Comic: Mann auf selbsgemachtem Fluggerät

Von der Umwelt inspiriert: Bionik

Die Bionik nimmt sich Mutter Natur zum Vorbild und schafft damit technische Innovationen

Was haben ein Klettverschluss am Sneaker, ein selbstschärfendes Messer und ein Flugzeug gemeinsam? Alle drei basieren auf Erfindungen aus dem Bereich Bionik – ein Forschungs- und Innovationsfeld, das sich von Vorbildern aus der Natur inspirieren lässt. Schon Leonardo da Vinci guckte sich für die Konstruktionsversuche einer Flugmaschine für den Menschen, bestehend aus zwei Schlagflügeln, den natürlichen Bauplan von Vogelflügeln ab. Wirklich abheben konnte man mit da Vincis Erfindung im 16. Jahrhundert zwar noch nicht, sie bildete jedoch die Basis für die Weiterentwicklungen des Traums vom Fliegen von Otto Lilienthal, Wilhelm und Heinrich Focke und weiteren Flugpionieren.

Mutter Natur hat häufig erstaunliche Tricks auf Lager: Die Erfindung des Klettverschlusses geht beispielsweise auf die Hundeliebe des Schweizers Georges de Mestral zurück. Bei den Spaziergängen und Jagdausflügen mit seinem Vierbeiner fielen dem findigen Schweizer die vielen Kletten auf, die sich im Laufe des Tages im Fell des Hundes festgesetzt hatten. Die anhänglichen Klettfrüchte ließen ihn im wahrsten Sinne nicht los: Bei der Untersuchung unter dem Mikroskop entdeckte er ihre kleinen Häkchen – acht Jahre später hatte er nach ihrem Vorbild den Klettverschluss entwickelt und ein Patent angemeldet: Zwei Bänder greifen ineinander, dabei eines bestehend aus kleinen geschlossenen Schlingen, so flauschig wie ein Hundefell, das andere gespickt mit kleinen elastischen Widerhaken.

In der Wissenschaft ist die Bionik mittlerweile ein wichtiger Stützpfeiler, wobei sie sich trotz der Biologie im Namen nicht zu einem bestimmten Fach zuordnen lässt. Sie ist eine echte ›Schnittstellenwissenschaft‹. »Die Natur kennt keine Trennung in verschiedene Disziplinen. Daher sind für die Nutzung der Lösungen aus der Natur immer Kenntnisse der Biologie, der Technik, der Physik, der Chemie und so weiter nötig«, erklärt Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Weber, Vorsitzender des Bionic Engineering Network (BEN) e.V.. Der Verein setzt sich seit dem Jahr 2008 dafür ein, all jene zusammenzubringen, die sich auf Forschungsebene für den Bereich Bionik interessieren und darüberhinaus entsprechende Kontakte zur Industrie herzustellen und bionische Innovationen auch in der Wirtschaft voranzutreiben.

Auch der Hersteller von Automatisierungstechnik, Festo, befasst sich seit den 1990er Jahren intensiv mit dem Thema Bionik: Im sogenannten Bionik Learning Network hat sich das Unternehmen mit Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen zusammengeschlossen, um gemeinsam auf die Suche nach neuen Technologien zu gehen und diese in die Automation umzusetzen. Zu diesem Zweck entwickelt ein Team aus Ingenieuren, Designern, Biologen und Studierenden Jahr für Jahr drei bis vier Bionik-Projekte. Nadine Kärcher war an einem solchen Projekt mit Begeisterung dabei. Die 27-Jährige war Teil des Teams für die BionicANTs, filigrane Ameisen-Roboter, die sich sowohl in der Bauweise als auch vom programmierten Verhaltensmuster stark am natürlichen Vorbild orientieren. »Beim Ameisenprojekt wollten wir das kollektive Verhalten der Ameisen nachbilden. Unser Ziel war es, die Idee, dass man Aufgaben, die für ein Individuum zu schwer oder zu komplex wären, im Kollektiv besser erledigen kann, technisch umzusetzen. In der Fabrik von morgen wird dies von besonderem Interesse sein, da einzelne Komponenten nicht jede Aufgabe alleine lösen können«, erzählt die junge Informatikerin. Kärcher hatte bereits ihr duales Studium der Angewandten Informatik bei Festo absolviert und den Einstieg in die Bionik über ihre Abschlussarbeit gefunden. Die 135 Millimeter langen, 43 Millimeter hohen und nur 105 Gramm wiegenden Roboter-Ameisen mit integriertem Kamerasystem und Bodensensor, die sie mitentwickelt hat, arbeiten zwar jede für sich autonom, aber dennoch nach klaren Regeln zusammen, kommunizieren miteinander und stimmen sich ab. Gemeinsam können sie so Objekte bewegen, die ihr eigenes Körpervolumen um ein Vielfaches übersteigt – ganz wie bei den emsigen Vorbildern aus der Natur, ermöglicht durch hochkomplexe Regelalgorithmen für kooperatives Verhalten. Im Vergleich zur Entwicklung des Klettverschlusses zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein wahrer Quantensprung der Innovation – und dennoch basierend auf dem gleichen Prinzip.

Wie breit das Spektrum der Bionik ist, zeigt sich beim Blick in die Forschungslandschaft: »In Deutschland gibt es ganz unterschiedliche Forschungsgruppen, die sich mit verschiedenen Aspekten der Bionik auseinandersetzen. Das reicht von der Robotik, über die Erstellung von künstlicher Spinnenseide bis hin zur Funktionalisierung von Oberflächen. Vielfach wird nicht explizit Bionik-Forschung betrieben, aber viele Wissenschaftler lassen sich von der Natur inspirieren. So finden sich bionische Ansätze in der Mechatronik genauso wie in der Architektur«, erläutert Kirsten Wommer, Wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe Bionik der Technischen Hochschule Deggendorf. Wissenschaftler der TH untersuchen derzeit beispielsweise die Funktionalisierung von Oberflächen. »Es soll eine leicht zu reinigende Oberfläche entwickelt werden und dabei wird auf verschiedene Vorbilder aus der Natur zurückgegriffen«, so Wommer.

Noch steckt das faszinierende Forschungsfeld in der Wachstumsphase: An einigen Hochschulen kann man Bionik mittlerweile als Bachelor- oder Masterstudiengang studieren, darüberhinaus ist Bionik in die Lehre verschiedener Disziplinen wie Maschinenbau oder Wirtschaftsingenieurwesen integriert. Dennoch ist Prof. Dr. Weber der Meinung, dass an den Hochschulen noch viel zu wenig im Bereich der Bionik angeboten wird: »Die Bionik hat für viele Anwendungsbereiche das Potenzial für innovative Lösungen. Dies wird leider noch zu wenig genutzt«, so Weber. Ein spannendes Feld, das einen Teil seines Weges noch zu gehen hat.


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