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Auf der offenen Hand eines Mannes liegt die Prothese eines Fingers

Bionik: Von der Natur lernen und sie nachbauen

Pflanzen und Tiere hatten 3,8 Milliarden Jahre Zeit, sich zu entwickeln. Ihre Konstruktionsprinzipien zu verstehen und nachzubauen, ist Inhalt und Ziel der Bionik. Welche aktuellen Forschungsschwerpunkte es gerade gibt, beschreibt der Bionik-Experte Thomas Speck von der Universität Freiburg in einem Gastbeitrag.

Forum Alpbach 2010 18.08.2010

Er leitet beim Europäischen Forum Alpbach 2010 ein Seminar zu dem Thema.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte in der Bionik

Von Thomas Speck

Über den Autor:

Porträtfoto des Bionik-Experten Thomas Speck

Thomas Speck

Thomas Speck ist Direktor am Botanischen Garten Freiburg und Professor der "Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik" an der Universität Freiburg. Bei dem Text handelt es sich um eine gekürzte und veränderte Fassung des Artikels "Bionische Innovationen" aus der Zeitschrift TEC 21.

Der Begriff Bionik setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen und steht für das kreative Übertragen von Wissen und Anregungen aus der Biologie in die Technik. Dieser Prozess verläuft ausgehend vom biologischen Vorbild in der Regel über mehrere Abstraktions- und Modifikationsschritte: Analyse des biologischen Vorbilds - Prinzipverständnis - Abstraktion - technische Umsetzung (Konzeption, Demonstrator, Prototyp) - Markteinführung.

Bionik ist eine hochgradig interdisziplinäre Wissenschaft, in der Naturwissenschaftler mit Ingenieuren und Architekten zusammenarbeiten. Bei bionischen Projekten in Forschung und Entwicklung (FuE) lassen sich zwei prinzipielle Vorgehensweisen unterscheiden.

Beim Bottom-Up-Prozess der Bionik (Biology Push) steht die für eine technische Umsetzung interessante Entdeckung aus der Biologie am Anfang des Projekts, beim Top-Down-Prozess (Technology Pull) die Fragestellung nach einer gezielten bionischen Verbesserung von Seiten der Technik bzw. Industrie.

Die sieben Bereiche der Bionik

Heute werden in der Bionik meist sieben Teilbereiche unterschieden: (1) Leichtbau & Materialien, (2) Oberflächen & Grenzflächen, (3) Fluiddynamik, Schwimmen & Fliegen, (4) Biomechatronik & Robotik, (5) Kommunikation & Sensorik, (6) Optimierung und (7) Architektur & Design.

Allerdings sind die Übergänge zwischen den Teilbereichen der Bionik fließend, und es bilden sich immer wieder Forschungsrichtungen heraus, wie z.B. die Energie-Bionik und die molekulare Bionik, die sich mit der Übertragung molekularer Strukturen und Funktionsweisen aus der Biologie in bionische Materialien beschäftigt.

Die Energie-Bionik erforscht die Übertragung der Prinzipien des hoch effizienten Energiehaushalts biologischer Vorbilder in die Technik. Neben den "traditionellen" Schwerpunktthemen der Bionik sind heute vor allem die Bereiche Leichtbau & Materialien, Oberflächen & Grenzflächen, Sensorik und Architektur wichtig.

Leichtbau und Materialien

Seminar beim Forum Alpbach:

Thomas Speck leitet gemeinsam mit George Jeronimidis beim Europäischen Forum Alpbach 2010 das Seminar " Biomimetics: Learning from nature for technical innovations" (20.-25.8.2010). science.ORF.at stellt dieses und weitere Seminare in Form von Gastbeiträgen vor.

In den letzten Jahren haben sich vor allem "Self-X-Materialien" und "hierarchische Materialien" als innovative Themen erwiesen. Unter "Self-X-Materialien" fasst man Materialien zusammen, die wie ihre biologischen Vorbilder selbständig auf veränderliche Umwelteinflüsse reagieren können, d.h. selbst-adaptiv sind oder zur Selbstreinigung, Selbstheilung, Selbstreplikation, Selbstorganisation bzw. Energieautarkie befähigt sind.

Biologische Materialien sind zudem meist auf mehreren hierarchischen Größenskalen (von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene) strukturiert und funktionalisiert. Durch neue Produktionsmethoden (z.B. generative Fertigungsverfahren) stehen für eine Umsetzung in multifunktionale bionische Materialien vielfältige Möglichkeiten offen.

Zwei Projekte zu selbstreparierenden Materialien

Ö1 Hinweise:

Eine Reihe von Sendungen begleiten das Europäische Forum Alpbach 2010 in Ö1. Die Technologiegespräche stehen im Mittelpunkt von Beiträgen in den Journalen, in Wissen aktuell, in den Dimensionen (Freitag, 27.8., und Montag, 30.8, 19.06 Uhr) und bei der Kinderuni (Sonntag, 19.9. und 17.11).

Mitglieder des Ö1 Club erhalten beim Europäischen Forum Alpbach eine Ermäßigung von zehn Prozent.

In Freiburg werden in Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern zwei FuE-Projekte zum Thema selbstreparierende bionischen Materialien bearbeitet. Zum Einen ist dies die bionische Selbstheilung nach dem Vorbild wundversiegelnder pflanzlicher Latex- und Harzsysteme für Elastomere, die z.B. bei mechanisch hochbelastete Dichtungen eingesetzt werden.

Das zweite Projekt hat die Entwicklung selbstreparierender bionischer Membranen für pneumatische Systeme zum Thema. Vorbild sind hierbei zelluläre Selbstreparatursysteme, wie sie bei vielen Pflanzen auftreten. Hierbei quellen aufgrund des Innendrucks Zellen in die Risse und verschließen diese. Basierend auf den biologischen Vorbildern wurde eine selbstreparierende bionische Beschichtung auf Schaumbasis entwickelt und patentiert, die den Luftausstrom um bis zu drei Größenordnungen verlangsamen kann.

Hierarchische Materialstrukturierung auf verschiedenen Strukturebenen und die Entwicklung bionischer Gradientenmaterialien, bei denen die verschiedenen Komponenten durch allmähliche strukturelle und mechanische Übergänge verbunden sind, ist ein weiterer Schwerpunkt der bionischen Materialforschung. In Freiburg laufen aktuell verschiedene Projekte zu dieser Fragestellung, wie z.B. die Entwicklung struktur- und gewichtsoptimierter, verzweigter und unverzweigter bionischer Faserverbünde mit graduellem Steifigkeitsübergang zwischen Fasern und Matrix.

Grenz- und Oberflächen

Im Bereich Grenz- und Oberflächen ist die Strukturierung und Funktionalisierung äußerer Oberflächen nach dem Vorbild der Natur ein hoch interessanter Forschungsbereich. Zwei der wichtigsten Entwicklungen der modernen Bionik stammen aus diesem Bereich: die nach dem Vorbild von Pflanzenblättern entwickelten selbstreinigenden Oberflächen (Lotus-Effect®) und die der Schuppenstruktur der Haihaut nachempfundenen reibungsvermindernden Oberflächen (Riblettstrukturen).

Weitere interessante Projekte beschäftigen sich mit der Entwicklung bionischer Haft- und Antihaftstrukturen. Vorbilder für reversible bionische Haftstrukturen sind die Anhaftungssysteme der Füße von Geckos, Baumfröschen und Insekten, während für permanente bionische Haftsysteme die Haftstrukturen von Pflanzen (z.B. Haftpads des Wilden Weins, Haftwurzeln von Efeu) als biologische Vorbilder genutzt werden.

Weitere aktuelle Forschungsschwerpunkte sind Antihaftoberflächen, auf denen Insekten schlecht oder gar nicht laufen können, Antifouling-Beschichtungen nach dem Vorbild der Haut von Meereslebewesen, die einen Bewuchs mit Seepocken verhindern, und die Entwicklung von Oberflächen, die unter Wasser langfristig eine Luftschicht halten können, wie man sie z.B. bei Schwimmfarnen findet.

Sonderstellung der Architektur

Unter den oben aufgeführten Teilbereichen der Bionik nimmt die Architektur eine gewisse Sonderstellung ein. Sie kann nicht nur von originär Architektur-bionischen Entwicklungen profitieren, sondern zudem viele Entwicklungen aus anderen Teilbereichen der Bionik nutzen. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass Gebäude in der Regel Unikate darstellen, in denen bionische Entwicklungen auf der Ebene eines Prototyps, aber dennoch mit voller Kundennutzung umgesetzt und im Dauerbetrieb untersucht werden können.

Ein aktuelles bionisches Forschungsprojekt im Bereich Architektur, das in Kooperation mit Architekten vom ITKE Stuttgart durchgeführt wird, befasst sich mit biegsamen Flächentragwerken. Bewegungsmechanismen bei Pflanzen beruhen häufig auf der Nachgiebigkeit ihrer Komponenten und zeichnen sich durch geringe Störungsanfälligkeit, energieeffiziente Kinematik und sparsamen Umgang mit den Materialien aus.

Ziel des Vorhabens ist es basierend auf den Bewegungen von Blütenstrukturen, wandelbare Konstruktionen mit adaptiver Steifigkeit für die Architektur zu entwickeln, wie z.B. die bionische Fassadenverschattung Flectofin®.

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