Bionik: Die Natur als Lehrmeister

Die Wissenschaft der Bionik fasst Biologie und Technik zu einem Wort zusammen und benennt damit ihren eigenen Gegenstand: Natur inspiriert Technik. Wie kann die Forschung das Potenzial der Natur nutzen, um technische Probleme effizienter zu lösen – das ist die Fragestellung der Bionik.

Sie ist zum einen biologische Grundlagenforschung, zum anderen Ingenieurwissenschaft: Forscher analysieren biologische Vorbilder, also Pflanzen und Tiere, um sie zu verstehen. Dann versuchen sie, diese Kenntnisse in technische Lösungen zu übersetzen.

Leonardo als Vorreiter

Leonoardo

Der Fortschritt der Computertechnik hat die Bionik in den letzten Jahrzehnten beflügelt: Damit kann man etwa komplizierte Bewegungsmuster von Spinnen berechnen. Doch im Ansatz macht die Wissenschaft nichts anderes als ihr Vorreiter Leonardo da Vinci, der schon vor 500 Jahren vom Fliegen träumte.

Um seinem Traum näher zu kommen, studierte da Vinci eifrig die Bewegungen von Vögeln und Fledermäusen. In seinem „Kodex über den Vogelflug“ von 1505 finden sich viele Vogelskizzen. Nach diesem Vorbild entwarf das italienische Mulit-Talent Flügel für Flugapparate. Allein an der praktischen Umsetzung scheiterte sein Projekt.

Patente der Natur

Die Haut von Haien hat die Bionik gelehrt, dass Mikrostrukturen Reibung reduzieren – eine Erkenntnis, die nicht nur in der Luftfahrt energiesparend umgesetzt wurde. Im Schwimmsport führte die Erkenntnis zu einer Flut von Rekorden durch neuartige Schwimmanzüge.

Heuschrecken und andere Insekten ertasten ihre Umgebung mit langen, beweglichen Fühlern, die sie kreisend bewegen. So finden sie sich in unbekanntem Gelände zurecht. Forscher des Fraunhofer-Instituts haben nach diesem Vorbild einen technischen Tastsensor entwickelt, der mobile Roboter bei ihrer Orientierung unterstützen soll.

Schon diese Entwicklungen zeigen, dass das Themenspektrum der Bionik viele Fächer umfasst – das liegt in der Natur der Sache. Biologen, Mediziner, Chemiker, Physiker und Ingenieure arbeiten in der Bionik zusammen. Ebenso vielfältig sind die Anwendungsbereiche.

Bilderstrecke: Bionik – Die faszinierendsten Beispiele

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Klettverschluss

Klettverschluss – der Klassiker: Auch wer die Pflanze „Große Klette“ nicht kennt, weiß zumindest eines: Eine Klette wird man so schnell nicht wieder los. Das fiel auch dem Schweizer Georges de Mestral auf, als beim Wandern im Fell seines Hundes Kletten hängen blieben. Unter dem Mikroskop zeigte sich: Die Stacheln der Klettenfrucht hatten an ihrer Spitze winzige Widerhaken, die sich im Fell festhakten und auch beim Entfernen nicht abrissen. Nach einigen Jahren Arbeit gelang es dem Ingenieur, die Stacheln zu imitieren. 1951 meldete Mestral den Klettverschluss, wie er heute bei Schuhen, Rucksäcken, Windeln etc. üblich ist, als Patent an: Der Schnellverschluss besteht aus zwei Nylonstreifen. Einer trägt flexible Widerhaken, der andere viele kleine Schlaufen. Drückt man sie aufeinander, hängen sie zusammen. Eben wie Kletten.

Bremsen

Bremsen wie eine Katze: Bewegt sich eine Katze schnell, sind ihre Pfoten schmal. Stoppt sie jedoch in schnellem Lauf, spreizt sie die Ballen ihrer Pfoten und vergrößert damit ihre „Bremsfläche“. So wird mehr Kraft auf den Boden übertragen als beim Laufen und das erhöht die Bremswirkung. Diesen Effekt haben Reifenhersteller kopiert, um die Sicherheit im Verkehr zu verbessern. Sie haben Autoreifen mit spezieller Oberflächenstruktur entwickelt, die während der Fahrt schmal bleiben und beim Bremsen breiter werden. Die größere Bremsfläche erhöht die Haftung und verringert den Bremsweg. Das Auto bleibt schneller stehen.

Kleben

Kleben wie ein Gecko: Dieses kleine, 50 bis 100 Gramm schwere Reptil läuft vollkommen glatte Wände hinauf und hinunter. Es kann kopfüber an der Wand hängen und sich dabei nur mit einem Zeh an der Scheibe des Terrariums festhalten. Diese unglaubliche Klebekraft bewirken Milliarden von Nanohärchen unter seinen Füßen.Das Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung hat die „Gecko-Hafttechnik“ studiert, chemisch rekonstruiert und einen Trockenkleber als Patent angemeldet. Das „Nanoklebeband“ soll bald in Produktion gehen: Es klebt auf jedem Untergrund sehr fest. Trotzdem ist es leicht und ohne Spuren wieder abzulösen und sehr oft verwendbar.

Künstliche

Künstliche Photosynthese:Pflanzen „fangen“ mit dem Blattgrün das Sonnenlicht ein. Das Licht verwandeln sie durch die Spaltung von Wassermolekülen in den Nährstoff Zucker und speichern dann diese chemische Energie. So produzieren Pflanzenzellen selbst ihre Nahrung: aus Wasser, CO2 und Licht. Diesen Prozess nennt man Photosynthese.Die Wissenschaft arbeitet an einem „künstlichen Blatt“, um den Prozess technisch nachzuahmen. Das Ziel: Mit Sonnenlicht und Wasser Energieträger wie Wasserstoff und Biosprit herzustellen. Experimente am Massachusetts Institute of Technology haben gezeigt: Mit einem Katalysator auf einem winzigen Solarmodul, etwas Wasser und Sonne kann man Wasser spalten, Wasserstoff und damit Energie erzeugen.

Kameras

Kameras wie Insektenaugen: Insekten haben Facettenaugen, die aus Hunderten einzelner dünner Linsen bestehen, bei Libellen sind es sogar Tausende. Die halbrunden Augen sitzen seitlich. Jede Linse sieht nur einen Ausschnitt – Fliege & Co. können in einer Sekunde bis zu 300 Bilder getrennt wahrnehmen. Dann setzen sie die Einzelbilder zu einem Bild zusammen.Am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena haben Physiker das Facettenauge nachgebaut und so extrem flache Kameraobjektive (0,2 Millimeter) entwickelt. Für Digitalkameras reicht die Auflösung der Mikrolinsen nicht. Doch die künstlichen Facettenaugen sollen sich als Sensoren in Fahrzeugen nützlich machen: als unsichtbare Überwachungskameras, die z.B. ein Alarmsignal auslösen, wenn der Fahrer „wegdöst“.

Die

Die Haut der Haie: Mit Geschwindigkeiten bis zu 70 Stundenkilometern gehören Haie mit zu den schnellsten Schwimmernder Tierwelt. Dafür sorgen winzige Längsrillen auf den Schuppen der Haut. Sie bilden eine stromlinienförmige Struktur, die sich nahtlos über den Körper des Hais erstreckt und den Strömungswiderstand verringert. Riblet-Folie: Haihaut findet sich als sogenannteRiblet-Folie im See- und Luftverkehr. 2010 beklebte ein findiger Skipper sein Segelboot mit der Folie – undgewann prompt den renommierten „America’s Cup“

Blütenrein:

Blütenrein: Nicht umsonst gilt die Lotusblume in Asien als Symbol der Reinheit:Mikroskopisch kleine Hügel auf ihren Blättern verhindern, dass Wasser haften bleibt. DieTropfen perlen ab und reißen jeglichen Schmutz mit sich. Lotuseffekt: Der deutsche BotanikerWilhelm Barthlott entdeckte den Lotuseffekt in den 70er-Jahren. Nach langer Forschunggelang es ihm, das Prinzip auf Alltagsgegenstände wieWaschbecken oder Fensterglasanzuwenden – die selbstreinigendeOberfläche war erfunden.

Auf

Auf Adlers Schwingen:Im Gleitflug spreizen Greifvögel die Enden ihrer Flügelauseinander. Dadurch verkleinern sie die kleinenRandwirbel am Flügelende und verringern so denLuftwiderstand.Winglets: Nicht nur bei Greifvögeln, auch bei Fliegernfinden wir die aufgestellten Flügelchen (englisch:winglets). Sie sorgen je nach Flugzeugtyp füreinen stabileren Flug und für bis zu fünf Prozentgeringeren Kerosinverbrauch.