Definition – Teil 2 Was ist eigentlich Bionik?

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Von der Natur lernen, aber sie nicht kopieren, sondern deren Phänomene in technische Lösungen umsetzen. So ließe sich der Begriff Bionik vereinfacht erklären. Im zweiten Teil unseres Definitions-Artikels stellen wir Ihnen ergänzend zum ersten Teil weitere Teildisziplinen der Bionik vor.

Der Bezeichnung „Bionik“ ist ein Kunstwort und setzt sich aus den Worten „Biologie“ sowie „Technik“ zusammen. Die Bionik beschäftigt sich damit, spezifische Phänomene aus der Natur auf die Technik zu übertragen. Als interdisziplinäres Forschungsgebiet beschäftigen sich Naturwissenschaftler, Ingenieure, Architekten, Philosophen und Designer gleichermaßen mit der Bionik, wobei die systematische Erkennung von Lösungen aus der Natur und deren Transformation in die Technik im Vordergrund stehen. Hierbei wird die Natur nicht einfach kopiert, sondern spezifischen Eigenschaften mit den Möglichkeiten z. B. der Architektur, Konstruktion, Klimatisierung, etc. in Innovationen umgesetzt.

Teilbereiche der Bionik

Bionik birgt vielschichtiges Potenzial für die Entwicklung neuer technischer Lösungen mit einzigartigen Eigenschaften. Dies mag mit ein Grund dafür sein, warum sich diese Disziplin mit den Jahren über viele Teilbereiche erstreckt hat.

Bewegungsbionik

Dieses Teilgebiet der Bionik konzentriert sich auf die kraftvolle, energieeffiziente und reibungsarme Fortbewegung. Hierzu zählen vor allem die drei Hauptfortbewegungsarten:

• Laufen

• Schwimmen

• Fliegen.

Ziel ist es demnach, die Fortbewegung von technischen Objekten zu optimieren, wobei Fragen der Strömungsanpassung bewegter Körper, des Antriebsmechanismus von Bewegungsorganen und ihrer strömungsmechanischen Wirkungsgrade im Vordergrund stehen.

Bionik

Wie das erste deutsche Bionik-Patent entstanden ist

Ein konkretes Beispiel hierzu wurde ebenfalls schon zu Beginn genannt: die besonderen Strömungseigenschaften der Haifischhaut, die zur Entwicklung von Ribletfolien geführt hat. Aber auch sogenannte Kofferfische, aus der Gattung der Kugelfische, können eine Inspirationsquelle sein. Aufgrund des Verhältnisses von Höhe, Breite und Länge ist der Körper des Fisches ziemlich voluminös und sollte eigentlich alles andere als stromlinienförmig sein. Dennoch liegt der Strömungswiderstand (Cw-Wert) nur bei 0,06.

Bereits vor mehr als 18 Jahren stellte Mercedes-Benz nach diesem Vorbild mit dem bionic car die Studie eines geräumigen, aerodynamischen Fahrzeuges dar, das trotz seiner Größe nur einen Cw-Wert von 0,19 hatte und daher durch einen vergleichsweise sparsamen Treibstoffverbrauch überzeugte.

Und auch die Tauchzelle von U-Booten orientiert sich an der Natur, genauer an der Schwimmblase von Fischen. Zum Abtauchen wird die Zelle mit Wasser gefüllt, damit das U-Boot an Gewicht gewinnt und durch den Untertrieb sinkt. Bei gewünschter Tauchtiefe wird die Wasserzufuhr gestoppt und das Boot kann unter der Wasseroberfläche fahren. Zum Auftauchen wird das Wasser abgelassen und die Tauchzelle mit Luft gefüllt, damit das U-Boot Auftrieb erhält.

Neurobionik

Die Neurobionik verknüpft die Neurowissenschaften, Biologie und angewandte Medizintechnik zur Entwicklung von neuen, medizinischen Verfahren, mit denen sich zerstörte Nervenbahnen oder Nervenkontakte nach Krankheiten und Unfällen wieder herstellen lassen. Das interdisziplinäre Forschungsgebiet hat sich demnach das Ziel gesetzt, verlorengegangenen Sinne oder die Bewegungsfähigkeit von blinden, tauben oder querschnittgelähmten Menschen durch die Implantierung von Mikrochips (Neurochip) teilweise oder sogar gänzlich wiederherzustellen.

Klassische praktische Beispiele von Entwicklungen, die auf der Neurobionik basieren sind z. B.

• Herzschrittmacher

• Cochlea-Implantate

• Hörprothesen für Schwerhörige oder Taube

• Arm- und Handprothesen

• Stand- und Gangprothesen.

So entwickelte etwa die Forschungsgruppe für Rehabilitation und Assistenzrobotik (REHA Assist) an der Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz mit dem Autonomyo ein Exoskelett, das im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen mit nur 25 kg deutlich leichter ist.

Das Exoskelett arbeitet unter Einbeziehung des geschwächten, aber noch teilweise funktionierenden Bewegungsapparats des Patienten und wird mit einem Korsett am Rumpf und mit Manschetten an den Beinen befestigt. Auf jeder Seite liefern drei Kleinmotoren die Kraft, die den Muskeln für die Bewegung fehlt. Je ein Motor ist für Beugung und Streckung von Hüfte und Knie zuständig. Der dritte Kleinmotor unterstützt die Abduktion und Adduktion des Beins im Hüftgelenk, also die seitliche Bewegung von der Körpermittelachse weg. Die Motoren helfen somit dem Patienten das Gleichgewicht zu halten und aufrecht zu gehen.

Baubionik

Die Baubionik hat es sich zum Ziel gesetzt, Phänomene aus der Natur auf technische Lösungen zu übertragen, die für die Architektur und Funktionen von Gebäuden relevant sein können. In der Baubionik dienen z. B.

• Spinnennetze als Vorbilder für hochfeste Seilkonstruktionen, Blattüberlagerungen als Vorbild für eine ideale Flächendeckung oder

• das bekannte Wabenprinzip für eine optimale Flächennutzung.

Ein Beispiel aus der Baubionik sind Belüftungssysteme, die denen von Termitenbauten nachempfunden sind: In diesen Bauten wird sehr viel Sauerstoff benötigt, damit Millionen von Termiten in den zahlreichen verzweigten Gängen überleben können. Zur Luftzirkulation bauen die Termiten ihre Nester nach einem bestimmten Schema. Hierdurch steigt warme Luft im Bau nach oben und gelangt in Röhren, die sich in der porösen Außenwand befinden. Das Kohlendioxid kann durch diese Poren nach außen diffundieren, während Sauerstoff von der Außenluft aufgenommen wird, durch die Röhren zum Boden des Baus gelangt und sich dabei abkühlt. Dann beginnt der Kreislauf von neuem. Dieses System ist ein Vorbild für effektive passive Belüftungslösungen in vielen Gebäuden.

Klimabionik

Die Klimabionik lehnt sich gewissermaßen an die Baubionik an, da sie sich mit passiver Belüftung, Kühlung und Heizung befasst. Zur Klimabionik gehören u. a.

• die optimale Ausrichtung von Gebäuden zur Sonne und zum Wind,

• spezielle Dachformen,

• Luftführung und Luftumwälzung z. B. nach Art von Termitenbauten, wie bereits beschrieben.

Gelernt hat die Klimabionik auch von amerikanischen Präriehunden, die sich zur Belüftung ihrer mit zwei Öffnungen versehenen Bauten den Bernoulli-Effekt (Unterdruck-Effekt) zunutze machen. Beim Bau wird die Erdmasse nur an eine der beiden Öffnungen verteilt, wodurch ein kegelförmiger Hügel mit einem Plateau entsteht. Streicht der Wind über das Plateau, entsteht ein Unterdruck, der die Luft aus dem Bau zieht. An der gegenüberliegenden Öffnung wird die Luft hingegen angesaugt. Auf dieses Weise ist gewissermaßen eine automatische Zwangsventilierung möglich.

Verfahrensbionik

Die Verfahrensbionik analysiert die Steuerung und den Ablauf von komplexen biologischen Prozessen, um diese in technische Lösungen zu übertragen. Einer der wichtigsten Bereiche der Verfahrensbionik ist die Photosynthese von Pflanzen, die z. B. dabei helfen soll, die Energie der Sonne für die Gewinnung von Wasserstoff zu nutzen.

Die Verfahrensbionik kann aber u.a. auch auf den Bereich der Verkehrs- und Logistiksysteme angewendet werden. Hier dienen beispielsweise Ameisenkolonien als Vorbild, um effiziente Transport- und Routingstrategien zu entwickeln.

Anthropobionik

Allgemein formuliert, geht es in der Anthropobionik um Anwendungen, Systeme und Konstruktionen, die an den Menschen angepasst sind. Hierzu gehören insbesondere Interaktionen zwischen Mensch und Maschine. Zu der derzeit wohl beliebtesten Form der Mensch-Maschine-Interaktion, genauer Mensch-Computer-Interaktion, gehört der Austausch mit KIs (z. B. mit dem Chatbot ChatGBT). Ein weiterer grundlegender Teilbereich der Anthropobionik ist die Robotik, die sich aber mit dem Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion überschneidet.

Beispiele für aus der Anthropobionik resultierende Entwicklungen sind

• die muskeleffiziente Gestaltung von Fahrrädern

• angepasste Beinsteuerungen zur Unterstützung von Gehbehinderten

• auf den Menschen angepasste Greifarmsteuerungen z. B. für Arbeitsroboter.

Ein gutes Beispiel hierfür sind Cobots, die darauf ausgelegt sind, sicher mit Menschen zusammenzuarbeiten. Cobots werden oftmals über intuitives Teaching gesteuert, bei dem eine Person den Roboterarm manuell führt, um Bewegungsabläufe in der Robotersteuerung zu hinterlegen. Diese Steuerungsmethode ermöglicht eine einfache und schnelle Realisierung von Bewegungsabläufen, ohne hierzu spezielle Programmierkenntnisse haben zu müssen.

Cobots

Profis für die kollaborative Zusammenarbeit

Eine weitere auf Menschen angepasste Robotersteuerung ist die Gestensteuerung. Hierbei können Roboter Bewegungen und Gesten des menschlichen Benutzers mit einem Bildverarbeitungssystem oder Mithilfe von auf der Haut angebrachten Sensoren erkennen und entsprechend darauf reagieren bzw. die Bewegungen und Gesten nachahmen. Das Ziel solcher Lösungen ist es oftmals, Menschen von schweren Tätigkeiten wie z. B. das Anheben von Lasten zu entlasten.

Evolutionsbionik

Wie der Name schon vermuten lässt, nutzt dieser Teilbereich biologische Evolutions-Strategien zur Optimierung komplexer technischer Systeme und Verfahren, insbesondere dann, wenn diese rein rechnerisch noch nicht simuliert werden können.

Ein Beispiel: 1967 wurde mittels der Evolutionsstrategie bzw. Evolutionsalgorithmik (Initialisierung-Evaluation-Selektion-Mutation) in einem Forschungsinstitut in Berlin an der Entwicklung einer Zweiphasen-Überschalldüse gearbeitet, da zu dieser Zeit die Optimierung solcher Düsen für Kleinkraftwerke in Satelliten rein rechnerisch unmöglich war. Für die experimentelle Optimierung wurde die Düsenform aus Segmenten zusammengesetzt, wozu rund 330 Segmente mit passend abgestuften Innenbohrungen zur Verfügung standen. Mit ihnen wurde als Ausgangsform eine rechnerisch ausgelegte Lavaldüse aufgebaut (eine Lavaldüse ist ein Strömungsorgan, bei dem sich der Querschnitt zunächst verengt und anschließend weitet, wobei der Übergang stetig erfolgt. Solche Düsen dienen zur Beaufschlagung von Dampfturbinen mit Wasserdampf).

Gesucht wurde die Düsenform, die bei einer Wasserdampf-Zweiphasenströmung den größtmöglichen spezifischen Impuls lieferte. Nach 45 Versuchsanordnungen hatte man das Ziel erreicht, wobei die Düse einen Wirkungsgrad von fast 80 Prozent erreichte und damit weitaus effizienter war, als die konische Ausgangsform mit 55 Prozent Wirkungsgrad.

Evolutionsbionik lässt sich aber z. B. auch einsetzen, um das Verhalten von Robotern zu optimieren. Durch die Anwendung evolutionärer Algorithmen lassen sich Roboter kontinuierlich anpassen und verbessern, um ihre Leistung in Bezug auf Aufgaben wie Fortbewegung, Navigation oder Greifen zu optimieren. Dieser Ansatz ermöglicht es Robotern, sich mittels Machine Learning an unterschiedliche Umgebungen und Anforderungen anzupassen.

Zusammenfassung

Die Bionik bietet vielfältiges Potenzial für die Entwicklung technischer Lösung mit gänzlich neuen oder verbesserten Eigenschaften. Allein die vielen Teilbereiche dieser Disziplin, auch wenn sie sich in manchen Bereichen überschneiden, machen deutlich, wie umfangreich die Möglichkeiten sind, von der Natur in all ihren Facetten zu lernen. Und da es in der Flora und Fauna auch heute noch immer wieder neue und teilweise überraschende Entdeckungen gibt, wird der Bionik auch in Zukunft das „Forschungsmaterial“ nicht ausgehen.

Quellen: de.wikipedia.org, www.festo.com, www.helpster.de, www.simplyscience.ch, synergetik-institut.de, www.bionik-online.de, bionikforscherwoche.wordpress.com, tecfaetu.unige.ch, www.pflanzenforschung.de,

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