniger zu belasten.

Die Natur hat für die unterschiedlichsten Fragestellungen aus Industrie und Technik erstaunliche Lösungen parat. Durch ihre im Laufe der Evolution entstandenen optimierten „Erfindungen“ bietet sie Konstruktionsprinzipien von sehr hoher Leistungsfähigkeit bzw. Wirksamkeit.

Analogien von Natur und Technik

Aber auch unabhängig voneinander haben Natur und Ingenieure oft täuschend ähnliche Strukturen entwickelt. Diese Analogien beruhen darauf, dass – wie in der Natur selbst auch – bestimmte Probleme unter gleichen oder ähnlichen Voraussetzungen gelöst werden müssen.

In der Natur hat die Evolution im Verlauf von Jahrmillionen dafür gesorgt, dass nur solche Konstruktionen und Methoden überlebten, die mit einem Minimum an Energie und Material auskommen. Organismen, die möglichst effektive Methoden der Nahrungsgewinnung, Fortpflanzung oder Fortbewegung entwickelten, hatten einen Vorteil gegenüber der weniger effektiv „wirtschaftenden“ Konkurrenz und setzten sich langfristig durch.

Nicht viel anders ist der Prozess in der Technik: Erfindungen und Entwicklungen werden in der Regel nur dann von der Industrie oder dem freien Markt angenommen, wenn sie mit möglichst geringen Kosten für Energie, Produktion oder Material verbunden sind. Dies führte dazu, dass Architekten und Ingenieure häufig die energie- oder materialsparenden Konstruktionsprinzipien der Natur reproduzierten, ohne sich dessen bewusst zu sein – sie erfanden das Rad neu.

Eines der bekanntesten Beispiele ist das 1972 vom Architekten FREI OTTO (*1925) erbaute Dach des Münchener Olympiastadions. Die Glas- und Stahlkonstruktion des Daches ist frei an Masten aufgehängt; die unterschiedliche Krümmung der Dachfläche verleiht ihm trotz der leicht und luftig wirkenden Form große Festigkeit. Erst später stellten die Ingenieure fest, dass die Natur bereits eine ganz ähnliche Konstruktion hervorgebracht hatte – das zwischen Gräsern aufgehängte Netz der Zitterspinnen. Wie beim Dach des Stadions müssen die dünnen Fäden des Netzes nur den Zugbelastungen standhalten, die Druckbelastungen übernehmen die „Masten“ der Grashalme.

Auch bei anderen Leichtbauweisen scheinen die Architekten Anschauungsunterricht bei der Natur genommen zu haben. Viele ältere Eisenbahnbrücken, wie die Brücke über den schottischen Firth of Forth, wurden in Stahlbauweise konstruiert. Statt massiven Steins tragen hier verstrebte Eisenträger das Gewicht. Verblüffenderweise gleicht diese Art der Verstrebung dabei bis in die Details den Versteifungen im Inneren von vielen hohlen Vogelknochen, darunter vor allem den Becken der Laufvögel. Beide, Brücke und Becken, sind darauf ausgerichtet, hohen Belastungen mit minimalem Materialaufwand standzuhalten – daher auch die Analogie der Form.

Solche Konvergenzen zur Natur finden sich aber nicht nur in der Architektur, sondern auch in nahezu jedem Haushalt: So sind die ringförmigen Rippen des Staubsaugerschlauchs kein Zufall. Sie haben die Aufgabe, den Schlauch auch dann noch offen zu halten, wenn er stark gebogen wird. Ein normaler Schlauch ohne Rippen knickt in einem solchen Fall leicht ab und verschließt damit die Öffnung im Inneren. Nach dem gleichen Prinzip sind in der Natur auch die Tracheen der Insekten oder die Wasserleitungsbahnen im Holz stabilisiert.

Phänomene der Bionik

Vorstellungen aus Science-Fiction-Romanen oder Filmen scheinen allmählich Wirklichkeit zu werden. So sind bestimmte Häuser bereits in der Lage, ihre Temperatur zu steuern und sich bei einem Erdbeben so zu bewegen, dass sie nicht zusammenstürzen. Oder aber die neu entwickelten Flugzeuge, die für Start und Landung selbstständig ihr Flügelprofil dicker oder dünner werden lassen, wodurch die Steuerklappen überflüssig geworden sind. Letztendlich könnte man noch die Schiffe erwähnen, die anstelle der herkömmlichen Schrauben flossenähnliche Konstruktionen aufweisen, die einem Frachter tatsächlich ermöglichen, zum Rennschiff zu werden.

Viele Wissenschaftler arbeiten voller Enthusiasmus an diesen lebendig-organischen, mitdenkenden Werkstoffen, die unter „Insidern“ auch als „Smarties“ bezeichnet werden. Vorbild bei all diesen Entwicklungen ist die lebendige Natur. So wie Tiere und Menschen in der Lage sind, äußere Reize über Nervenbahnen zum Gehirn weiterzuleiten, diese dort zu verarbeiten oder aber mit Muskelbewegungen auf Veränderungen in ihrer Umwelt zu reagieren, sollen sich auch tote Werkstoffe in Zukunft verhalten. Auch Immunsysteme sollen geschaffen werden, die bei Verletzung oder Beschädigung in der Lage sind, die Objekte zu heilen bzw. instand zu setzen. Man benötigt dafür drei unterschiedliche Materialien:

1. Gedächtnismetalle,
2. Strom erzeugende Kristalle („piezoelektrische Stoffe“),
3. verformbare Gele.

Diese Materialien sind sozusagen als künstliche Sinnesorgane und Muskeln im Einsatz, und wenn man sie mit einem Elektronengehirn vernetzt, werden sie in gewisser Weise lebendig.

1. Die Gedächtnismetalle

Die einfachste Form von sogenannten Gedächtnismetallen findet man in automatischen Sicherungen, die die Stromkreise vor Überlastung schützen. Zwei unterschiedliche Metalle, die sich verschieden stark ausdehnen, sind zu einem Bimetall vereinigt (Legierung). Während bei normaler Raumtemperatur der Streifen gerade ist, sodass der Strom fließen kann, kommt es bei überhöhtem Stromfluss zu einer Erhitzung und das eine Metall dehnt sich stärker aus als das andere: Der Streifen beginnt sich zu krümmen, der Strom wird unterbrochen.

Ein gerader Draht aus Nitinol (Nickel-Titanium-Legierung) wird erst erhitzt, dann zur Spirale gedreht und sogar zu einer Büroklammer gebogen. Beim Erkalten streckt sich der Draht wieder. Wird er nun abermals erhitzt, formt er sich zu einer Klammer, die Atome erinnern sich sozusagen an die bei Wärmezufuhr „einprogrammierte Gitterstruktur“ und springen in diese zurück. Das bekannte Stahlimperium Krupp nutzte sehr schnell die „Fähigkeiten dieses Gedächtnismetalls“. Rohre wurden auf diese Art und Weise zusammengefügt und Fenster konnten mit diesem Mechanismus geöffnet und geschlossen werden. Ja, sogar neue Antriebsformen konnten mithilfe dieser Gedächtnismetalle entdeckt und realisiert werden. Letztendlich wurden in Hightech-Bereichen Gedächtnismetalle eingesetzt:

• Bei 115 °C werden bei Satelliten im Weltraum die Solarpaddel auf diese Weise entriegelt, das erspart den Technikern anfällige und komplizierte Steuerungen;
• Roboter können mithilfe dieses Effekts ihre gelenk- und motorlose Greiferhand benutzen;
• In japanischen Forschungslabors stehen Autos, an denen Beulen mit einem Haartrockner herausgeföhnt werden können.

2. Die piezoelektrischen Stoffe

Schon im Jahr 1880 wurde herausgefunden, dass sich die im Sand enthaltenen Quarzkristalle in kleine Kraftwerke verwandeln können, wenn sie zusammengequetscht werden. Im Normalzustand herrscht im entsprechenden Kristallgitter des Quarzes absolute Symmetrie. Alle Bausteine befinden sich an ihrem normalen Platz. Die Ladungen verschieben sich jedoch sofort, sobald durch Druck oder Zug leichte Deformierungen stattgefunden haben. Die Oberflächen laden sich elektrisch gegensätzlich auf, eine elektrische Spannung wird erzeugt. Feuerzeuge lassen auf diese Weise ihre Funken sprühen.

Die Kristalle können aber auch eine Doppelfunktion ausüben: Ihre Strom spendende Eigenschaft wird umgekehrt. Bei der Zugabe von Elektrizität kommt es zu einer Volumenänderung, diesen Effekt hat man bei in Schwingung gebrachten Lautsprechermembranen von Telefonhörern. Die piezoelektrischen Stoffe oder auch „Piezos“ sind also gleichzeitig Sinnesorgan und Muskel: Ein mechanischer Stoß von außen wird in einen Stromstoß umgesetzt und durch einen zugeführten Stromstoß verformen sie sich. Heute verwendet man statt der Quarze Keramiken. Während diese verwendeten Piezos ihre Form im Vergleich zu den Gedächtnismetallen nur zu 1 % statt 10 % verändern können, sind sie enorm schnell: In einer 1 000stel-Sekunde können sie ihren Bizeps viele Hundert Mal anspannen, während die erwähnte Roboterhand für einen solchen Kraftakt eine ganze Sekunde benötigt.

3. Verformbare Gele

Bei den verformbaren Gelen handelt es sich z. B. um Polymere, die aus langen Molekülketten bestehen. Forscher können diese Ketten manipulieren, die Temperatur wird geändert oder aber elektrische oder magnetische Felder werden angelegt. Enthaltenes Lösungsmittel wird aufgesaugt oder die Ketten verknäulen sich regelrecht miteinander. Wechsel zwischen flüssig und fest sind nichts Besonderes, oder aber man lässt die Stoffe gelieren, ein rhythmisch zuckender Muskel tanzt in elektrischen Wechselfeldern umher.

Organische Ventile oder Filter bzw. Kunstherzen werden auf diese Art und Weise geschaffen, Stoßdämpfer können so funktionieren (weich auf harten Schotterpisten, hart auf einer Autobahn).

Erst ab den 1970er-Jahren wurde den Forschern klar, dass sie ihr bereits erworbenes Wissen zusammentragen mussten: Die Zusammenarbeit zweier bis dahin sehr gegensätzlicher Richtungen war geboren: Biologie und Technik begannen endlich miteinander zu verschmelzen.

Heute ist die Bionik ein sehr spannendes Betätigungsfeld geworden: Mittlerweile gibt es Häuser, die sich bei Kälte mollig warm einkuscheln und bei Hitze luftig und frisch wirken. Wie funktioniert das?

Es gibt Modellhäuser in den USA, in Japan und auch in Deutschland. Die Wände oder sollte man eher sagen „Häute“ sind aus einem Sandwich-Glas, in dessen Mitte sich Polymere befinden. Je größer die Sonnenhitze ist, die auf das Glas trifft, desto mehr verknäulen sich besagte Polymere. Sie bilden eine milchige Masse, die die Sonnenstrahlen abweist und – hokuspokus – die Fenster öffnen sich von ganz allein. Wenn es draußen wieder kühler wird, werden die Glasflächen wieder durchsichtig und saugen die Sonnenwärme ins Innere des Hauses. Gleichzeitig werden auch Gedächtnismetalle an den Fenstern aktiv: Sicherungsbügel strecken sich und Rückholfedern sorgen dafür, dass die Fenster wieder geschlossen werden.

Auch in den Tapeten sind diese liebenswerten Heinzelmännchen am Werk: Sie enthalten nämlich unzählige kleine piezoelektrische Kristalle, die das Papier an der Wand sozusagen in Lautsprecher verwandeln: Man könnte also sagen, dass die Bewohner sich beim Musikhören beinahe wie in einem Konzertsaal fühlen. Von außen eindringenden Schallwellen werden gleich starke, aber spiegelverkehrte Schallwellen entgegengeschickt, sodass sich beide gegenseitig auslöschen. Wenn das Zimmer also direkt an der Autobahn liegt, so sorgt die „Piezo-Tapete“ trotz allem für himmlische Stille.

Auch das Skelett dieser Modellhäuser weist außerordentliche Fähigkeiten auf: Schäden reparieren sich von selbst. Der altbewährte Beton stand wegen seiner leichten und mühelosen Verarbeitung bei den Baufachleuten immer schon hoch im Kurs. Leider hat seine Korrosionsanfälligkeit ihn bei den Sicherheitsfanatikern nie richtig hochkommen lassen. Wie es scheint, ist das Sanieren für den Menschen nun hinfällig geworden: Beim Gießen des Betons werden jetzt feine Schlauchsysteme in das Mauerwerk eingezogen, die zwei unterschiedliche Wirkstoffe enthalten: Calciumnitrat und eine harzhaltige Lösung. Die amerikanische Architektin CAROLINE DRY ist die Erfinderin dieser Maßnahme: Es gibt eine doppelte Sicherung. Wenn Streusalz in den Beton einsickert, werden die Schläuche aufgelöst, das Calciumnitrat wird freigesetzt, das als Schutzschild gegen das Salz wirkt. Kommt es zu Rissen in der Betonstruktur, brechen die Harzspeicher auf und verschließen mit dem frei werdenden Harz die „Wunde“. Auch Betonbrücken profitieren von dieser Erfindung. Die Brücke Schießbergstraße in Leverkusen kann also bei Überlastung „um Hilfe rufen“.

Die Japaner sind wohl in der Entwicklung „intelligenter Bauwerke“ am weitesten. Sie haben bereits vor vielen Jahren mit dem Bau von Häusern begonnen, deren Skelette sich strecken, biegen oder drehen können, um den häufigen Erdbeben Paroli zu bieten.