Bionik - Technik der Zukunft

Inhaltsverzeichnis



Prolog Seite 3

Unterwissenschaften der Bionik Seite 4
Konstruktionsbionik
Sensorbionik
Strukturbionik Seite 5
Bewegungsbionik Seite 6
Neurobionik
Baubionik Seite 7

Welche realisierte und lauffÀhige Bionik gibt es ? Seite 8
LotusblĂŒteneffekt
Haifischhaut Seite 9
Roboterarm

Epilog Seite 10

Quellenverzeichnis Seite 11

1. Prolog


Die SelbstÀndige Vertiefungsarbeit Bionik - Technik der Zukunft hat laut Vereinbarung gewisse Vorlagen, mit denen sich der Inhalt dieser Arbeit zu versucht.

Als EinfĂŒhrung sind einige Dinge zu erlĂ€utern:

Bionik (Biologie - Technik) ist ein Überbegriff fĂŒr eine FĂŒlle von Unterwissenschaften, welche alle die Erforschung und Umsetzung eines biologischen Systems fĂŒr den Markt gemeinsam haben.

Die Natur stellt in der Regel jedoch keine Modelle zur VerfĂŒgung, eher Anregungen, wie ein bestehendes Problem gelöst werden kann. Aber was sonst könnte billiger sein, als ein perfektes, von menschlicher Hand unbeeinflusstes und absolut kostenloses Technologiezentrum zu infiltrieren?
Infiltrieren sollte nicht negativ verstanden werden. Im Gegensatz zur Gentechnologie wird das untersuchte Objekt nicht verĂ€ndert, kann also - von gewissen Ausnahmen abgesehen - ohne weiteres an die Natur zurĂŒckgegeben werden.

Die Anregungen und Lösungen der Natur mĂŒssen stets auf eine mögliche Umsetzung geprĂŒft werden. Leonardo da Vinci untersuchte mit einfachen Mitteln den Vogelflug und probierte die erworbenen Erkenntnisse auf einen Flugapparat umzusetzen. Leider scheiterte das Projekt, da ein Mensch unmöglich genug Kraft hatte, um diese FlĂŒgel zu bewegen.
Da Vinci betrieb trotz des Misserfolges Bionik (Kinematik), er erforschte die Grundlagen unter physikalischen Gesichtspunkten und probierte das Gefundene in Technik umzuwandeln. Der Vogelflug wird aber immer noch untersucht, heute aber unter Gesichtspunkten der Aerodynamik.
In jĂŒngerer Zeit - in einem Zeitraum von 30 - 40 Jahren - wurde intensiver und mit mehr Elan geforscht, betrĂ€chtliche Erfolge (welche spĂ€ter erlĂ€utert werden) wurden erzielt.

Meine Themenwahl fiel deshalb auf Bionik, da in letzter Zeit hĂ€ufig Medien ĂŒber dieses Thema berichten und deshalb mein Interesse geweckt haben.
Zum Abschluss des Prologes noch einige Bionik - Definitionen, welche nicht aus meiner Feder stammen:

" Bionik ist lernen von der Natur als Anregung fĂŒr eigenstĂ€ndiges technologisches Gestalten"

"Bionik als wissenschaftliche Disziplin befasst sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions -, Verfahrens - und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme".
2. Unterwissenschaften der Bionik

Es folgt eine Auflistung einiger Unterwissenschaften der Bionik. Die Liste kann nicht ganz vollstĂ€ndig sein. Es gibt noch viele weitere Forschungsarten und Wissenschaften, deren Beschreibung aber den Rahmen dieser Arbeit sprengen wĂŒrde.


2.1 Konstruktionsbionik


In der Konstruktionsbionik werden Mechanismen der technischen und der biologischen Welt miteinander verglichen.
Diese Unterwissenschaft hat die Aufgabe zu untersuchen, wie Konstruktionselemente (z.B. Pumpkonstruktionen: Speichelpumpen, Herz) zu funktionierenden Gesamtkonstruktionen zusammenarbeiten.
In der Natur mĂŒssen Konstruktionen oft eine Vielzahl von Aufgaben erfĂŒllen können. Das mĂ€nnliche Geschlechtsorgan dient gleichzeitig dem Urinieren wie der Fortpflanzung, die Nase analysiert gleichzeitig GerĂŒche, filtert die Atemluft und dient der Sauerstoffaufnahme. FĂŒr die RationalitĂ€t einer technischen Konstruktion und nicht zuletzt der Preisfrage wegen sind Konstrukte, welche viele Aufgaben erfĂŒllen können (Pumpen, die saugen und Pumpen können), sehr wichtig.


Beispiel :

Das Klett - Prinzip, das einige Pflanzen zum Samentransport oder einige Wurmarten zur Fortbewegung nutzen, wurde vor etwa 30 Jahren dazu verwendet, Fototaschen mit verschiebbaren InnenfĂ€chern zu konstruieren. Heute verwendet man den "Klettverschluss" fĂŒr Schuhe, TaschenverschlĂŒsse, Bandagen, etc.

2.2 Sensorbionik


Diese Wissenschaft beschĂ€ftigt sich mit der Aufgabe, physikalische und chemische Reize zu messen und fĂŒr unseren Verstand begreiflich zu machen. Auch Ortung und Orientierung gehören zu diesem Wissenschaftsbereich.
Im Körper des Menschen kreisen Stoffe in hoher VerdĂŒnnung, die fĂŒr heutige Analysen kaum wahrnehmbar sind. Die Sensorbionik bedient sich beispielsweise einem Insekt, dessen FĂŒhler extrem empfindlich auf den gewĂŒnschten Stoff reagieren, und wertet dann die entstehenden elektrischen Signale aus.




Beispiel :

Die Fledermaus ist ein nachtaktives Tier, das seine Nahrung (Insekten) mit einem Sonarsystem ortet. Das System ist Ă€hnlich dem des Radars, funktioniert aber einfacher und ist auch einfacher nachzubauen, z.B. fĂŒr Abstandsmessungen fĂŒr RĂŒckfahrtswarneinrichtungen in Lastwagen, VermessungsgerĂ€te fĂŒr den Hausbau, usw.




2.3 Strukturbionik


Strukturbionik ist der Überbegriff fĂŒr die Erforschung von technisch verwertbaren Materialien und Strukturen, die man in der Natur findet. Unkonventionelle Materialien und Strukturen (ich denke da zum Beispiel an ein Wespennest, welche interessante Strukturen und einfachste Materialien mit höchst möglicher Effizienz kombiniert) werden auf ihre Eignung fĂŒr die kommerzielle Transformation geprĂŒft.

Beispiel :


Im Jahr 1959 entdeckte ein Forscher den Bildungprozess der Diatomeenschale. Die Zelle synthetisiert kleine Fetttröpfchen, die sich an der OberflĂ€che anordnen und sich gegeneinander abplatten. In die HohlrĂ€ume wird KieselsĂ€ure injiziert. Nach Abbau der Fetttröpfchen bleibt ein KieselsĂ€ureskelett ĂŒbrig, das stabil gegen FlĂ€chendrĂŒcke reagiert. Ein Architekt ĂŒbernahm diese Technik und presste Gummiblasen zwischen zwei Blasen. Die entstehenden HohlrĂ€ume fĂŒllte er mit Gips aus und verwendete die Konstruktion fĂŒr Abdeckungen und dergleichen.



2.4 Bewegungsbionik

In der Fauna zĂ€hlen laufen, schwimmen und fliegen zu den Hauptfortbewegungsarten. Die Natur hat diese Bewegungen bis zur Perfektion verbessert, und so kann die Bewegungsbionik von einer FĂŒlle von Anregungen (Bewegungsablauf eines schwimmenden Delphins oder einer fliegenden KrĂ€he, OberflĂ€chenbeschaffenheit eines Walfischs) profitieren.

Beispiel:

In Deutschland wurde ein Laufroboter mit sechs Beinen entwickelt, dem das Steuer - und Nervensystem einer Heuschrecke als Vorbild Modell stand. Die Steuerkreise des Insektes sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern bloss vernetzt. Steht ein Bein vor einem Hindernis, setzen andere Beine schon ĂŒber das Hindernis hinweg, ohne komplizierte Berechnungen durchfĂŒhren zu mĂŒssen.

Die Hausfliege, im Normalfall lĂ€stig ohne Ende, ist ein Paradebeispiel fĂŒr vernetztes Kommunizieren verschiedener Körperteile. Auch dieses Tier dient als Vorlage fĂŒr einen Roboter, der Rundumsicht wie die Fliege besitzt, und der das vernetzte Denken der Fliege nachahmt.


→ Auf dem Drehbaren Kopf sind zahlreiche Kameras angeordnet, die dem Roboter eine Rundumsicht ermöglichen. Auf der zweiten Ebene ist die Steuerelektronik untergebracht, und auf der untersten Ebene die Bewegungsmechanik.



2.5 Neurobionik

Neurobionik befasst sich mit dem Gehirn, dem Datenverarbeitungsystem unseres Körpers und dem Nervensystem, dem Datentransfer. Sie erforscht das Zusammenspiel Datenaufnahme - Datenverarbeitung und versucht, die gewonnen Erkenntnisse in KI (KĂŒnstliche Intelligenz) einfliessen zu lassen. Da die konventionellen Speicher heutiger Computersysteme nicht mehr lange reichen werden, mĂŒssen neue Medien gefunden werden. Meiner Meinung nach werden dies Biospeicher basierend auf Forschungen aus dem Gebiet der Neurobionik sein.

Beispiel :

Im Auge eines Krebses wurde bereits in den 50 - er ein Schaltungsmechanismus entdeckt, der die Helligkeitskontraste von Licht - Schatten - Grenzen verstĂ€rkt. Dieses Prinzip findet sich ebenso in Wirbeltieraugen wie im Menschenauge wieder. Optische GerĂ€te, mit denen z.B. der Windabdrift von Flugzeugen gegenĂŒber dem Untergrund gemessen oder die automatische Scharfstellung von Diaprojektoren gewĂ€hrleistet werden sollen, funktionierten erst, nachdem dieses biologische Prinzip ĂŒbernommen worden war.



2.6 Baubionik

Homo Sapiens ĂŒberziehen den ganzen Erdball mit grossen und kleinen Bauwerken, jedoch nicht mit der von der Evolution entwickelten Finesse. Die Baubionik erforscht Bautechnologien von Flora und Fauna, um sie praktisch umzusetzen. Zum Beispiel das WĂ€rmeaustauschsystem von Termitenbauten, Anordnung von grossblĂ€ttrigen Pflanzen in Relation zu Sonnenlicht oder elastische Bauformen wie Spinnennetze.

Beispiel :

Rosettenpflanzen richten ihre BlÀtter so aus, dass sie sich bereits wÀhrend der Entwicklung und auch wÀhrend des weiteren Lebens in Ausrichtung zur Sonne gegenseitig möglichst wenig beschatten. Italienische Architekten haben in einem Wohngebiet in Rom eine 13 - stöckige Hauskonstruktion nach dem Prinzip solcher Rosettenpflanzen gebaut. Die Wohneinheiten sind platzsparend so ineinander verschachtelt, dass sich die einzelnen Einheiten im Sommer (bei sehr starker Sonne) gegenseitig etwas beschatten, im Winter aber möglichst wenig die Sonne wegnehmen.

3. Welche Realisierte und lauffÀhige Bionik gibt es ?


Da Bionik schon seit einiger Zeit betrieben wird, gibt es einige "Erfindungen", welche bereits industriell und von der Masse genutzt werden.



    LotusblĂŒteneffekt ĂŒbertragen auf OberflĂ€chenbeschichtungen


Der Namen dieses Effektes stammt von der Heiligen Lotuspflanze, deren BlattoberflÀche praktisch unbenetzbar ist. Dieser Effekt wurde zwar schon in den 70er Jahren entdeckt. Jedoch wurde erst vor einiger Zeit entdeckt, dass die OberflÀchen zudem auch selbstreinigend sind.


Das interessante daran ist, dass die BlattoberflĂ€che nicht völlig glatt, sonder stark aufgerauht ist. Dies bewirken stark gewölbte Zellen und spezielle Wachskristalle von der Grösse weniger Mikrometern. In Kombination bewirken sie eine hydrophobe (wasserabweisende) OberflĂ€chenstruktur, welche auch gegen natĂŒrliche EinflĂŒsse Ă€usserst widerstandsfĂ€hig ist.




Anders verhÀlt es sich gegen Umweltchemikalien wie z.B. Pflanzenschutzmittel, welche Tenside enthalten, die die OberflÀchenstruktur des Blattes verÀndern und benetzbar machen. Infolge dessen können Pilzsporen und Krankheitserreger das Blatt besiedeln und die Pflanze zugrunde richten.

Die Idee der rauhen, unbenetz - bzw. unverschmutzbaren OberflÀche befÀhigt die Industrie, Autolacke und OberflÀchenbeschichtungen auf physikalisch - chemischer Grundbasis herzustellen, welche in vielen Bereichen zur Anwendung kommen werden. Ein erstes Produkt wurde Anfang dieses Jahres von einer Farbfabrik unter dem Namen ispo Lotusan auf den Markt gebracht. Der Vorteil einer solchen Beschichtung ist leicht zu finden:
Reinigungsmaterial fÀllt nur noch bedingt an und dies entlastet die Umwelt.



2. Haifischhaut auf einen Airbus ĂŒbertragen

Wassertiere bewegen sich in einem Medium, welches einen möglichst geringen Reibungswiderstand verlangt, wenn die Tiere nicht zuviel Energie fĂŒr die Fortbewegung aufwenden wollen.
Deshalb stattete die Evolution einige Haifischarten mit einer oberflÀchentechnisch gesehen speziellen Haut aus, welche beim Schwimmen entstehende Wirbel beseitigt.

Die Haifischhaut ist in Strömungsrichtung fein gerillt, damit beim schwimmen entstehende Wirbel vermindert oder beseitigt werden.
Die Forscher massen diese Rillen aus, und ĂŒbertrugen sie grössenverhĂ€ltnissmĂ€ssig auf Modelle, die sie in einem Strömungskanal testeten.

Eine Firma produzierte Prototypen einer Folie, die sich fĂŒr die Beklebung auf Airbuse des Typs A340 eignet.
Nach einem Testflug konnte eine Reibungsverminderung von 8 % festgestellt werden, was ein Einsparung von 2.4 Tonnen Treibstoff pro Langstreckenflug bedeutet.




3. Elastisch angetriebener Roboterarm
In der elektromechanischen Robotik (FörderbĂ€nder, Schweissautomaten, AbfĂŒllanlagen) sind möglichst spielfreie Gelenke gefragt. Vor allem deshalb, weil lotterige Gelenke und Übersetzungen ungenau und praktisch nicht zu kompensieren sind. Eine Firma hat das Problem jetzt von der anderen Seite her angepackt. Sie nahmen sich die Natur zum Vorbild (genauer: den menschlichen Muskel) und lösten das Problem mit einem elastischen Roboterarm, welcher mit Elektromotoren und Zugfedern gesteuert und angetrieben wird. Ein Roboterarm dieser Art hat einige Vorteile: Prallt der Arm auf etwas unerwartetes, geben die Federn nach und hinterlassen keine allzu grossen SchĂ€den. Da die Gelenke nicht spielfrei sein mĂŒssen, ist die Herstellung billiger und weniger aufwendig. Der elastische Roboterarm ist jedoch aufwendiger zu steuern. Zwar sind alle Schwingbewegungen kompensierbar, dafĂŒr aber rechenaufwendiger. Das erfordert eine grössere Rechenleistung. Aber die Natur hat uns ja gezeigt, wie gut elastische Aktoren funktionieren.
Epilog


GrundsĂ€tzlich lĂ€sst sich das Thema Bionik schwer definieren. Wenige Menschen wissen ĂŒberhaupt, was Bionik ist. Das lĂ€sst ein wenig auf die PopularitĂ€t des Themas schliessen. Im Allgemeinen sehe ich eine grosse Zukunft fĂŒr Bionik, wenn - und nur dann - sich Wissenschaftler einen Kodex auferlegen, welcher sie zwingt, anstĂ€ndig mit der Natur umzugehen. Gentechnologie ist im Vergleich zur Bionik mĂ€chtiger, aber um einiges schmutziger, da Tiere gezĂŒchtet oder verĂ€ndert und nicht bloss beobachtet werden.
Ob Bionik die Natur ausbeutet ist schwer zu sagen. Eine Ausbeutung bedeutet eigentlich, dass die ausgebeutete Lebensform kein eigenes Leben mehr hat und nur noch fĂŒr die Ausbeutung selbst lebt, auch wenn dies der Lebensform gar nicht bewusst sein muss. Ich denke nicht, dass Bionik eine Ausbeutung ist, da nur einzelne Objekte einer Lebensform beobachtet werden und in seltenen FĂ€llen ihr Leben lassen mĂŒssen.

Mein persönlicher Erkenntnisgewinn bezĂŒglich des Themas:

Ich habe einen kleinen Einblick in eine Wissenschaft erhalten, welche in Zukunft einige Dinge entdecken und umsetzen wird. Eine saubere Wissenschaft, die sich das Wissen, das sich die Menschheit in der kleinen Zeitspanne, die sie schon auf diesem Planeten verbringt, mit dem Wissen der Natur, die schon einiges lÀnger auf der Erde durchgehalten hat, zu Nutze machen kann.

Quellenverzeichnis

Die Angaben, Beispiele, Daten und Bilder stammen grösstenteils aus dem Internet. Daher die grosse Zahl der Webadressen.

Forschungsprojekte der Bionik:

UniversitĂ€t SaarbrĂŒcken:
http://www.uni - sb.de/matfak/fb13/bi13wn/projekte/projekte.htm

UniversitÀt Bonn :
http://www.botanik.uni - bonn.de/system/bionik.htm

Bionikseite der Stadt Berlin :
http://lautaro.fb10.tu - berlin.de/intseit2/start2.html

Geo - Artikel zum Thema Bionik:
http://www.geo.de/themen/tiere_pflanzen/bionik/index.html

NZZ - Artikel im Internet:
http://www - x.nzz.ch/format/broadcasts/broad_95.html

Buchhinweise im Internet :
http://www.uni - sb.de/matfak/fb13/bi13wn/buecher/

Weitere Sites :
http://www.dpunkt.de/bionik/bionik.index.html

http://www.heise.de/tp/deutsch/inhalt/co/2502/1.html

Interessante Bilder :
http://www.dpunkt.de/bionik/bionik.bilder1.html


Im Fernsehen werden PopulÀrwissenschaftssendungen ausgestrahlt (Galileo, Welt der Wunder), die oft Bionikverwandte Themen bearbeiten.




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