Faszinierende Bionik


Von Karl Sumereder

Die Wissenschaft Bionik beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und deren innovativen Umsetzung in der Technik. Das deutsche Kofferwort Bionik setzt sich aus den Begriffen Biologie und Technik zusammen und bringt zum Ausdruck, wie für technische Anwendungen Prinzipien verwendet werden können, die aus dem Mikroorganismen-, Pflanzen- und Tierreich abgeleitet werden. Die Bionik, dieses neue Forschungsfeld an der Schnittstelle von Biologie und Technologie, ist ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschafter, Ingenieure sowie bei Bedarf Vertreter anderer Disziplinen, wie etwa Architekten, Philosophen und Designer zusammenarbeiten.

Die Wissenschaft Bionik hat sich in den letzten Jahrzehnten zunehmend etabliert, an Transparenz gewonnen und sich weltweit im universitären und industriellen Umfeld zu einem innovativen Forschungsgebiet entwickelt. In dieser Wissenschaftsdisziplin wird gezielt nach Strukturen in der Natur gesucht, die anwendungstechnisch als Vorbilder von Bedeutung sein können.

Frühe Beispiele von Bionik

Biotechnologische Verfahren wurden – wenn auch noch unbewusst – schon lange vor der Entdeckung von Mikroorganismen zur Herstellung und Konservierung von Nahrungsmitteln angewandt. Man denke an die Brotsäuerung, die alkoholische Gärung und die Herstellung von Sauermilchprodukten.

Als eigentlicher Begründer des Forschungsfeldes der Bionik wird gerne das Genie Leonardo da Vinci (1452–1519) angesehen. Unter anderem studierte und analysierte er den Vogelflug und versuchte die Erkenntnisse für die Konstruktion von Flugapparaten anzuwenden.

Jahrhunderte später beschritten die Flugpioniere Otto Lilienthal (1848–1896) und die Gebrüder Wright (Wilbur: 1867–1912, Orville: 1871–1948) den gleichen methodischen Weg, indem sie den Flug großer Vögel beobachteten, bevor sie ihre Prototypen bauten.

Allerdings hat sich die Bionik erst im vergangenen Jahrhundert so richtig aufgrund neuer und verbesserter Methoden (Rechnerleistungen, Produktionsprozesse) zur anerkannten Wissenschaftsdisziplin entwickelt. Mit Beginn der industriellen Produktion von Lösungsmitteln (Butanol und Aceton) oder der Penicillinherstellung wurden Mikroorganismen neben der Produktion von Naturstoffen, Nahrungsmitteln, pharmazeutischen Produkten und Grundstoffen aus Biomasse für die chemische Industrie auch zur Modifizierung von Stoffen eingesetzt (Biotransformation).

Die Erkenntnisse der Bionik erstrecken sich auch über die Fachgebiete Oberflächen- und Materialtechnologien, Medizintechnik, Gentechnologie, Sensorik und Organisation sowie Architektur.

Immerhin haben sich in den Jahrmilliarden biologischer Evolution erstaunliche Funktionen und Techniken, musterhafte Sozialstrukturen, technische Raffinessen und energiesparende Tricks herausgebildet und bewährt. Es war daher nahe liegend, von erstaunlichen Eigenschaften im Bereich mikrobiologischer, pflanzlicher und tierischer Systeme zu lernen.

Sprunghafte Ausweitung bionischer Erkenntnisse

Bis in die zweite Hälfte des vorigen Jahrhunderts gab es eigentlich nur vereinzelte bionische Forschungsansätze. Der Schweizer Wissenschafter George de Mestral meldete 1956 seine Erkenntnisse über eine bestimmte Eigenschaft der Klettfrüchte zum Patent an, als Grundlage seiner Erfindung des Klettverschlusses. Dabei wurde das Prinzip des Verhakens mittels winziger Widerhaken als Schutz vor dem Gefressenwerden dem haarfeinen Pflanzengitter der Physalisfrucht abgeschaut.

Ein bekanntes und vielfach umgesetztes Forschungsergebnis ist die vom Botaniker Wilhelm Barthlott in den 70er Jahren entdeckte strukturelle Grundlage selbstreinigender, wasserabweisender Fähigkeiten von pflanzlichen Oberflächen (= Lotuseffekt). Inzwischen wurde solch nachgeahmter Effekt vielfach bei schmutzabweisenden Lacken, Farben und anderen Oberflächenbeschichtungen praktisch umgesetzt.

Am Vorbild der Zwiebel wurde das Prinzip der Wärmedämmung durch Lufteinschluss bei Kühltaschen, Doppelverglasungen oder dem Schlafsack praktisch angewendet.

Im Bereich von Kommunikationstechniken wurden durch den Bienenforscher Karl Ritter von Frisch (1886–1982) Erkenntnisse dahingehend gewonnen, wie durch ein einziges Signal mittels dessen Stärke, Länge und räumlicher Ausrichtung Informationen signalisiert werden können.

Forschungsziele sind auch die Erkundung und Auswertung der filigranen, aber dennoch relativ belastbaren spiralförmigen Trägersysteme von Scheckenhäusern. Oder der Entwurf hoch flexibler Roboterarme nach dem Vorbild der Krake, die keine Knochen und kein starres Skelett besitzt.

Andererseits wurde bis heute das Geheimnis bezüglich der Mischung der Proteine hinsichtlich der unglaublichen Zugkraft von Spinnenseide (2.500 kg pro Quadratzentimeter, Holz etwa nur 1.000 kg) noch nicht gelöst. Es ist noch nicht gelungen, Spinnenseide künstlich herzustellen.

Zahlreiche Techniken im Pflanzenreich, wie bei Körnern, Samen und bestimmten Früchten (zum Beispiel Kokosnüssen), hinsichtlich lang währender licht- und wasserdichter Verpackung, unterliegen ebenso dem Studium.

Schier unerschöpflich erscheinen die Studienmöglichkeiten hinsichtlich der Intelligenz biologischer Strukturen bezüglich deren Überlebens- und Tarnungstechniken, im Bereich von Biomimikry und Biomimese.

Einige Technologiebeispiele hinsichtlich umgesetzter Naturvorbilder

Zum Fachgebiet Architektur ist zu erwähnen, dass die im Nahen Osten errichteten modernen „Windturmhochbauten“, deren runde, mit Ornamenten zusätzlich verzierten Öffnungen im Wüstenklima für permanente Frischluft sorgen, aus Erkenntnissen über Termitenbauten stammen.

Nach dem Vorbild des Kofferfisches (lat. Ostracidae), der lagestabiler als jeder andere Fisch ist und hervorragende Strömungseigenschaften besitzt, wird dessen Rumpfaufbau im Automobilbau nachgeahmt.

Ähnlich die gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung von Riblettfolien. Deren Konstruktion entstammt Forschungen an Haien bezüglich deren „Hautschuppen“. Auf diesen Schuppen befinden sich scharfkantige, feine Rillen, die parallel zur Strömung ausgerichtet sind. Die mikroskopisch kleinen Rillen bewirken eine Verminderung des Reibungswiderstandes. Flugzeuge können mit einer speziellen, der so genannten Riblettfolie beklebt werden, die auf ihrer Oberseite über eine ähnliche Struktur wie die Haifischhaut verfügt und so den Luftwiderstand senkt.

Biologisches Vorbild für die Entwicklung neuartiger Profile von Autoreifen waren Katzenpfoten, die sich beim Richtungswechsel verbreitern und so mehr Kontaktfläche zum Untergrund haben.

Ein Vorbild zur Konstruktion von Fallschirmen
war die Frucht des Wiesenbockbartes.

Spinnen waren Vorbilder für die Entwicklung von spinnenartigen Robotern, deren Beine autonome Steuerungsfunktionen haben und dadurch zentral gesteuerten Robotern überlegen sind.

In verschiedenen technischen Bereichen werden die Schwarmintelligenz und der Ameisenalogorithmus, also kybernetische Verhaltensweisen von Insekten und anderen in Gemeinschaften oder größeren Gruppen lebenden Tieren nachgeahmt.

Auch für den Bereich sozialer Organisation wird vom Tierreich gelernt. Ameisen oder Bienen sind Meister der Zusammenarbeit. Mit ausgefeilter Kommunikation und einfachen Regeln wird ein komplexer Alltag organisiert.

Das erstaunliche Verhalten von Vogel- oder Fischschwärmen erfolgt nach dem Prinzip kybernetischer Selbstorganisation. Kein Einzelmitglied der Gruppe hat einen Überblick über das Ganze, trotzdem ist das System reaktionsschnell und effizient. Innerhalb von Zehntelsekunden wird die Richtung des ganzen Schwarmes geändert. Daraus wurde abgeleitet, dass eine biologische Gruppe klüger ist, als ein einzelnes Mitglied. Ähnlich wie nunmehr beispielsweise auf Internetseiten praktiziert, wo Einzelne ihr Wissen zu einem erweiterten Kollektivwissen bündeln können.

Eine Einsicht für Managmentstrategien, dass Macht, Führungsstärke und Souveränität letztlich auf wenigen Regeln beruhen, entstammt dem Verhaltensstudium von Alphatieren (z.  B. Löwen): Nämlich selbst möglichst wenig zu tun, Nachgeordnete arbeiten zu lassen, wenn notwendig, Stärke zu demonstrieren. Eine Maxime also dahingehend, dass die Kraft in der Ruhe liegt. Fachlich muss der Vorgesetzte nicht unbedingt der Beste sein, die Qualität der Führungskraft muss sich aber in kritischen Situationen zeigen.

Das Echolot wurde schon lange, bevor der Mensch es erkannte und anwendete, von Delphinen und Fledermäusen benutzt. Saugnäpfe wurden von Kraken und Käfern abgeschaut. Propeller der Flügelfrucht des Ahorns, Spritzen dem Giftstachel von Bienen oder Hornissen, Stahltriebwerke wurden dem Rückstoßprinzip bei Quallen und Tintenfischen abgekupfert.

Das Forschungsfeld der Bionik ist also für den Umgang mit Komplexität, Organisationsprinzipien, Energieeinsparungen, Erkennungs- und Kommunikationsmechanismen, Verpackungsarten und so weiter nach dem Vorbild komplexer biologischer Systeme sehr umfangreich und bei weitem noch nicht durchforscht.

Die Intelligenz in der Natur

Für Philosophen ist die Frage, was letztlich hinter solch beeindruckenden und phänomenalen Eigenschaften von einfachen wie von komplexen biologischen Strukturen steckt; was die Ursache von solchen Vorgängen ist, die bei Lebewesen, welche nicht einmal Gehirne für ein bescheidenes Denkvermögen aufweisen, dennoch vorausschauende und effiziente, lebenserhaltende Schritte setzen. Eine Frage, die seit jeher die Philosophie oder religiöse Glaubensvorstellungen beschäftigt, aber auch spaltet.

Es geht also um die generelle Frage, was abgesehen von unseren verschiedenen Hypothesen und Theorien, unseren Modellen, den wirklichen Hintergrund kosmischer Evolution (Atome), chemischer Evolution (Moleküle), biologischer Evolution, vor allem aber von neu Auftauchendem, Werdendem, Geformtem und Gestaltetem – auch wieder Verschwindendem – bildet.

Sind es ewige Urgedanken? Ist es eine nicht an Materie oder Energie gebundene, nicht weiter definierbare, allem Geschehen innewohnende Information, ein Ideengefüge, ein geistiges Prinzip? Oder sind es nicht weiter hinterfragbare schöpferische Akte? Oder gilt die eher materialistische Auffassung einer spielerisch wirkenden, autokatalytischen, kybernetischen, zwangsläufig höhere Komplexität hervorbringenden und diese auch wieder vernichtenden Selbstorganisation?

Die Stärke der in Mode gekommenen Theorie von einer Selbstorganisation liegt ja in deren Glauben, Prozesse und Entwicklungsdynamiken lebender und nicht lebender Systeme auf diese Weise erklären zu können. Hier wird wohl das von Karl Popper zur Prüfung wissenschaftlicher Erkenntnisse in den Vordergrund gerückte Prinzip der Falsifikation das letzte Wort haben.

Ist andererseits die Einsicht alter Mystik wirklich als nicht mehr modern von der Hand zu weisen, wonach die materielle Welt das Oberflächenphänomen von Nichtmateriellem ist, das den eigentlichen Inhalt und Grund des Wirklichen ausmacht?

Was trotz aller durch unseren Menschengeist erreichten technischen Errungenschaften und Forschungsergebnissen also bleibt, sind offene heuristische und ontologische Fragen, und ob wir je ein absolut sicheres Wissen über die kosmischen und Lebensrätsel erlangen können, ist bis heute unbeantwortbar.

Abschließend sei noch auf eine Abhandlung von Peter Ruckenbauer hingewiesen: „Biotechnik in der EU – Für und Wider zur Verabschiedung der ‚Richtlinie über den rechtlichen Schutz biotechnologischer Erfindungen‘“ durch das Europäische Parlament. (Erschienen in „Genius- Lesestücke“ 1/1997, Seite 11 ff.)

 
Dr. Karl Sumereder, Innsbruck,war Topmanager.
Seine Buchveröffentlichung: „Erweiterter Horizont – Im Labyrinth der Lebensrätsel“, Norderstedt 2007

Bearbeitungsstand: Montag, 10. Jänner 2011

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