André Jordan

Methoden und Werkzeuge für den Wissenstransfer in der Bionik

Alle Rechte vorbehalten, auch das des Nachdrucks, der Wiedergabe (Photokopie etc.), der Speicherung in Datenver-

arbeitungsanlagen und der Übersetzung, auszugsweise oder vollständig. Printed in Germany

Vorwort

Verfahren der biologischen Evolution können über die Bionik (im Sinne eines systematischen Lernens von der Natur) durch Analogieschlüsse zahlreiche Anwendungsgebiete in der Technik unterstützen. Vorgehensweisen und Ergebnisse aus der Biologie erfahren derzeit ein verstärktes Interesse, gelingt es doch, mit ihnen sehr beeindruckende Resultate zu erzielen, die etwa zur Schonung natürlicher Ressourcen gewinnbringend eingesetzt werden können (wie beispielsweise die Winglets an den Flügelenden von Flugzeugen, mit denen bis zu 10% Treibstoff eingespart werden kann). In diesem Forschungsgebiet setzt die vorliegende Dissertation ein. Der Autor stellt dabei zu Recht fest, dass diese Analogien bei näherer Untersuchung durchaus noch als rudimentär betrachtet werden können und dass ihre Potentiale und Grenzen weder hinreichend genau bekannt sind noch entsprechend genutzt werden. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt im wesentlichen auf den durch einen entsprechenden Wissenstransfer erzielbaren Ergebnissen bei der Auslegung von Produkten (das ist der Inhalt der Bionik), während sich beispielsweise die Autogenetische Konstruktionstheorie mit der Adaption von Entwicklungsabläufen der Evolution für die Technik beschäftigt.

Grundsätzlich ist in der Technik die Beachtung von Grundprinzipien biologischer Systeme gewinnbringend, da deren Befolgung in der Technik deutlich leistungsfähigere Lösungen hervorbringen können als eine rein mechanisch orientierte Auslegung eines Produkts, auch wenn sie letztendlich den gleichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Dabei soll das Finden von Lösungen insbesondere mit Hilfe von Analogien aus erfolgen. Der Autor gibt eine sehr schlüssige Beschreibung möglicher Formen der Analogiebildung und zeigt auf, warum gerade in der Bionik ein großes Feld alternativer Lösungen vorhanden ist, deren Leistungsfähigkeit den auf "klassischem Weg" gefundenen Lösungen häufig überlegen sein kann. Zur Nutzung dieses Potentials werden Modelle für ein „bionisches Arbeiten“ vorgeschlagen. Dazu gehören bionisches Aufbereiten der Problemstellung aus der Technik, Suche nach möglichen Lösungen in der Biologie und ihre Analyse auf Eignungsfähigkeit sowie schließlich Transfer des bionischen Wissens in die Technik. Der Autor weist dabei zu Recht darauf hin, dass sich die Vorgehensweisen in der Technik (überwiegend deterministisch getriebene Vorgehensweisen) von denen der Biologie (spontan auf äußere Reize reagierende Vorgehensweisen) unterscheiden.

Gerade bei der Analogiebildung und dem daraus folgenden Wissenstransfer aus der Biologie in die Technik kommt der Kommunikation eine wesentliche Bedeutung zu. Zu diesem Wissenstransfer schlägt der Autor ein Analogiemodell vor. Er zeigt einerseits die Leistungsfähigkeit dieses Modells an gelungenen Beispielen auf und beweist, dass dieses Modell für den Transfer zwischen beliebigen Wissensdomänen verallgemeinert werden kann. Die vorliegende Arbeit liefert damit einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Anteile innovativer Produktlösungen mit Hilfe von Analogien aus der Biologie.

Magdeburg, im Mai 2008

Prof. Dr.-Ing. Sándor Vajna

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand zu einem wesentlichen Teil während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik am Institut für Maschinenkonstruktion der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Sándor Vajna, dem Inhaber des Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik für sein großes Interesse an dieser Arbeit, die wertvollen Anregungen und das Vertrauen, das er mir entgegen brachte. Bei der Wahl des Themas und bei der Gestaltung der Arbeit gewährte er mir großzügig Freiräume, die nicht überall selbstverständlich sind.

Das Koreferat übernahm freundlicherweise Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Kallenbach, Leiter des Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik und Initiator des Fachgebietes Biomechatronik an der Fakultät Maschinenbau der TU Ilmenau. Ihm gilt mein Dank für die kritische Durchsicht der Arbeit und die wertvollen Hinweise und Anregungen. Er gab mir u. a. die Gelegenheit meine Ideen in seinem Haus vorzustellen und gemeinsam mit Fachkollegen zu diskutieren.

Zu Dank bin ich auch Prof. Dr. Bernd Hill und Dr. Cornelius Schilling verpflichtet, die die Entwicklung meiner Arbeit stets mit Interesse verfolgt haben und mit denen ich Lösungsansätze zur Verbesserung des bionischen Arbeiten anregend diskutieren konnte.

Dr. Anita Roth-Nebelsick, Andreas Reinhard, Dr. Rolf Luchsinger sowie Prof. Dr.-Ing. Martin Lawerenz möchte ich dafür danken, dass sie sich die Zeit für ein Interview nahmen und mir von ihren interessanten Bionik-Projekten berichteten. Durch diese Interviews erhielt ich einen Eindruck von der Vielfalt den bionischen Arbeitens, von den Möglichkeiten aber auch den Heraus-forderungen, die sich mit solchen Projekten verbinden.

Den Mitarbeitern des Lehrstuhles danke ich für die stets angenehme Zusammenarbeit, für das her-vorragende Arbeitsklima und die vielen interessanten fachlichen und nichtfachlichen Gespräche. Danken möchte ich auch den Studenten der Studienrichtung Integrierte Produktentwicklung aus deren Projekten ich Anregungen für meine Arbeit ziehen konnte.

Schlußendlich möchte ich feststellen, dass diese Arbeit ohne die Unterstützung meiner Familie nicht möglich gewesen wäre. Besonders möchte ich meiner Frau Aline danken, die mich immer motiviert und mir in jeder Hinsicht den Rücken freigehalten hat, sowie meinem Sohn Philipp, der mir mit seinen Lächeln täglich neuen Antrieb gab.

Magdeburg, im Mai 2008

André Jordan

Abstrakt

Die Entwicklung innovativer Produkte ist in der Regel mit einem fachübergreifenden Transfer von Wissen verbunden. Dieser Wissenstransfer erfolgt bislang meist zufällig und wenig systematisch. Zukünftig wird er jedoch - bedingt durch den Zwang zu Innovationen und der kontinuierlich betriebenen Beschleunigung des Produktentwicklungspozesses - an Bedeutung gewinnen.

In dieser Arbeit werden Fragestellungen des fachübergreifenden Wissenstransfers aus Sicht der Produktentwicklung beleuchtet. Im Vordergrund stehen dabei die Methoden und Werkzeuge zur Unterstützung des bionischen Arbeitens. Die Bionik ist eine transdisziplinär angelegte Wissenschaftsdisziplin, die sich mit der Erforschung biologischer Systeme sowie mit der Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse in technische Produkte und Verfahren befasst. Mit Hilfe der Bionik wurden bereits eine Reihe innovativer Lösungen für technische Problemstellungen generiert. Dennoch ist festzustellen, dass sich das bionische Arbeiten im Rahmen der Produktentwicklung bislang kaum etablieren konnte. Zwar existieren Modelle, die die Arbeitsweise in der Bionik beschreiben, doch werden diese in der Praxis kaum gelebt. Ähnliches gilt für die Werkzeuge und Methoden, die zur Unterstützung bionisch arbeitender Personen entwickelt wurden.

Den Anstoß für die Entwicklung eines bionischen Produktes bilden Analogien. In dieser Arbeit wird daher untersucht, welche Bedeutung Analogien für die Produktentwicklung haben und wie die Bildung zweckmäßiger Analogien unterstützt werden kann. Dabei wird deutlich, dass in Natur und Technik ein enger Zusammenhang zwischen Funktionen, Strukturen und Materialien besteht. Eine analoge Gegenüberstellung sollte daher alle möglichen Aspekte der beteiligten Analoga berücksichtigen und ganzheitlich ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten herausstellen. Der Prozess zum Aufbau eines ganzheitliches Analogiebildes wird dieser Arbeit durch das Bionische Analogiemodell beschrieben.

Für den Aufbau eines solchen Analogiemodells ist in der Regel Expertenwissen notwendig. Die Kommunikation zwischen Fachexperten und Produktentwicklern wird daher in dieser Arbeit ebenfalls thematisiert. Neben einem Kommunikationsmodell, das den Wissenstransfer in verschiedenen Dimensionen beschreibt, wird mit dem Triadengespräch ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Kommunikation zwischen Biologen und Ingenieuren effizienter gestalten lässt.

Die bestehenden Ansätze zur Unterstützung des bionischen Arbeitens werden in dieser Arbeit gleichfalls dargestellt und diskutiert. Davon ausgehend wird das Konzept für ein Unterstützungssystem für die Bionik erarbeitet. Hierbei handelt es sich um ein Semantisches Wiki, dass die bereits existierenden Ansätze zusammenführt. Als Werkzeug für Recherche unterstützt es den Produktentwickler beim Aufbau des bionischen Analogiemodells und bei der Suche nach Experten, an die er sich bei offenen Fragen und konkreten Problemstellungen wenden kann.

I

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung.  1

1.1  Motivation.  1

1.2  Forschungsmethodik.  5

1.3  Struktur der Arbeit.  7

2  Bionik im Überblick.  9

2.1  Bionik im Schrifttum.  10

2.1.1  Begriffsklärung und Grundverständnis.  10

2.1.2  Teilgebiete der Bionik.  12

2.1.3  Zusammenfassung.  16

2.2  Beispiele bionischer Produkte.  17

2.2.1  Beispiel: Lotus-Effekt.  17

2.2.2  Beispiel: Haifischhaut.  19

2.2.3  Beispiel: Unterwasser-Modem.  20

2.2.4  Beispiel: Anti-G-Anzug.  22

2.3  Bionik in der Praxis.  23

2.3.1  Vorgehensweise.  23

2.3.2  Biologische Grundlagenforschung.  24

2.3.3  Bionisches Arbeiten.  25

2.3.4  Technische Umsetzung.  27

2.4  Zusammenfassung.  28

3  Produktentwicklung im Überblick.  31

3.1  Produktentwicklungsmethodik.  33

3.1.1  VDI-Richtlinie 2221.  33

3.1.2  Alternative Beschreibungen der Vorgehensweise.  34

3.1.3  Weitere Aspekte der Produktentwicklung.  36

3.2  Strategien, Methoden, Werkzeuge und Hilfsmittel.  39

3.2.1  Strategien.  40

3.2.2  Sachmethoden.  40

3.2.3  Organisationsmethoden.  41

3.2.4  Werkzeuge und Hilfsmittel.  43

3.3  Konstruktionsarten.  44

3.3.1  Neukonstruktion.  44

3.3.2  Anpassungskonstruktion.  46

3.3.3  Variantenkonstruktion.  46

3.3.4  Zusammenfassung.  47

3.4  Entwicklung technischer Systeme.  48

3.4.1  Evolution technischer Systeme.  48

3.4.2  Entwicklungstrends technischer Systeme.  50

3.5  Zusammenfassung  51

II

4  Lösungsfindung.  53

4.1  Lösungsfindung in der Praxis.  53

4.1.1  IPE-Projekt: Schleifgerät.  54

4.1.2  IPE-Projekt: Carving-Hilfe.  55

4.1.3  IPE-Projekt: Ampel-Informations-System.  56

4.1.4  Ideenfindung durch Wettbewerbsanalyse.  57

4.1.5  Ideenfindung durch nichttechnische Assoziation.  59

4.2  Exkurs in die Analogielehre.  60

4.2.1  Analogien aus philosophischer Sicht.  61

4.2.2  Analogien aus psychologischer Sicht.  63

4.2.3  Analogiearten.  64

4.3  Analogiebildung in der Produktentwicklung.  65

4.3.1  Analogien und Kreativitätstechniken  65

4.3.2  Analogien und das Konzept der Wiederverwendung.  68

4.3.3  Lösungsfindung und das Werkzeug „Bionik“  71

4.4  Thesen.  74

5  Modelle für das bionische Arbeiten.  79

5.1  Übertragungsmodelle für die Bionik.  80

5.1.1  Modell von Hill.  80

5.1.2  Modell von Küppers.  81

5.1.3  SFT-Methode nach Rummel.  84

5.1.4  Bionisches Vorgehensmodell nach Gramann.  86

5.1.5  Ilmenauer Bionic Algorithm.  88

5.1.6  Zusammenfassung und Kritik.  90

5.2  Bionisches Analogiemodell.  92

5.2.1  Vorbetrachtungen.  92

5.2.2  Analogiebildung als Mapping-Prozess.  94

5.2.3  Verallgemeinerung des Analogiemodells.  97

5.2.4  Diskussion des Analogiemodells  99

5.3  Analogiebildung als Kommunikationsprozess.  101

5.3.1  Vorbetrachtungen.  101

5.3.2  Kommunikation zwischen Biologen und Ingenieuren.  104

5.3.3  Barrieren des interdisziplinären Wissenstransfers.  107

5.3.4  Weitere Dimensionen des Kommunikationsmodells.  111

5.4  Zusammenfassung.  114

6  Methoden und Werkzeuge der Bionik.  116

6.1  Unterstützung der Kommunikation zwischen Experten und Laien.  117

6.1.1  Vorbetrachtungen.  117

6.1.2  Triadengespräche und interpunktierte Erzählungen.  118

6.1.3  Diskussion des Ansatzes.  121

6.2  Bestehende Ansätze zur Unterstützung des Wissenstransfers.  122

6.2.1  Kataloge biologischer Konstruktionen.  122

6.2.2  Digitaler Katalog biologischer Konstruktionen  129

III

6.2.3  Assoziationslisten.  130

6.2.4  Grundprinzipien biologischer Systeme.  131

6.2.5  Gesetzmäßigkeiten und allgemeingültige Regeln.  134

6.2.6  TRIZ und Bionik.  137

6.2.7  Zusammenfassung.  140

6.3  Konzept eines Unterstützungssystems für das bionische Arbeiten.  141

6.3.1  Vorbetrachtungen.  141

6.3.2  Wikis und semantische Wikis.  144

6.3.3  Ontologie des Unterstützungssystems.  147

6.3.4  Anmerkungen zur prototypischen Umsetzung.  154

6.3.5  Prototypische Umsetzung mit Semantic MediaWiki.  156

6.3.6  Zusammenfassung und Diskussion.  164

7  Zusammenfassung und Ausblick.  167

Literaturverzeichnis.   174

Anhang A  E-Mail mit Interviewanfrage.  189

Anhang B  Fragenbogen  191

IV

Abbildungsverzeichnis

Bild 1.1: Lebensphasen eines Produktes nach Ehrlenspiel [Ehr03, S. 43]...........................................3

Bild 1.2: Struktur der Arbeit.................................................................................................................7 Bild 2.1: Technische Biologie und Bionik [Nac96]...........................................................................11 Bild 2.2: Auswirkung der Rauigkeit auf die Benetzbarkeit hydrophiler und hydrophober

Oberflächen [BN98]........................................................................................................18 Bild 2.3: Haihaut unter dem Mikroskop [LK04]................................................................................20 Bild 2.4: Technische Nachbildung [LK04]........................................................................................20 Bild 2.5: Leichtflugzeug "Stingray" [SFL+06, S. 58].........................................................................28 Bild 3.1: Produktentwicklung nach VDI-Richtlinie 2221 [VDI2221]...............................................33 Bild 3.2: Münchner Vorgehensmodell [Lin03]..................................................................................35 Bild 3.3: Beispiel für die Zusammensetzung von Teams nach Ehrlenspiel [Ehr95, S. 170]..............42 Bild 3.4: "Lebenslinie" von Systemen [Alt84, S. 115].......................................................................48 Bild 3.5: Evolution durch vertikalen Gentransfer...............................................................................49 Bild 3.6: Evolution durch horizontalen Gentransfer..........................................................................50 Bild 4.1: Gestaltungsentwürfe für ein Schleifgerät (Chamäleon, Ente, Wels und Käfer)..................55

Bild 4.2: Finales Konzept der Carvinghilfe........................................................................................56 Bild 4.3: Sicht auf eine Ampel...........................................................................................................57 Bild 4.4: Konzept der aufgelegten Klappe [Lei05, S. 89]..................................................................58 Bild 4.5: Konzept der eingelegten Klappe [Lei05, S. 88]..................................................................58 Bild 4.6: Konzept des Vorderwagens [Lei05, S. 95]..........................................................................59 Bild 4.7: Momentenbedarf der Welle über der Drehzahl (links) und gebildete Analogie (rechts)

[Gra04, S. 87]..................................................................................................................60 Bild 4.8: Beispiel für die Attributionsanalogie [Kun98, S. 112]........................................................61 Bild 4.9: Beispiel für Proportionalitätsanalogie [Kun98, S. 119]......................................................61 Bild 4.10: Ordnungsschema für Kreativitätstechniken und die Wahrscheinlichkeit, innovative Produktideen zu generieren [GEK01, S. 123].................................................................66 Bild 4.11: 80/20-Regel - das Pareto-Prinzip......................................................................................68 Bild 4.12: Mehrdeutige Skizze [LDL01]............................................................................................69 Bild 4.13: Mögliche Toleranzkurven als Abhängigkeit von Wertebereich (horizontal) und

Trefferwahrscheinlichkeit................................................................................................70 Bild 4.14: Eingrenzung des Lösungsraumes durch Nutzung weiterer Suchkriterien.........................71 Bild 4.15: Konzeptdreieck für das Problem, die Durchbiegung eines Balkens zu verringern [GEK01,

S. 130]..............................................................................................................................73 Bild 5.1: Analogiebildung in der Bionik [Hil98a, S. 52]...................................................................81 Bild 5.2: Anleitung für bionisches Forschen und Entwickeln [KT02, S. 161]...................................82 Bild 5.3: Bioanaloge Ähnlichkeitsmatrix [KT02, S. 157]..................................................................83 Bild 5.4: Nutzung des biologischen Wissenspools zur Lösung technischer Probleme [Rum04].......84 Bild 5.5: Bionischer Vorgehenszyklus nach Gramann [Gra04, S. 98]...............................................87 Bild 5.6: Bionic Algorithm nach Schilling et al. [SFM+05]..............................................................89 Bild 5.7: Mögliche Aspekte einer analogen Gegenüberstellung........................................................95 Bild 5.8: Zusammentragen der Aspekte.............................................................................................95 Bild 5.9: Aufbauen der Beziehungsnetzwerke...................................................................................96 Bild 5.10: Zusammenführen der relevanten Aspekte.........................................................................97 Bild 5.11: Basic cycle of reflective practise [Dor97, S. 74].............................................................100 Bild 5.12: Kommunikationsmodell nach Shannon & Weaver [WS49, S. 34].................................102 Bild 5.13: Kommunikationsmodell nach Schulz von Thun [Sch01, S. 14].....................................102 Bild 5.14: Beziehungsnetzwerk zwischen Biologen und Ingenieuren..............................................104 Bild 5.15: Bedeutungen der Ebenen nach Heppner [Hep97] und im Kommunikationsmodell.......112

Bild 6.1: Wissensprofile von Biologen und Ingenieuren..................................................................118

V

Bild 6.2: Wissenslücken bei der Kommunikation zwischen Experten und Laien sowie bei der Kommunikation zwischen Novizen und Laien..............................................................120 Bild 6.3: Katalog biologischer Konstruktionen nach Hill [Hil98a, S. 3].........................................124 Bild 6.4: Abfolge der hinterlegten Seiten im "Analogie-Sucher" [Sch06b].....................................129 Bild 6.5: Auszug aus der Assoziationsliste von Gramann [Gra04, S. 140]......................................130 Bild 6.6: Auswahl von Grundprinzipien biologischer Systeme [Nac98b; MR98; KT02]...............132 Bild 6.7: Zusammenstellung ausgewählter Konstruktionsprinzipien [Kes54; Suh90; PB93]..........133

Bild 6.8: Goldener Schnitt bei Rechtecken......................................................................................136 Bild 6.9: Goldener Schnitt im eingespannten Balken.......................................................................137 Bild 6.10: Integration der Bionik in die TRIZ-Werkzeuge [Gün04]................................................139 Bild 6.11: Beispiel einer semantischen Relation..............................................................................145 Bild 6.12: Beispiel einer Relation zu einem Attribut.......................................................................146 Bild 6.13: Beispiel einer Klassenhierarchie......................................................................................147 Bild 6.14: Ableitung der Konzepte des Unterstützungssystems aus dem bionischen Analogiemodell

.......................................................................................................................................150 Bild 6.15: Auswahl möglicher Unterklassen des Konzeptes "Analogieaspekt" in OWL-Graphen-

Darstellung.....................................................................................................................151 Bild 6.16: Relationen und Eigenschaften der Konzepte „Publikation“ und „Organisation“............153 Bild 6.17: Einordnung semantischer Wiki-Software........................................................................155 Bild 6.18: Aufbau eines Artikels im Umterstützungssystem............................................................158 Bild 6.19: Auszug aus der Bildergalerie im Unterstützungssystem.................................................159 Bild 6.20: Aufbau der Seite „Einfache semantische Suche“............................................................160 Bild 6.21: Infobox mit eingehenden Links.......................................................................................161 Bild 6.22: Aufbau der factbox in Semantic MediaWiki...................................................................162

VI

Verwendete Abkürzungen

Fachliche Abkürzungen

API

BMBF CAD CAO CMS DfX FEM FOAF ICED IPE KI OWL PDM RDF SKO TMCE TRIZ VDI XML

Grammatikalische Abkürzungen

bspw. bzw. f. ff. ggf. u. a. u. ä. u. v. a. m. vgl. z. B. z. T. Hrsg. FH S. TU

1 Einleitung 1

1 Einleitung

1.1 Motivation

Innovationen, so ist oft zu hören, sind die Voraussetzung für langfristigen Erfolg und wirtschaftliches Wachstum. Zudem verlange der Markt in immer kürzeren Abständen nach neuen Produkten, die den wachsenden und ständig wechselnden Kundenbedürfnissen Rechnung tragen. Bei dieser Argumentation wird häufig übersehen, dass rund 80 Prozent der Bevölkerung Veränderungen eher skeptisch gegenüber steht [Sim99, S. 7]. Etwas Neues, das Gewohntes zu ersetzen versucht, wird in der Regel abgelehnt. Dies gilt auch für neue Produkte ¹ .

Unterstützt wird diese Sichtweise durch drei Beobachtungen. Zum einen kann sich die Verkürzung der Produktentwicklungszeit nachteilig auf die Produktqualität auswirken. Spektakuläre Meldungen der jüngeren Vergangenheit wie der nicht bestandene „Elchtest“ der A-Klasse von Mercedes Benz [Kno97] und die Rückrufaktionen namhafter Hersteller [WDR04; COM05; Nür05] zeugen davon, dass unausgereifte Produkte auf den Markt gebracht wurden. In vielen dieser Fälle wurde zugunsten einer schnellen Marktpräsenz auf ausführliche Produkttests verzichtet. Der Leidtragende ist in der Regel der Kunde.

Zum anderen ist festzustellen, dass die meisten Märkte einen Sättigungsgrad erreicht haben, der ein weiteres Wachstum behindert ² . Kurze Innovationszyklen in diesen Bereichen führen nicht zwingend zu mehr Wachstum. Viele Kunden sehen nicht die Notwendigkeit, in immer kürzeren Zeitabständen in neue Produkte zu investieren. VON BRAUN fragt zu Recht nach dem Nutzen von Produkten, die

1 Die Zurückhaltung gegenüber neuen Produkten wird auch im Kaufverhalten deutlich. Nach ROGERS [Rog62] werden fünf Konsumententypen unterschieden, deren Kaufbereitschaft von der Reifephase eines Produktes abhängt: Innovatoren (2,5%), Frühe Adaptoren (13,5%), Frühe Mehrheit (34%), Späte Mehrheit (34%), Nachzügler (16%)

2 So lag z. B. die weltweite Jahresproduktion der Automobilhersteller im Jahr 2000 bei 80 Millionen Stück. Nachgefragt wurden hingegen nur 60 Millionen Fahrzeuge [Bra97, S. 310].

2 1 Einleitung

„schon wieder veraltet sind, bevor der Kunde gelernt hat, sie richtig zu beherrschen oder sie auch nur abschreiben konnte“ [Bra97, S. 310].

Zum dritten sei darauf verwiesen, dass die Entwicklungsgeschichte der Menschheit durch lange Zeiträume gekennzeichnet ist, in denen keine erkennbaren Fortschritte und Innovationen statt-fanden. Noch heute gibt es Naturvölker, deren Lebensstil über tausende Jahre nahezu unverändert blieb. Es darf daher bezweifelt werden, dass die kontinuierlich betriebene Beschleunigung des technischen Fortschritts zwingend notwendig für das menschliche Überleben ist.

Die oben aufgeführten Argumente lassen den Schluss zu, dass der „laute Ruf nach Innovationen“ nicht von den Kunden ausgeht. Vielmehr scheinen die Firmen selbst ein existentielles Interesse an neuen Produkten und deren schnellen Markteinführung zu haben. „Innovation ist für Unternehmen, was Sauerstoff für den Menschen ist“ [Trø97, S. 247]. Innovationen versprechen Wachstum. Wachstum wiederum benötigen Unternehmen, um Gewinne erwirtschaften zu können [Bun88]. Doch gesättigte Märkte behindern ein weiteres Wachsen. Gewinne lassen sich hier nur dann erzielen, wenn Umsätze früher realisiert werden. Die Unternehmen versuchen dies z. B. durch eine frühere Marktpräsenz und schnellere Produktwechsel zu erreichen ³ . Hierzu genügt es nicht, Produktinnovation zu betreiben; auch die Strukturen und Abläufe eines Unternehmens müssen kontinuierlich verbessert und den veränderten Bedingungen angepasst werden. Dieser Aspekt der Innovation wird in der öffentlichen Diskussion nur unzureichend berücksichtigt.

Frühere Marktpräsenz und schnellere Produktwechsel wirken sich unmittelbar auf die Lebensdauer der Produkte aus. Vereinfacht lässt sich feststellen, dass sich die Lebensdauer eines Produktes aus der Addition der Längen seiner Lebensphasen ergibt. Die in Bild 1.1 genannten Phasen sind produktunabhängig, d. h. sie können bei allen Produkten identifiziert werden. Dauer und Ausprägung der einzelnen Phasen unterscheiden sich jedoch in Abhängigkeit vom betrachteten Produkt.

Soll ein Produkt früher auf den Markt gebracht werden und dort ein bereits existierendes ablösen, so wirkt sich dies auf die Lebensphasen beider Produkte aus. Die kürzer werdenden Produktwechselzeiten zwingen zunehmend dazu, das alte Produkt zu einem Zeitpunkt auszutauschen, der vor dem Ende seiner funktionellen Lebensdauer liegt; d. h. seine Nutzungsphase wird verkürzt. Da dies jedoch im Widerspruch zum Kundeninteresse steht, wenden die Unternehmen enorme Anstrengungen auf, um ihre Kunden dennoch zum Erwerb neuer Produkte zu animieren.

Um eine frühere Marktpräsenz zu erreichen, müssen die Phasen, in denen das neue Produkt erstellt wird (Planung, Entwicklung, Fertigung und Vertrieb), „schneller als sonst“ durchschritten werden.

3 VON BRAUN stellt heraus, dass unter diesen Bedingungen das „Wachstum“ nur solange möglich ist, wie die Unternehmen in der Lage sind, die Beschleunigung beizubehalten [Bra97, S. 309]. In ähnlicher Weise argumentiert auch NACHTIGALL [Nac98a, S. 305 ff.]. Dass die Verkürzung der Produktlebenszyklen Grenzen hat, ist einsehbar. Die daraus folgenden Konsequenzen für Wirtschaft und Gesellschaft werden u. a. in [Bra97; Sch97a; Sch97b] diskutiert.

1 Einleitung 3

Besonderes Potential, das time-to-market signifikant zu verkürzen, bietet die Phase „Entwicklung und Konstruktion“. Sie lässt sich - verglichen mit den anderen - relativ schnell verändern und ist zudem mit verhältnismäßig geringen Investitionskosten verbunden. Ein Zeitvorteil lässt sich zum einen durch eine Verkürzung der Teilprozesse der Produktentwicklung, zum anderen durch einen höheren Grad an Parallelisierung erreichen. Im Schrifttum werden beide Ansätze intensiv diskutiert.

Die obengenannten Bestrebungen zielen in erster Linie darauf ab, die Produktentwicklung effizienter zu gestalten, d. h. Produkte schneller und besser zu entwickeln. Sie führen nicht zwingend zu „besseren“ Produkten. „Gut Ding will Weile haben“, weiß der Volksmund zu berichten. Überträgt man dies auf die Produktentwicklung, so verwundert es nicht, dass die als Innovationen gepriesenen Produkte, aus der Nähe betrachtet, oft nichts weiter sind als „Anpassungserneuerungen“ und „Wei- terentwicklungen“. BeideArten der Neuerung sind zweifelsfrei notwendig, doch stellen sie keine „Innovation im engeren Sinne“ dar [Sim99, S. 7]. Technischer Fortschritt ist in der Regel nur von „Durchbruchsinnovationen“ zu warten. Es scheint, dass diese Art von Innovation den Kunden am ehesten zu verkaufen ist. So führt BERTH an, dass die durchschnittliche Rendite von Durchbruchsinnovationen bei etwa 15 Prozent liegt. Mit kleinen Anpassungen hingegen verdient ein Unternehmen fast nichts [Sim99, S. 8].

Doch wie kommt man zu „wahren“ Innovationen? Wie lassen sich neue Ideen generieren und schnell in marktfähige Produkte überführen? Die Antworten auf diese Fragen sind vielschichtig. Schlagworte wie „Kreativitätstechniken“ und „Innovationsmanagement“ sind dabei genauso Bestandteil der Antwort, wie die Schaffung eines kreativitätsfördernden Umfeldes durch geeignete Organisationsstrukturen und gestaltete Arbeitsplätze.

4 1 Einleitung

Ein weiterer Teil der Antwort lässt sich vermutlich durch die Analyse von Produkten finden, die im allgemeinen zu den Durchbruchsinnovationen gezählt werden. Diese Produkte enthalten oft Elemente, die einzeln zwar bereits bekannt waren, aber noch niemals zuvor in dieser Art und Weise kombiniert wurden. So wurde z. B. im Explosionsmotor von HUYGENS, einem Vorgänger moderner Verbrennungsmotoren aus dem Jahr 1674, in einem Zylinder Schießpulver gezündet. Durch die Detonation wurde ein Kolben bewegt und Arbeit verrichtet [WIK06a; WIK06b] ⁴ . Die wesentlichen Elemente der Maschine waren keineswegs neu; Zylinder und Kolben wurden bereits in der griechischen Antike verwendet und Schießpulver ist seit Mittelalter in Europa bekannt. Eine Kombination in dieser Form jedoch war bis dahin unbekannt. Ähnliches gilt für andere Innovationen. Offensichtlich basiert die „Neuigkeit eines technischen Systems (...) nicht auf der Neuigkeit seiner Objekte, sondern auf deren Relationen“ [Gra04, S. 9]. PORTER argumentiert in ähnlicher Weise, wenn er schreibt: „Innovation bedeutet (...) die generelle Ermittlung neuer Kombinationsmöglichkeiten“ [Por97, S. 94].

Nach SIMON kommt es zu „spektakulären Innovationen“, „wenn eine Idee, die in einem Fachgebiet funktioniert, auf ein anderes übertragen wird“ [Sim99, S. 102]. Eine Innovation ist umso spektakulärer, je weiter die kombinierten Objekte thematisch auseinander liegen ⁵ . So hat die Integration eines MP3-Players in ein Mobiltelefon zwar einen gewissen Neuheitswert, aber sie scheint verglichen mit der Entwicklung schmutzabweisender Textilien [SMS+04] durch die Nutzung einer mikrostrukturierten Oberfläche nach dem Vorbild der Lotus-Blume weniger innovativ.

Im obengenannten Beispiel der schmutzabweisenden Textilien wurde bekanntes Wissen der Biologie in einen neuen Kontext gestellt und aus technischer Sicht interpretiert. Damit wurden zwei Wissensgebiete miteinander verknüpft, zwischen denen keine nennenswerten Querverbindungen bestehen. Es handelt sich um ein Beispiel aus der Bionik, einer transdisziplinär angelegten Wissenschaftsdisziplin, die vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI) wie folgt definiert wurde:

„Bionik als Wissenschaftsdisziplin befaßt sich systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktion, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme“ [Neu93].

Die Bionik hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die in der Öffentlichkeit bekannt gewordenen „Paradebeispiele“, wie die selbstreinigenden Oberflächen nach dem Vorbild der Lotus-Pflanze [BNC04], Schwimmanzüge, die die Struktur der Haifischhaut nachbilden

4 Die Informationen entstammen der freien Online-Enzyklopädie „Wikipedia“. Da das System keiner redaktionellen Kontrolle unterliegt, bietet Wikipedia keine Garantie für die Vollständigkeit und Richtigkeit der Artikel. Der Leser ist daher aufgefordert, Informationen und Zitate, bei denen ein Wikipedia-Artikel als Quelle angegeben ist, besonders kritisch zu hinterfragen.

5 HILL bezeichnet die Entfernung zum Ausgangsproblem als Analogieweite. Sie stellt ein Maß für die Originalität der Analogie dar [Hil98a, S. 123].

1 Einleitung 5

[Jün03], oder die selbstschärfenden Schneidwerkzeuge, die Nagetierzähnen nachempfunden sind [Fra05], haben ein Bewusstsein für die Bionik geschaffen und die Aufmerksamkeit der Industrie erregt. Bionik gilt als Innovationsmotor und als Hoffnungsträger, die „lahmende Konjunktur wieder in Schwung zu bringen“. Dies kommt nicht zuletzt auch in den Förderprogrammen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zum Ausdruck [BMBF05].

Kritiker werfen der Bionik vor, mehr Schein als Sein zu präsentieren. Sie argumentieren, dass viele der genannten Beispiele nicht durch eine systematische Übertragung von Prinzipien entstanden sind, sondern eher auf zufällige strukturelle Ähnlichkeit zurückzuführen sind. So soll die Säge ihr Vorbild in Fischgräten haben, und das Prinzip der Saugnäpfe sollen Krakenarmen abgeschaut worden sein [Vog00, S. 237 f.]. Kritisiert werden u. a. auch Vergleiche zwischen Samenkorn und Fallschirm, Vogelschnabel und Pinzette sowie Analogien zwischen den Grabschaufeln eines Maulwurfs und denen eines Baggers. In der Tat scheinen die angeführten Vergleiche fragwürdig, zumal die Entstehungsgeschichte vieler technischer Lösungen heute nicht mehr nachvollziehbar ist. Darüber hinaus lassen sich Beispiele für Produkte finden, in denen die angegebenen Analogien zu natürlichen Lösungen einer näheren Betrachtung nicht standhalten [Vog00, S. 239 ff.]. Die Produkte wurden im Nachhinein „bionisiert“.

Die Entwicklung bionischer Produkte scheint nicht so trivial zu sein, wie es das Schrifttum zum Teil suggeriert. Bionik zu betreiben, erfordert die Überwindung von Grenzen zwischen Biologie und der Ingenieurwissenschaft. Mit den etablierten, an klassischen Fächern orientierten Denk- und Vorgehensweisen ist dies jedoch nicht realisierbar. Es sind daher neue Formen der Zusammenarbeit und andere Arbeitsmethoden gefragt. Im Schrifttum der Bionik ist hierzu überraschend wenig zu finden. Es ist bekannt, dass Bionik auch Analogieforschung ist [Nac98a, S. 61] und dass es gelingen muss, Assoziationen zwischen verschiedenen Wissensdomänen zu bilden [Hil98a, S. 6]. Doch wie lässt sich dies in der industriellen Praxis realisieren? Welches Wissen der Biologie ist relevant für Entwicklung technischer Produkte? Welche Voraussetzung müssen gegeben sein, damit der Transferprozess erfolgreich verläuft, und wie lässt sich dieser Prozess unterstützen? Die vorliegende Arbeit will diese Fragestellungen beleuchten. Sie will die Potentiale und Grenzen der Bionik herausstellen und Möglichkeiten aufzeigen, wie sich das bionische Arbeiten unterstützen lässt.

1.2 Forschungsmethodik

Wie viele Dissertationsschriften ist auch diese Arbeit das Resultat einer Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an einer Universität. Die Forschungsmethodik gründet sich daher auf die hier verfügbaren Möglichkeiten. Die vorliegende Arbeit spiegelt Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Mitarbeit an Industrieprojekten, der Betreuung von Studien- und Diplomarbeiten und nicht zuletzt

6 1 Einleitung

auch der Betreuung von Projekten der Studienrichtung „Integrierte Produktentwicklung“, die an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg angeboten wird, wider. Als weitere Quelle ist die inzwischen recht umfangreiche Literatur zum Thema Bionik zu nennen. Bei der Sichtung der Publikationen stellte sich jedoch heraus, dass diese sich oft auf die Darstellung der Ergebnisse beschränken. Für diese Arbeit ist es jedoch der Weg, der zu diesen Ergebnissen führte, von besonderem Interesse. Da hierzu im Schrifttum der Bionik relativ wenig zu finden ist, wurden Interviews mit Personen geführt, die an der Entwicklung bionischer Produkte mitwirken. Ziel der Interviews war es, den Entwicklungsprozess bionischer Produkte zu beleuchten und transparent machen.

Insgesamt wurden 22 Personen aus 17 Organisationen angeschrieben und um ein Interview gebeten. Dieses Interview sollte per Video aufgezeichnet werden, um eine spätere Auswertung zu erleichtern. Von den angeschriebenen Experten beantworteten 11 die Anfrage. In ihren Antworten lehnten 2 Personen mit dem Hinweis auf Zeitmangel und vorhandene Publikationen das Interview ab. 5 Personen äußerten sich unbestimmt oder baten um die Zusendung eines schriftlichen Fragenkatalogs, den sie zu einem späteren Zeitpunkt beantworten wollten. Die verbleibenden 4 Experten erklärten sich für ein Interview bereit.

Es mag kritisch erscheinen, eine wissenschaftliche Arbeit auf Erkenntnissen aufzubauen, die den obengenannten Quellen entstammen. Die verfügbare Datenbasis ist sehr klein und wenig repräsentativ. Zudem lassen sich studentische Entwicklungsprojekte nur bedingt mit realen Entwicklungsprojekten vergleichen. Doch wie sieht ein typisches Entwicklungsprojekt aus? Im Rahmen der Forschung der Konstruktionsmethodik entstanden Modelle, die den Ablauf von Entwicklungsprojekten zu beschreiben versuchen (vgl. Kapitel 3.1). Dabei ist festzustellen, dass dies nur auf einer relativ abstrakten Ebene geschehen kann. Ursache hierfür ist die Tatsache, dass der Produktentwicklungsprozess durch zahlreiche Faktoren beeinflusst wird, mit dem Ergebnis, dass kein Entwicklungsprojekt dem anderen gleicht. Erkenntnisse, die anhand eines Projektes gewonnen wurden, können zwar genutzt werden, um Thesen aufzustellen, doch zur Validierung dieser Thesen ist es erforderlich, Entwicklungsprojekte reproduzierbar zu gestalten. Bislang ist in der Forschung der Konstruktionswissenschaft keine Möglichkeit bekannt, alle Einflussfaktoren und ihre Wechselwirkungen zu erfassen und gegebenenfalls konstant zu halten. Somit bleiben Studien, die das Wesen des Produktentwicklungsprozesses beschreiben wollen, letztlich Einzelfallstudien. Wegen der oben dargestellten Problematik haben Aussagen, die auf Einzelfallstudien und Selbstbeobachtung beruhen, in der Konstruktionswissenschaft inzwischen einen festen Platz. Sie müssen jedoch vom Leser kritisch hinterfragt werden.

1 Einleitung 7

1.3 Struktur der Arbeit

Die vorliegende Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert. Ihre Struktur ist aus Bild 1.2 ersichtlich. In den Kapiteln 2 und 3 werden zunächst die für diese Arbeit relevanten Themen dargestellt und der Problemkreis skizziert. Das Kapitel 2 gibt dem Leser einen Übersicht über die Bionik. Die Ausführungen gehen über eine Wiedergabe des Grundverständnisses der Bionik und ihrer Teilgebiete hinaus. Durch die Darstellung einiger ausgewählter Beispiele bionischer Produkte und der Ergebnisse der Interviews wird deutlich, welchen Stellenwert bionisches Arbeiten in der Praxis hat.

Wird dem Leser in Kapitel 2 ein Grundverständnis für die Bionik vermittelt, erfolgt dies in analoger Weise in Kapitel 3 für die Produktentwicklung. Das Kapitel skizziert die Vorgehensweise des Produktentwicklers, stellt ausgewählte Methoden und Werkzeuge vor und zeigt Trends für die Entwicklung von Produkten auf. Aufgrund der Komplexität der Thematik und der daraus resultierenden Vielfalt an diskussionswürdigen Problemfeldern kann die Darstellung nur einen kleinen Auszug des Standes der Technik wiedergeben. Es wurde jedoch versucht, jene Aspekte herauszugreifen, die Berührungspunkte zur Bionik aufweisen.

Das Kapitel 4 widmet sich der Lösungsfindung. Anhand einiger Beispiele wird gezeigt, wie die Lösungsfindung in der Praxis verläuft. Die Darstellung fokussiert dabei nicht auf Entwicklungsprojekte, bei denen die Entwicklung bionischer Produkte im Vordergrund stand. Vielmehr wird dargestellt, wie der Produktentwickler im „Konstruktionsalltag“ zu Lösungsansätzen kommt und welche Rolle Analogien in diesem Prozess spielen. Darauf aufbauend werden Fragestellungen der Analogiebildung und des fachübergreifenden Wissenstransfer herausgearbeitet und in Form von Thesen zusammengefasst.

8 1 Einleitung

Im Kapitel 5 wird der Wissenstransfer zwischen Biologie und Technik aus theoretischer Sicht beleuchtet. Zunächst werden bekannte Übertragungsmodelle vorgestellt und diskutiert. Im Anschluss daran wird ein Analogiemodell für die Bionik entwickelt. Des Weiteren wird im Kapitel 5 die Kommunikation von Biologen und Ingenieuren als wichtige Einflussgröße für ein erfolgreiches bionisches Arbeiten herausgestellt. Der Wissenstransfer zwischen Biologen und Ingenieuren wird in Form eines Kommunikationsmodells beschrieben. Wichtige Barrieren, die dem Wissenstransfer entgegenstehen, werden aufgezeigt.

Das Kapitel 6 beschäftigt sich mit Ansätzen, die den fachübergreifenden Wissenstransfer unterstützen und so helfen können, die obengenannten Kommunikationsbarrieren zu überwinden. Ausgehend von der Darstellung und Diskussion bestehender Methoden und Werkzeuge wird ein Konzept für ein Unterstützungssystem für die Bionik erarbeitet. Hierbei handelt es sich um ein Werkzeug für den Produktentwickler, das dieser im Rahmen der Lösungsfindung für die Recherche nach bionisch relevanten Strukturen nutzen kann.

Kapitel 7 fasst die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen und zeigt Anknüpfungspunkte für weiterführende Arbeiten auf.

Abschließend sei bemerkt, dass in dieser Arbeit die Bezeichnungen „Produktentwickler“, „Konstrukteur“ und „Ingenieur“ häufig synonym gebraucht werden. Sie bezeichnen die Profession sowohl in männlicher als auch in weiblicher Fassung. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit zumeist von dem Produktentwickler gesprochen ungeachtet der Tatsache, dass Produktentwicklungsprozesse in der Regel in einem Team, in dem nicht nur Ingenieure mitwirken, stattfinden. Es handelt sich um sprachliche Vereinfachungen mit dem Ziel, die Lesbarkeit des Textes zu verbessern.

Die Literaturquellen in dieser Arbeit werden z. T. durch Seitenzahlen belegt. Dies ist dann der Fall, wenn dem Leser durch die Seitenangabe das Auffinden einer konkreten Information (z. B. direkte oder indirekte Zitate) erleichtert wird. Eine Ausnahme bilden Quellen für die keine Seitenzahlen existieren (z. B. Internetseiten). Auf die Angabe von Seitenzahlen wird auch dann verzichtet, wenn die Information oder die Abbildung, auf die verwiesen wird, beim schnellen Durchblättern der Quelle sofort ins Auge fällt oder wenn auf ein Werk als Ganzes referenziert wird.

2 Bionik im Überblick 9

2 Bionik im Überblick

Bionik ist eine Wortschöpfung, die sich aus den Begriffen Biologie und Technik zusammensetzt. Sie wird dem amerikanischen Luftwaffenmajor J. E. STEELE zugeschrieben, der auf einer Konferenz im Jahr 1960 das Wort bionics erstmalig verwendete ¹ [Gér68 zitiert nach Nac92]. STEELE definierte Bionik als „Wissenschaft von Systemen, deren Funktionen auf lebenden Systemen basieren, oder die charakteristischen Eigenschaften lebender Systeme haben, oder diesen ähnlich sind“ [Vog00, S. 238].

Bionik ist keine Erfindung der Neuzeit. Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass die Menschen seit jeher die Natur beobachten, aus den Beobachtungen Erkenntnisse gewinnen und diese Erkenntnisse für sich nutzbar machen. Hinweise auf ein „Abschauen von der Natur“ sind bereits in der griechischen Mythologie zu finden; bekanntermaßen flohen Daedalus und sein Sohn Ikarus aus kretischer Gefangenschaft mit Flügeln, die denen der Vögeln nachempfunden waren.

LEONARDO DA VINCI wird häufig als Begründer der modernen Bionik gesehen [Bra05]. Er studierte die Natur und suchte gleichzeitig nach Anwendungsmöglichkeiten für die gewonnenen Erkenntnisse. Sein besonderes Interesse galt dem Vogelflug. Er untersuchte beispielsweise, wie sich die Überlappung der Federn eines Vogelflügels auf die Luftströmung auswirken und machte Vorschläge für eine technische Adaption in Form von Flügelklappen [Nac98a, S. 8 f.]. In seinen Aufzeichnungen finden sich unter anderem Skizzen eines Flugapparates, der durch natürliche Vorbilder inspiriert wurde.

In den letzten Jahren ist die Bionik wieder stärker in das Blickfeld der Forschung gerückt. Zunehmend beginnen auch Unternehmen sich für die Bionik zu interessieren. Auslöser für diesen Trend sind die publizierten „Paradebeispiele“ erfolgreicher Adaption natürlicher Lösungen und

1 Ob der Begriff durch STEELE selbst geprägt wurde oder aber während der Tagung als griffiges Schlagwort entstanden ist, lässt sich dem Konferenzband nicht entnehmen [Nac98a, S. 6].

10 2 Bionik im Überblick

Prinzipien, wie z. B. die Selbstreinigung durch den Lotus-Effekt [BN98; BNC04] oder die besonderen Eigenschaften der Haifischhaut, die den Strömungswiderstand reduzieren [Bec98]. Diese „Erfolgsgeschichten“ zeigen, wie die Natur zur Lösung technischer Problemstellungen beitragen kann. Sie nähren darüber hinaus die Hoffnung der Unternehmen, dass von der Natur inspirierte Lösungen zu innovativen Produkten führen.

Die intensiven Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Bionik brachten in den letzten Jahren eine Reihe beachtlicher Resultate hervor. Sie reichen von grundlegenden Erkenntnissen, deren technische Nutzbarkeit sich derzeit noch nicht abschätzen lässt ² , bis hin zu Lösungsvorschlägen, die bereits als technische Produkte realisiert wurden. Eine ausführliche Darstellung und Würdigung der Bionik-Forschung kann und soll an dieser Stelle nicht erfolgen. Dennoch erscheint es sinnvoll, dem Leser das Grundverständnis der Bionik zu vermitteln und einige charakteristische Beispiele vorzustellen.

In diesem Kapitel wird zunächst das Selbstverständnis der Bionik skizziert und die Vielfalt bionischer Forschung anhand ihrer Teilgebiete dargestellt. Im Anschluss daran werden einige „Highlights“ der Bionik vorgestellt. Neben der eigentlichen Darstellung des bionischen Lösungsansatzes wird auch versucht, den Entwicklungsweg kritisch zu beleuchten. Abschließend werden die Ergebnisse der Interviews mit „Bionikern“ präsentiert. Diese „Sichtweisen aus der Praxis“ runden das Bild der Bionik ab.

2.1 Bionik im Schrifttum

Im Folgenden wird der Begriff „Bionik“ und die Philosophie des bionischen Arbeitens näher erläutert. Zudem werden die Aktivitäten im Bereich der bionischen Forschung umrissen.

2.1.1 Begriffsklärung und Grundverständnis

Bionik steht für das Lernen von der Natur für die Technik. ISENMANN untersucht die „Natur-als-Vor- bild-Welle“ [Ise98,S. 129] und stellt zwei Lager heraus, die sich scheinbar unvereinbar gegenüber stehen. Zum einen nennt er die Befürworter, die die Natur in jeder Hinsicht als Vorbild sehen [Com73; AG91], zum anderen die Zweifler, die die Idee von „Natur als Vorbild“ grundsätzlich ablehnen [GG94; Bir97]. Der Bionik liegt eine „versteckte Naturphilosophie“ [Ise98, S. 135] zu-grunde. Da die Grundannahme, dass Natur als Vorbild dienen kann, in den Wissenschaften keineswegs unbestritten ist, sieht ISENMANN es als wichtige Aufgabe der Bionik an, in diesen Fragen Stellung zu beziehen, wenn sie als eigenständige Wissenschaft ernst genommen werden will. Dabei wird nach Ansicht von ISENMANN deutlich werden, dass ein Lernen von der Natur nicht nur „möglich

2 Als Beispiel seien hier die von RÜPPEL entdeckten Kommunikationssignale von Libellen genannt [Rüp04].

2 Bionik im Überblick 11

und plausibel“, sondern im Hinblick auf die Entwicklung einer nachhaltigen Technik auch „geboten und nützlich“ [Ise98, S. 130] ist.

NACHTIGALL konstatiert, dass man die Lösungen der Natur nicht nutzen kann, wenn man sie nicht kennt und nicht versteht. Daher ist „die Analyse der Natur unter Einbeziehung physikalischtechnischen Know-hows“ ein unverzichtbarer erster Schritt. Dieser Schritt stellt „die Basis für ein Durchforsten der Natur nach technologisch Verwertbarem“ [Nac92, S. 1] dar. In seinem Modell unterscheidet NACHTIGALL zwischen der Technischen Biologie und der Bionik (Bild 2.1). Die Technische Biologie versteht er als Grundlagenforschung, während die Bionik die Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse darstellt.

Eine andere Differenzierung schlägt ZERBST vor. Er unterteilt die Bionik in Allgemeine Bionik, Systematische Bionik und Angewandte Bionik. Die Allgemeine Bionik betrachtet die Erscheinungen in der Natur „aus dem Blickwinkel eines abschätzenden Suchers“ [Zer87, S. 17]. Sie untersucht, welche natürlichen Strukturen, Prozesse und Wechselwirkungen prinzipiell zur Lösung technischer Problemstellungen interessant sein könnten. Mit der Systematischen Bionik werden die gefundenen biologischen Vorbilder problemorientiert analysiert. Sie hat die Aufgabe, für die Technik eine allge- meinverbindliche „Übersetzung“ biowissenschaftlicher Fakten zu schaffen, diese zu strukturieren

12 2 Bionik im Überblick

und in Datenbanken zu speichern [Zer87, S. 18]. Die Angewandte Bionik nutzt die Erkenntnisse und setzt sie in Form technisch realisierter Prototypen um. Durch die weitere Anpassung und Optimierung an die Randbedingungen der Technik entsteht aus dem Prototyp schließlich ein technisches Produkt.

2.1.2 Teilgebiete der Bionik

Die Bionik lässt sich in verschiedener Weise einteilen. NEUMANN gliedert sie in Konstruktions-, Verfahrens- und Informationsbionik und ordnet ihnen in einer zweiten Gliederungsstufe mögliche Forschungsfelder zu [Neu96, S. 18]. Andere Einteilungen sind z. B. bei ZERBST [Zer87, S. 17 ff.] und HILL [Hil99, S. 65] zu finden. An dieser Stelle soll die Bandbreite bionischer Forschungsaktivitäten anhand der Gliederung von NACHTIGALL [Nac98a] dargestellt werden, da diese sehr differenziert ist. NACHTIGALL unterscheidet zwischen Historisches 3 , Strukturbionik, Baubionik, Klimabionik, Konstruktionsbionik, Bewegungsbionik, Gerätebionik, Antrophobionik, Sensorbionik, Neurobionik, Verfahrensbionik sowie Evolutionsbionik.

Das Teilgebiet der Strukturbionik beschäftigt sich mit Möglichkeiten der Übertragung von Materialien und Strukturen der Natur in die Technik. Neben dem Einsatz alternativer Materialien und der Analyse biologischer Strukturen im Hinblick auf ihr Leichtbau-Potential [KL96; Hen01; Mir01] werden z. B. auch Formbildungsprozesse und Verpackungsstrategien [KT02; Küp04] untersucht. Darüber hinaus kann auch die Untersuchung der Strukturen von Oberflächen in das Teilgebiet Strukturbionik eingeordnet werden.

Die Bionik beschäftigt sich nicht nur, wie häufig dargestellt wird, mit der Analyse der belebten Welt. Auch Strukturen der nicht belebten Natur wie z. B. Schnee sind für die Forscher von Interesse [DL06]. So liefern die Wachstumsprozesse der Schneekristalle wertvolle Hinweise für die Herstellung von Nanostrukturen wie sie z. B. für Mikrochips benötigt werden. Darüber hinaus ist die poröse Struktur des Schnees für die Entwicklung schalldämmender Materialien interessant. Die feinen Spitzen der Eiskristalle werden durch Schallwellen zum Mitschwingen angeregt, verformen sich und zerbrechen schließlich. Die Schallenergie wird so in Wärme umgewandelt.

Die Baubionik untersucht Lösungen der Natur hinsichtlich ihres Nutzenpotentials für Architekten und Bauingenieure. In der Architektur werden Formen aus der Natur genutzt, um wirtschaftliche und ästhetisch ausgewogene bauliche Lösungen zu entwickeln [MK86, S. 8]. So erhofft man sich z. B. aus der Analyse von Eierschalen und Spinnennetzen Impulse für die Entwicklung temporärer

3 Der Bereich „Historisches“ stellt die Entwicklung der Bionik anhand von überlieferten Beispielen technischer Entwicklungen dar. Er hat eine Sonderstellung und wird daher an dieser Stelle nicht betrachtet.

2 Bionik im Überblick 13

Leichtbauten [Küp04]. Darüber hinaus werden die Eigenschaften natürlicher Baumaterialien wie Holz und Ton, die auch von Tieren zum Bau ihrer Behausungen genutzt werden, erforscht.

Die Klimabionik hat zahlreiche Berührungspunkte zur Baubionik. Jedoch stehen hier Aspekte der Heizung und Kühlung sowie der passiven Lüftung im Mittelpunkt der Betrachtungen. So fanden z. B. KLINGNER & MANZ [KM04] heraus, dass die Temperatur in Hornissennestern auch bei großen Schwankungen der Außentemperatur weitestgehend konstant bleibt. Die Ursache hierfür liegt zu einem großen Teil in der besonderen Struktur des Nestes. Klimatechnisch interessant ist auch der Bau des Präriehundes. Durch die unterschiedliche Höhe der Ein- und Ausgänge entsteht aufgrund des Bernoulli-Prinzips eine Druckdifferenz, die wiederum eine Zwangsdurchlüftung des Baus zur Folge hat [VB72 zitiert nach Nac92]. Einige Termitenvölker nutzen ebenfalls den Wind, um ihre Bauten zu lüften [Tri98]. Unter den Termitenhügeln ist ein langer Gang angelegt, der bis zum Grundwasser hinunterreicht. Durch die Verdunstung des Wassers wird der Luft in der Anlage Wärme entzogen und es entstehen für die Insekten angenehme Lebensbedingungen.

Anregungen für die Klimabionik lassen sich auch in der traditionellen Architektur finden. So offenbart z. B. die Analyse von Iglus, von Hütten in Nordafrika [Tri98] oder von Häusern im Vorderen Orient [Nac01] interessante Aspekte, die für die Gestaltung moderner Bauten genutzt werden können. Es sind vor allem die Dachformen, die Materialien der Wände, die Einnischung ⁴ der Bauten in die Erde sowie ihre Ausrichtung nach Sonne und Wind, die aus Sicht der Klimabionik von Interesse sind.

Bäume sind nicht nur für die Strukturbionik interessant, sie sind ebenfalls ein Forschungsobjekt der Klimabionik. Wie OLIGMÜLLER [Oli01] darstellt, entstanden an Fassaden nach dem Vorbild ihres Ast-und Blattwerkes „transparente Lichtschwerter“ [Oli01, S. 259]. Dabei handelt es sich um einen Sonnenschutz mit lamellenförmigen Luftschlitzen. Das Sonnenlicht wird im Fensterbereich an den Schlitzen gebrochen und in die Tiefe des Raumes gelenkt. Das „harte“ Licht der Sonne wird dabei weich und angenehm. Lichtschwerter spenden einerseits bei starker Sonneneinstrahlung wirksam Schatten, andererseits schränken sie bei bewölktem Himmel das Tageslicht nicht unnötig ein.

Im Rahmen der Konstruktionsbionik werden die Konstruktionselemente biologischer Lösungen untersucht. Von Interesse ist dabei besonders, wie die Elemente miteinander interagieren und wie die Abstimmung erfolgt. Dabei zeigt sich, dass die Lösungen der Natur im Allgemeinen einen wesentlich höheren Grad an Funktionsintegration aufweisen, als dies bei technischen Konstruktionen der Fall ist. Darüber hinaus sind in der Natur häufig Materialien zu finden, deren Eigenschaften sich örtlich unterscheiden. So hat das Holz im Inneren eines Baumes andere Eigenschaften

4 Einnischung bezeichnet hier die Bildung von Nischen als Schutz vor der Witterung.

14 2 Bionik im Überblick

als das Holz der Rinde [PPO+98, S. 272]. In der Technik hingegen ist der Einsatz von Stoffen mit „fließenden“ Materialkennzahlen bislang unüblich.

Die Bewegungsbionik befasst sich in erster Linie mit den Bewegungsformen im Tierreich und den damit verbundenen Problemkreisen [Bli92; Lie98; Wüs98; SS05]. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen nicht nur in die Entwicklung von Laufmaschinen oder Schlagflossenantrieben ein. Auch die Kriechbewegungen von Würmern sind ein Untersuchungsobjekt der Bionik. Die Erkenntnisse lassen sich z. B. für die Entwicklung neuartiger Endoskope nutzen [HMC+04]. In der Medizin werden Endoskope bislang durch äußere Krafteinwirkungen platziert, wodurch das Gewebe häufig beschädigt wird. Durch das „aktive Kriechen“ des Gerätes verringert sich das Verletzungsrisiko bei Operationen.

Für die Bewegungsbionik ist auch die Interaktion von Bewegungsorgan und Medium von Interesse. So weiß man inzwischen, dass der geringe Reibungswiderstand von Delphinen nicht allein auf die strömungsoptimierte Form der Tiere zurückzuführen ist. Die Flexibilität der Haut trägt gleichfalls maßgeblich zur Reduzierung der Wirbelbildung bei [Nac97, S. 89 f.]. Sie gibt bei Druckbelastung nach und vermindert so die Gefahr einer Wirbelbildung [Bau04].

Das Teilgebiet der Gerätebionik ist eng mit der Strukturbionik und der Konstrukionsbionik verknüpft. Im Fokus steht hier die Entwicklung einsetzbarer Gesamtkonstruktionen. NACHTIGALL führt als Beispiel die Nutzung eines Schlagflossenantriebs in der Pump- und Fördertechnik an [Nac98a, S. 22]. Mit einer solchen Flossenpumpe lassen sich im Gegensatz zu konventionell betriebenen Pumpen auch halbflüssige Gemische problemlos transportieren.

Die Antrophobionik hat ihren Schwerpunkt in der Mensch-Maschine-Interaktion. Sie steht damit in enger Beziehung zur Ergonomie und zur Arbeitsplatzgestaltung. Vor diesen Hintergrund stehen Analysen der motorischen und sensorischen Gewohnheiten des Menschen im Vordergrund. Die Ergebnisse lassen sich einerseits für die Gestaltung von menschengerechteren Produkten nutzen, andererseits können z. B. Erkenntnisse über das Zusammenwirken von Muskeln und Sehnen auch Impulse für die Entwicklung von Robotern geben [Möh04].

Die Sensorbionik beschäftigt sich mit der Erfassung und Verarbeitung von physikalischen und chemischen Reizen in der Natur und den Möglichkeiten einer Übertragung in die Technik. Die Natur brachte eine Vielzahl hoch sensibler Sensoren hervor, die die Effizienz technischer Sensoren oft übertreffen. Durch die Analyse dieser natürlichen Sensorsysteme können nicht nur Anregungen für die Verbesserung technischer Sensoren gewonnen werden, sie helfen auch, neue Ideen für weitere Anwendungsfelder zu generieren. So weiß man z. B. inzwischen, dass der Schwarze Kiefernpracht- käfer Infrarot-Sensoren besitzt, mit denen er über viele Kilometer hinweg Waldbrände erkennen

2 Bionik im Überblick 15

kann. Die Tiere nutzen diese Fähigkeit, um verbranntes Holz zu zu finden, in dem sie ihre Eier ablegen können [Sch98, S. 241]. Aus dieser Erkenntnis heraus entstand die Idee, einen „Feuerlöschkäfer“ zu entwickeln. Dabei handelt es sich um ein autonom agierendes Fahrzeug, das mit Infrarot-Sensoren und einem Löschmitteltank ausgestattet, in den Wäldern platziert wird. Derartige „Käfer“ könnten so helfen, Waldbrände frühzeitig zu erkennen und zu bekämpfen [Woh06].

Das Gebiet der Neurobionik kann nach LUKSCH [Luk05] in die Neuroprothetik, die Biohybridelemente und den Rechenvorschriften, nach denen die Natur Informationen verarbeitet, eingeteilt werden. Das Ziel der Neuroprothetik ist es, verloren gegangene Körperfunktionen durch Prothesen zu ersetzen und diese an das Nervensystem anzubinden. Beispiele für solche Prothesen sind Implantate im Innenohr oder in der Netzhaut des Auges. Mit der Biohybridtechnik wird versucht, die in-formationsverarbeitenden Elemente eines biologischen Systems mit Halbleiter-Bauelementen zu verbinden. Anwendungsgebiete für solche Biohybrid-Systeme ergeben sich z. B. für die Biosensorik. Dabei fungiert lebende Zelle als Sensor für Stoffe, für die keine technischen Sensoren zur Verfügung stehen. Die biologische Informationsverarbeitung als dritter Bestandteil der Neurobionik kann der Technik Impulse liefern, wie mit Beschränkungen des Systems umgegangen werden kann. Wichtig sind in diesem Zusammenhang z. B. Strategien, mit denen sich der Widerspruch zwischen einer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit von Signalen und einer gleichzeitig hohen Verarbeitungsqualität lösen lässt. Der Vergleich von Auge und Kamera soll hier als Beispiel angeführt werden. Herkömmliche Kamera-Systeme zeichnen ihre Umgebung kontinuierlich auf. Die Detailgenauigkeit ist im gesamten Aufnahmebereich gleich hoch. Dadurch wird eine relativ große Datenmenge generiert, die vom System ausgewertet werden muss. Vergleichbare biologische Systeme wie das Auge arbeiten hier effizienter. Sie sind in der Lage, auf das zu fokussieren, was wichtig sind. Weniger wichtige Informationen werden mit einem geringeren Detaillierungsgrad wahrgenommen. Die entstehende Datenmenge ist daher kleiner und die Verarbeitung kann schneller erfolgen.

Die Verfahrensbionik stellt die in der Natur ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse in den Vordergrund. Die Prozesse werden vor allem hinsichtlich ihres Potentials für die Energieerzeugung untersucht. So arbeiten Forscher z. B. an der Entwicklung von „grünen Solarzellen“, bei denen nach dem Vorbild der Photosynthese Licht in elektrische Energie umgewandelt wird [Tri95, S. 148 ff.]. Daneben sind für die Forscher auch die Methoden des totalen Rezyklieren, d. h. der Vermeidung von Abfall, von Interesse.

Als letztes Teilgebiet der Bionik nennt NACHTIGALL [Nac98a] die Evolutionsbionik. Hierunter fallen z. B. die von RECHENBERG entwickelte Evolutionsstrategie [Rec94] oder der von GOLDBERG vorgestellte Genetische Algorithmus [Gol89]. Beide Verfahren werden heute unter dem Oberbegriff Evo- lutionäre Algorithmen [Poh99] zusammengefasst. Es handelt sich um Optimierungsverfahren, die

16 2 Bionik im Überblick

die Prinzipien der Evolution nutzen. Sie werden in der Industrie z. B. für die Optimierung von parametrischen Bauteilmodellen [VBC+04] oder für die Anpassung von Materialmodellen viskoelastischer Werkstoffe [Her06] eingesetzt.

Im Schrifttum der Bionik bezeichnet Evolutionsbionik im Wesentlichen die Entwicklung und die Anwendung evolutionärer Optimierungsverfahren. Die Charakteristika einer evolutionären Entwicklung (z. B. Zukunftsblindheit) und die zugrunde liegenden Prinzipien (z. B. Mutation und Rekombination) lassen sich jedoch auf andere Bereiche übertragen. So stellen VAJNA & BERCSEY [VB94] mit der Autogenetischen Konstruktionstheorie einen Ansatz zur Beschreibung von Produktentwicklungsprozessen vor (vgl. Kapitel 3.1.2).

2.1.3 Zusammenfassung

Die Ausführungen oben skizzieren die Bionik in ihren wesentlichen Zügen. Dabei wird deutlich, dass die Bionik heterogen aufgestellt ist. Dies betrifft zum einen die verschiedenen Sichtweisen zum Bionik-Begriff. Zum anderen äußert es sich in der Vielfalt bionischer Forschungsaktivitäten.

Die genannten Teilgebiete sind vielfältig miteinander verknüpft, so dass die Grenzen zwischen den Bereichen in der Praxis verschwimmen. Darüber hinaus finden sich Ansätze, die sich nicht in die von NACHTIGALL gewählte Gliederung einordnen lassen und die die Bandbreite der Bionik nochmals erweitern. Hierzu gehören z. B. Ansätze in den Wirtschaftswissenschaften und im Organisationsmanagement, die basierend auf der Analyse des Verhaltens von biologischen Systemen Vorschläge zur Verbesserungen bestehender Konzepte und Strategien unterbreiten [AG91; Nöl04; God06]. Die ästhetische Komponente, die vielen biologischen Systemen innewohnt, und die Ansätze zur Formgebung und Gestaltung von Produkten lassen sich ebenfalls nur schlecht den genannten Teilgebieten zuordnen. Unberücksichtigt bleiben ebenfalls die Zusammenhänge zwischen Bionik, Ethik und Biopolitik [Geh05]. Zu guter Letzt seien die Ansätze zur methodischen Unterstützung und zur Didaktik der Bionik erwähnt, die ebenfalls Bestandteil der Bionik-Forschung sind [Hil98b].

Die (sicherlich immer noch unvollständige) Zusammenstellung bionischer Forschungsaktivitäten macht deutlich, dass es zunehmend schwierig wird, ein vollständiges Bild der Bionik zu zeichnen. Der Bionik-Begriff umfasst längst mehr als „Biologie“ und „Technik“. Er ist in der öffentlichen Meinung positiv belegt und wird daher häufig zu Marketing-Zwecken genutzt. Damit ist jedoch auch die Gefahr verbunden, dass der Bionik-Begriff mit Inhalten belegt wird, die der ursprünglichen Intention entgegenstehen. Umso wichtiger ist es, einen fundierten „theoretischen Unterbau“ für das Wissensgebiet zu schaffen. Hierzu gehört zum einen, ein einheitliches Verständnis von dem zu generieren, was Bionik ist und wo sie sich zu anderen Gebieten abgrenzt. Ansätze für eine wissen- schaftstheoretische Betrachtung der Bionik existieren bereits [Gle98b; Ise01], jedoch werden sie

2 Bionik im Überblick 17

scheinbar im Schrifttum nur ungenügend wahrgenommen. Zum anderen müssen auch die Arbeitsmethoden der Bionik klar definiert und in der Praxis gelebt werden. Dies ist, wie in dieser Arbeit gezeigt werden wird, nur zum Teil der Fall. Die genannten Themen werden daher im Verlauf der Arbeit diskutiert werden.

2.2 Beispiele bionischer Produkte

Zahlreiche populärwissenschaftliche Artikel erwecken den Eindruck einer „glanzvollen Zukunft“, in der die Bionik ungeahnte Möglichkeiten schafft. Auch wissenschaftliche Publikationen verleiten häufig zu „überzogenem Optimismus“ [Zer87, S. 17]. Die nachfolgenden Beispiele zeigen, dass die reale Entwicklung bionischer Produkte in der Regel weit weniger spektakulär ist, als dies in vielen populärwissenschaftlichen Darstellungen erscheint. Wie jedes andere Produktentwicklungsprojekt verläuft auch die Entwicklung bionischer Produkte nicht gradlinig. Bionische Produkte entstehen nicht von heute auf morgen. Ihre Entwicklung ist mit Schwierigkeiten und Misserfolgen verbunden. Und nicht selten spielt der Zufall eine nicht unbeachtliche Rolle.

2.2.1 Beispiel: Lotus-Effekt

Der von BARTHLOTT und NEINHUIS in [BN97; BN98; BNC04] beschriebene Lotus-Effekt gilt als das Vorzeigebeispiel der Bionik schlechthin. Er bezeichnet die Fähigkeit natürlicher Oberflächen zur Selbstreinigung. Der Lotus-Effekt basiert auf einer stark reduzierten Adhäsion von Wasser. Das abfließende Wasser trägt Partikel, die auf der Oberfläche haften, davon und reinigt sie auf diese Weise. Der Effekt wurde von BARTHLOTT und NEINHUIS zwar nach der Lotuspflanze benannt, jedoch ist anzumerken, dass er nicht auf diese beschränkt ist. Das Prinzip der Selbstreinigung ist in der Pflanzenwelt weit verbreitet und ist darüber hinaus auch bei Insekten zu finden. So sind z. B. Libellen und Schmetterlinge im Gegensatz zu anderen Insekten nicht in der Lage, ihre Flügel mit den Beinen zu reinigen; die Größe ihrer Flügel hindert sie daran. Die Reinigung erfolgt durch den Lotus-Effekt [BN98, S. 290 f.].

Beim Lotus-Effekt kommen zwei physikalische Prinzipien zum Tragen. Zum einen lässt sich feststellen, dass selbstreinigende Oberflächen eine hydrophobe (wasserabweisende) Schicht aufweisen. Dabei handelt es sich in der Regel um eine Wachsschicht. Bei Pflanzen wird sie als extrazelluläre Schicht über der Epidermis ausgeprägt und heißt Cuticula. Diese Schicht ändert die Grenzflächenspannungen zwischen Luft, Wasser und Blattoberfläche mit der Folge, dass der Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Oberfläche vergrößert wird und sich auf den benetzten Blättern Wasser- tropfen ausbilden.

18 2 Bionik im Überblick

Das zweite Prinzip basiert auf der Mikrostrukturierung der Blattoberfläche. Wie im Bild 2.2 gezeigt, sorgt eine Oberflächenstrukturierung für eine Verstärkung der Benetzungseigenschaften. Im Fall einer hydrophilen (wasserliebenden) Oberfläche wird durch eine Strukturierung der Oberfläche die Oberflächenspannung weiter herabgesetzt, so dass sich ein dünner Wasserfilm ausbilden kann. Ist die Oberfläche hingegen hydrophob, wird die Bildung von Wassertropfen unterstützt, die leicht abrollen können.

Der Lotus-Effekt wirkt auf hydrophoben und strukturierten Oberflächen. Wird eine solche Fläche mit Partikeln beschmutzt, lagern diese sich auf den Spitzen der Rauhigkeit ab. Die entstehende Kontaktfläche ist relativ klein und die wirkenden Adhäsionskräfte sehr gering. Rollt ein Wassertropfen über eine so verschmutzte Oberfläche, nimmt er die lose aufliegenden Partikel mit sich und trägt sie davon. BARTHLOTT [Bar05] weist darauf hin, dass es keine Rolle spielt, ob der Schmutz hydrophiler oder hydrophober Natur ist. Handelt es sich um hydrophilen Schmutz, wird er in das Innere des Tropfens befördert und vom Blatt gespült. Reagiert der Schmutz hingegen hydrophob, lagert er sich auf der Oberfläche des Wassertropfens an und wird auf diese Weise transportiert.

Da der Lotus-Effekt auf physikalischen und chemischen Prinzipien basiert, ist er auch auf technische Oberflächen übertragbar. Das Potential selbstreinigender Flächen für technische Anwendungen wurde schnell erkannt. Es ist daher nicht verwunderlich, dass der Lotus-Effekt „ein breites Interesse bei der Industrie“ [BN98, S. 291] fand und inzwischen technisch realisiert wurde. So sind auf dem Markt bzw. Farben, Lacken, Dachziegel und Textilien erhältlich, die den Lotus-Effekt nutzen [Bar05; BBF05]. Darüber hinaus gelang es, den natürlichen Effekt der Lotuspflanze zu erweitern und Beschichtungen herzustellen, die nicht nur die hydrophoben Eigenschaften ihrer biologischen Vorbilder nachbilden, sondern auch oleophob, d. h. ölabweisend reagieren. Derart be-

2 Bionik im Überblick 19

schichtete Oberflächen, die weder von Wasser noch von Öl benetzt werden können, werden als ultraphob bezeichnet [Bar05].

Die Unbenetzbarkeit vieler pflanzlicher Oberflächen ist seit langem bekannt. BARTHLOTT und NEINHUIS weisen darauf hin, dass es darüber hinaus seit über 100 Jahren in der Literatur „versteckte Hinweise auf die Zusammenhänge zwischen Unbenetzbarkeit und Unbeschmutzbarkeit“ [BN98, S. 282] gibt. Eine systematische Erforschung der Ursachen des Selbstreinigungseffektes blieb jedoch aus. Die Entdeckung des Lotus-Effektes war keineswegs das Ergebnis zielgerichteter Forschung. Es handelte sich vielmehr um ein „unbeabsichtigtes Nebenprodukt“ [BN98, S. 291] von Untersuchungen, deren eigentliches Ziel es war, Lotusblumen hinsichtlich ihrer systematischen Stellung zu analysieren.

2.2.2 Beispiel: Haifischhaut

Die Haut des Haifischs ist in mehrerlei Hinsicht für die Bionik interessant. Sie wirkt zum einen reibungsreduzierend und sorgt so dafür, dass sich der Hai schnell und wendig bewegen kann [Bec98]. Zum anderen gilt die Haut des Hais als Vorbild für die Bewuchsverhinderung ⁵ [LK04]. Letzteres ist vor allem für die Schifffahrt von großem Interesse, denn durch den Bewuchs erhöht sich die Reibung der Schiffskörper und somit auch ihr Treibstoffverbrauch. Bislang wurde der Bewuchs bei Schiffen durch besondere Farbanstriche, die umweltschädliche Wirkstoffe ⁶ enthielten, verhindert. Seit dem Jahr 2003 ist dies verboten, und es wird vermehrt nach alternativen Lösungen gesucht [Bau04].

Die besonderen Eigenschaften der Haut des Haifischs sind in ihrer Oberflächenstruktur begründet. Das Bild 2.3 zeigt deutlich fein strukturierte Schuppen. Sie bestehen aus einem harten Material, sind aber dennoch untereinander beweglich [LK04]. Da Seepocken und andere Organismen nicht in der Lage sind, die Zwischenräume der Schuppen zu füllen, steht ihnen nur eine kleine Kontaktfläche zur Verfügung. Diese Fläche reicht nicht aus, um die notwendigen Haltekräfte zu übertragen.

Eine technische Nachbildung der beweglichen Schuppen mit vertretbarem Aufwand ist derzeit noch nicht möglich. LIEDERT und KESEL [LK04] vereinfachten daher die Struktur der Haifischhaut und entwickelten mikrostruktierten Silikonmatten (Bild 2.4). Mit Hilfe dieser Matten gelingt es, den Bewuchs durch Seepocken um bis zu 95 Prozent zu senken.

5 Der Bewuchs durch fremde Organismen (z. B. durch Seepocken ) wird Biofouling genannt [LK04].

6 Als Biozid wurde Tributylzinn (TBT) eingesetzt [Bau04].

20 2 Bionik im Überblick

Die Mikrostrukturierung der Haifischhaut wurde erstmalig durch REIF [Rei81] beschrieben. Die Vermutung, die in Strömungsrichtung liegenden Rippen würden die turbulente Wandreibung herabsetzen, wurde experimentell bestätigt [BHR85; Bec98]. Das Prinzip wurde zunächst auf Folie übertragen. Mit diesen Folien konnten beliebige technische Oberflächen beklebt werden, deren Reibungswiderstand sich auf diese Weise tatsächlich spürbar reduzieren ließ ⁷ . BERCHERT errechnet beispielsweise, dass sich durch den Einsatz der Folien der Kerosinverbrauch des Airbus A 320 drastisch vermindern lässt [Bec98; Nac97, S. 35 ff.]. Trotz der viel versprechenden Testergebnisse wird die Folie bei Airbus bislang nicht serienmäßig eingesetzt [Pat05]. Offensichtlich werden die Vorteile der Reibungsreduzierung durch das zusätzliche Gewicht der Folien nahe zu vollständig kompensiert.

2.2.3 Beispiel: Unterwasser-Modem

In der Informationstechnik werden für die Übertragung von Signalen in der Regel Wellen genutzt, die entweder optischer, elektromagnetischer oder akustischer Natur sind. Sollen Signale unter Wasser gesendet und empfangen werden, so wie es z. B. bei der Fernsteuerung von Tauchrobotern der Fall ist, stellt sich das Problem, dass optische und elektromagnetische Wellen im Wasser stark gedämpft werden. Aufgrund dessen lassen sich Signale nur über eine geringe Reichweite übertragen. Die alternative Nutzung akustischer Wellen birgt ebenfalls Probleme, denn aufgrund ihres mechanischen Charakters werden sie z. B. durch die Wasseroberfläche, durch den Grund oder durch Objekte, die sich im Wasser befinden, gebrochen und reflektiert. Es entstehen Interferenzen und

7 Nach [Bec98] wurden im Experiment durch eine trapezförmige Rippenoberfläche die besten Reibbeiwerte erzielt. Ein weiterer Vorteil einer solchen Struktur ist, dass mögliche Risse in Oberfläche besser erkannt werden können.

2 Bionik im Überblick 21

Verzerrungen, die letztlich zu einem Signalrauschen führen und so eine zuverlässige Übertragung von Informationen über längere Strecken behindern [Keb00, S. 12 ff.].

Trotz dieser signalstörenden Eigenschaften des Wassers gelingt es z. B. Delfinen über mehrere Kilometer hinweg miteinander zu kommunizieren. KEBKAL [Keb00] sieht die Ursache hierfür im Gesang der Tiere. Er fand heraus, dass im Gegensatz zu technischen Anwendungen, wo vorrangig starre Frequenzbänder für die Signalübertragung genutzt werden, Delfine ständig den Frequenzbereich variieren und so die Auslöschung der Signale verhindern. Aus der Analyse ihrer Pfeiflaute gelang es ihm, drei Grundprinzipien abzuleiten. Zur Verbesserung der Unterwasserkommunikation schlägt KEBKAL Folgendes vor [Keb00, S. 29 f.]:

1. Nutzung von Frequenzkanälen, die sich kontinuierlich ändern (fließen) und die über signalinterne Proportionen (wie z. B. definierte Abstände zur Trägerfrequenz) miteinander verknüpft sind.

2. Aufbau einer permanenten Verbindung zwischen Sender und Empfänger über einen signaltechnisch separierbaren Grundton, der als Referenz zu den übrigen Frequenzkomponenten genutzt wird. Dieser Ton ermöglicht das Auffinden der Komponenten und erleichtert ihre Auswertung.

3. Digitale Übertragung von Informationen durch eine geeignete Modulationen der Frequenzkanäle. Die Signale werden in Bitmustern kodiert.

KEBKAL und BANNASCH wiesen im Experiment nach, dass unter Beachtung der obengenannten Grundprinzipien Informationen erfolgreich im Wasser übertragen werden können [KB01; KKB+04]. Mit dem von ihnen entwickelten Unterwasser-Modem gelang es, Daten mit einer Geschwindigkeit von 15 Kilobit pro Sekunde über eine Distanz von 3,5 km zu übertragen [Pat05].

Die Technologie ist vielseitig anwendbar. Neben der bereits erwähnten Fernsteuerung von Tauchrobotern soll das Unterwasser-Modem auch im Tsunami-Warnsystems eingesetzt werden. Des Weiteren ist die Nutzung der Technologie in anderen Bereichen denkbar. So haben Radiosender bislang versucht, dem Problem des Signalrauschens durch eine höhere Sendeleistung entgegenzuwirken. Mit der Frequenzmodulation könnten zukünftig Sender und Empfänger störungsfrei und mit einem relativ geringen Energiebedarf Informationen austauschen [GEO06]. Weitere mögliche Einsatzgebiete sind ebenfalls in der Materialprüfung und in der Medizin zur Früherkennung von Tumoren vorstellbar [Sze05].

22 2 Bionik im Überblick

2.2.4 Beispiel: Anti-G-Anzug

Seit der menschliche Traum vom Fliegen mit den Gleitversuchen von OTTO LILIENTHAL in Erfüllung ging ⁸ , wurden die Fluggeräte kontinuierlich verbessert. Die Entwicklung des Flugzeuges wurde von Anfang an auch durch militärische Anforderungen geprägt. Für den Luftkampf werden beispielsweise Flugzeuge benötigt, die bei hohen Geschwindigkeiten enge Kurvenflüge erlauben.

Mittlerweile ist die Entwicklung soweit fortgeschritten, dass die Grenzen des Machbaren nicht länger durch die Technik bestimmt werden. Längst ist der Mensch zu einem beschränkenden Faktor geworden, denn durch die hohen Beschleunigungskräfte, die insbesondere bei engen Kurvenflügen und Loopings auf den menschlichen Körper wirken, wird das Gehirn nicht mehr ausreichend durchblutet. Piloten, die hohen G-Kräften ausgesetzt sind, droht der zeitweise Verlust der Sehkraft (Blackouts) und bei extremen Belastungen Bewusstlosigkeit.

Zum Schutz der Piloten werden Druckluftanzüge eingesetzt. Sie erzeugen einen Gegendruck, der verhindern soll, dass das Blut in die Extremitäten gedrückt wird. Die Anzüge werden aktiv gesteuert. Sie können jedoch die Belastungen nicht vollständig kompensieren und sind darüber hinaus reaktionsträge ⁹ [Mad02].

Große Beschleunigungskräfte sind auch in der Natur zu finden. Libellen sind beispielsweise in der Lage, ihren Körper extrem zu beschleunigen und die Flugrichtung bei hohen Geschwindigkeiten abrupt zu verändern. Dabei wirken auf die Libelle kurzzeitig Kräfte von 30 G [Met03]. REINHARD nahm sich die Flugeigenschaften der Libelle zum Vorbild. Er entwickelte den Prototypen eines Druckanzuges, der die Hydrostatik des Wassers nutzt ¹⁰ . Er hatte dabei das Bild eines „mit Blut gefüllten Cockpits“ vor Augen, in dem der Pilot schwimmt „wie das Kind im Mutterleib“ ¹¹ . Da sich dies nicht realisieren ließ, entwickelte REINHARD einen mit Wasser gefüllten Anzug. Erfährt der Pilot nun eine hohe Beschleunigung, so verändern die Beschleunigungskräfte auch die Druckverhältnisse im Wasser. Es herrscht ein Gleichgewicht zwischen dem Druck innen und dem Druck außen, mit der Folge, dass die Belastung für den Piloten sinkt. Das System ist selbstregulierend und reagiert ohne Verzögerung.

8 LILIENTHAL war nicht der erste, der Fluggeräte nach dem Prinzip „Schwerer als Luft“ entwickelte. Seine Arbeiten sind vor allem deshalb von besonderer Bedeutung, weil er - im Gegensatz zu seinen Vorgängern - eine Vielzahl von Gleitflügen absolvierte [Con81, S. 161 ff.].

9 In modernen Kampfflugzeugen kann innerhalb von einer Sekunde eine Beschleunigungskraft von 12 bis 15 G aufgebaut werden. Der Druckaufbau im Anzug hingegen kann bis zu zwei Sekunden dauern [Met03].

10 Es ist anzumerken, dass bereits im Zweiten Weltkrieg Piloten mit wassergefüllten Druckanzügen ausgestattet wurden, um sie gegen die Auswirkungen hoher Beschleunigungskräfte zu schützen. Die Anzüge waren jedoch sehr schwer und ihr Schutz unzureichend. Sie wurden deshalb später durch pneumatische Druckanzüge ersetzt [Ber05].

11 Die Zitate entstammen einem Interview mit Herrn REINHARD, das am 25. Januar 2006 in Glattbrugg (Schweiz) geführt wurde (vgl. Kapitel 2.3.1).

2 Bionik im Überblick 23

Während die ersten Prototypen, die REINHARD fertigte, den Piloten noch nahezu vollständig mit Flüssigkeit umhüllten, gelang es durch die Verwendung von vertikalen Kammern die benötigte Wassermenge von anfangs 28 auf 3 Liter zu reduzieren. Zusätzlich wurde in den Anzug ein autonomes System integriert, das eine Ausgasung des Blutes bei Druckverlust in großen Höhen verhindert [Mad02].

In verschiedenen Publikationen [Mad02; Met03] ist nachzulesen, dass sich REINHARD bei der Entwicklung des G-Anzuges Libelle vom anatomischen Aufbau des Insektes inspirieren ließ. Tatsächlich schwimmen die Organe der Libelle in einem Flüssigkeitspolster, in ähnlicher Weise, wie es auch REINHARD in seinem Anzug realisierte. Diese Übereinstimmung ist jedoch nicht das Ergebnis einer systematischen Untersuchung. Vielmehr ist festzustellen, dass REINHARD nach eigenen Angaben erst sehr viel später von diesem Sachverhalt Kenntnis erlangte.

2.3 Bionik in der Praxis

Die bisherigen Ausführungen stellten die Bionik aus theoretischer Sicht dar und zeigten beispielhaft die Ergebnisse bionischer Forschung. Die genannten Beispiele sind typisch für die Bionik. Sie zeigen einerseits, dass Bionik in der Praxis funktionieren kann. Andererseits belegen sie, dass die Entstehung bionischer Produkte oftmals ihren eigenen Wegen folgt.

Im Folgenden wird dieser Frage detaillierter nachgegangen. Es wird dargestellt, wie sich das bionische Arbeiten in der Praxis gestaltet. Ziel ist es, zum einen das hier skizzierte Bild der Bionik abzurunden und zum anderem aus den Erkenntnissen erste Ansätze für eine Unterstützung des bionischen Arbeitens zu generieren.

2.3.1 Vorgehensweise

In der einleitenden Darstellung der Forschungsmethodik (Kapitel 1.2, S. 5 f.) wurde bereits erwähnt, dass Interviews mit Personen, die an der Entwicklung bionischer Produkte mitwirken, geführt wurden mit dem Ziel, den Entwicklungsprozess bionischer Produkte transparent zu machen. Diese Interviews bilden die Grundlage für diesen Teil der Arbeit. Die Namen möglicher Interviewpartner wurden durch eine Recherche ermittelt. Die Anfrage mit der Bitte um ein Gespräch erfolgte per E-Mail (Anhang A). Lag nach drei bis vier Wochen noch keine Antwort der angefragten Person vor, wurde sie erneut angeschrieben.

Es wurde bereits dargestellt, dass von den 22 angeschriebenen Personen etwa die Hälfte auf die Anfrage reagierten. Die meisten äußerten sich unbestimmt oder lehnten das Interview mit dem Hin- weis auf Zeitmangel oder vorhandene Publikationen ab. Letztlich kam mit 4 Personen ein Interview

24 2 Bionik im Überblick

zustande. Dabei handelte es sich um Frau Dr. ANITA ROTH-NEBELSICK vom Institut für Geowissenschaften (IFG) der Universität Tübingen, Herrn ANDREAS REINHARD, Erfinder und Geschäftsführer der Firma prospective concepts, Herrn Dr. ROLF LUCHSINGER, damals Mitarbeiter bei prospective concepts und heute im Center for Syncergetic Structures der Empa, einer Forschungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologie tätig sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. MARTIN LAWERENZ vom Institut für Thermische Energietechnik (ITE) der Universität Kassel. Die Interviews mit Frau Dr. ROTH-NEBELSICK und Herrn Prof. LAWERENZ wurden telefonisch durchgeführt, die Gespräche mit Herrn REINHARD und Dr. LUCHSINGER hingegen erfolgten während eines Firmenbesuches in Glattbrugg in der Schweiz.

Die genannten Personen wurden gebeten, in erzählender Form von ihrer Arbeit zu berichten und zugleich ihre Sicht auf die Bionik zu schildern. Die Interviews wurden aufgezeichnet und später analysiert. In Vorbereitung der Gespräche wurde ein Fragebogen (Anhang B) erstellt. Er diente während der Interviews als Rahmen und wurde im Wesentlichen genutzt, um den Erzählfluss „anzustoßen“ und um die „Vollständigkeit des Erzählten“ zu gewährleisten. Der Fragebogen wurde auch denjenigen Personen zur Verfügung gestellt, die um die Zusendung eines schriftlichen Fragenkatalogs gebeten hatten.

Die folgenden Ausführungen stützen sich im Wesentlichen auf Aussagen, die aus den individuellen Darstellungen und Berichten der interviewten Personen extrahiert wurden. Sie geben zudem Sichtweisen von verschiedenen hier nicht näher benannten Personen wider, die sich auf Konferenzen und Seminaren in „Pausengesprächen“ zum Thema Bionik äußerten.

2.3.2 Biologische Grundlagenforschung

Der Entwicklung bionischer Produkte geht, wie in Kapitel 2.1.1 dargestellt wurde, eine biologische Grundlagenforschung voraus. Bevor ein biologisches System Anregungen zur Verbesserung eines technischen Systems liefern kann, muss es mit seinen Strukturen und Funktionen vollständig verstanden sein. Die Analyse biologischer Systeme ist jedoch keine triviale Aufgabe. Aufgrund der Multifunktionalität dieser Systeme ist es häufig schwierig, den Strukturen eine bestimmte Funktion zuzuordnen. Oftmals bereitet es bereits Schwierigkeiten, in einem biologischen System eine Funktion als solche zu erkennen. Am Beispiel der Luftwurzeln bestimmter tropischer Pflanzen, wie sie am Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen erforscht werden, soll dies verdeutlicht werden. Es ist bekannt, dass die Wurzeln für die Wasseraufnahme der Pflanzen verantwortlich sind. Dieses „Flüssigkeitsmanagement“ der Pflanzen ist auch aus technischer Sicht relevant. Impulse erhofft man sich vor allem für Anwendungen, wo Textilien und Flüssigkeiten interagieren (z. B. bei Filtern oder Schutzkleidungen). Es ist jedoch festzustellen, dass für die Botaniker die genauen Be-

2 Bionik im Überblick 25

dingungen der Wasseraufnahme durch die Luftwurzeln bislang von untergeordnetem Interesse waren und dass daher die physikalischen Phänomene, die sich hinter den Gewebestrukturen verbergen, nahezu unerforscht sind. So ist z. B. nur unzureichend geklärt, ob die Wurzeln das Wasser direkt der Atmosphäre entnehmen, ob sie einen Nebel oder tropfbares Wasser benötigen. Ungesichert ist ebenfalls, ob die Wasseraufnahme kontinuierlich erfolgt oder ob die Wurzeln nur in den Regenperioden Wasser aufnehmen und dieses dann speichern. Bevor das Prinzip der Luftwurzeln für technische Anwendungen genutzt werden kann, muss die biologische Grundlagenforschung Ant-worten auf diese Fragen liefern und die für die Funktion entscheidende Eigenschaften der biologischen Struktur herausstellen.

Bionik zu betreiben bedeutet immer auch Grundlagenforschung zu betreiben. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass bionisches Arbeiten nicht nur für die Produktentwicklung Vorteile birgt. Nach Ansicht von Frau Dr. ROTH-NEBELSICK können Biologen ebenfalls von der Bionik profitieren, denn die Fragestellungen, die aus der Technik kommen, liefern auch Impulse für die Grundlagenforschung. Der Biologe ist somit nicht nur „Dienstleister“ für den Ingenieur, vielmehr kann er aus der Zusammenarbeit Motivation für die eigene Arbeit schöpfen und seinen Horizont erweitern.

2.3.3 Bionisches Arbeiten

Der direkte Dialog von Biologen und Ingenieuren ist noch aus einem weiteren Grund wichtig. Biologen, die ein biologisches System analysieren, erkennen oft nicht, dass das, was sie untersuchen, technisch relevant sein könnte. Die Ursachen hierfür liegen in ihrer fachlich einseitig orientierten Ausbildung ¹² . Die Analyse biologischer Systeme erfordert zwar ein gut fundiertes Grundlagenwissen, gleichzeitig ist jedoch auch die Fähigkeit zu interdisziplinären Denken für das bionische Arbeiten unumgänglich.

Die meisten Bioniker kommen heute aus etablierten Studienrichtungen. Sie sind Biologen, Physiker oder (seltener) Ingenieure. Sie haben in einer Zeit studiert, in der Interdisziplinarität noch „kein Thema“ war. Die Motivation, bionisch zu arbeiten und sich in fremde Themen hineinzudenken, ist in der Regel auf ein persönliches Interesse zurückzuführen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie die Ausbildung zukünftiger Bioniker gestaltet werden kann. Bislang sind Ausbildungsstätten, in denen Bionik gelernt wird, eher selten. Die Ausbildung findet meist in Form von Aufbaukursen im Rahmen etablierter Studiengänge statt ¹³ . Anhand von Beispielen wird versucht, die zahl-

12In analoger Weise gilt dies auch für die Ingenieurausbildung.

13 In dieser Form wird Bionik gegenwärtig an der RWTH Aachen, TU Berlin, TU Darmstadt, Uni Freiburg, FH Heidelberg, TU Ilmenau sowie der Uni Saarbrücken gelernt. Die FH Bremen ist zur Zeit die einzige Einrichtung, an der ein Studiengang Bionik etabliert wurde.

26 2 Bionik im Überblick

reichen „verborgenen“ Verbindungen zwischen Biologie und Technik aufzuzeigen und so die Studenten für die Themen des jeweils anderen Fachgebietes zu sensibilisieren.

Die Zusammenarbeit von Biologen und Ingenieuren kann sich vor allem in der Anfangsphase schwierig gestalten. Oft treten Missverständnisse auf, die vor allem daraus resultieren, dass das, was einem Biologen relevant erscheint, für den Ingenieur nicht unbedingt von Interesse ist. Für beide Seiten ist es daher wichtig, sich in die Themen des anderen hineindenken zu können. Die Erfahrung bionisch arbeitender Personen zeigt, dass dieser Prozess gewöhnungsbedürftig ist.

Während der Interviews wurde deutlich, dass der Dialog zwischen Biologen und Ingenieuren nur eine Form des bionischen Arbeitens darstellt. Einige Projekte kommen ohne eine detaillierte Analyse biologischer Systeme aus. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung formvariabler Turbomaschinenschaufeln, an denen am Institut für Thermische Energietechnik der Universität Kassel gearbeitet wird [Mül04]. Die Schaufelblätter von Turbomaschinen haben heute in der Regel eine starre Geometrie. Sie sind auf einen bestimmten Strömungszustand hin ausgelegt. Weichen die Strömungsbedingungen von diesem „Normzustand“ ab (z. B. beim Anfahren der Maschine), kann es zu einer Fehlanströmung und zur Ablösung der Grenzschicht kommen. Die Verluste in der Maschine steigen dann sehr stark an. Bislang gelingt es nur ungenügend, durch eine Verstellung (Rotation) der Leitschaufeln einer Fehlanströmung entgegenzuwirken. Ziel der Formanpassung ist es, die Turbinenschaufeln in allen Betriebszuständen optimal anströmen zu können und so den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern.

Bei der Konzeption der formvariablen Schaufeln wurden auch Analogien zu biologischen Systemen genutzt, ohne jedoch diese näher auszuführen. Assoziiert wurden vor allem Systeme, bei denen die Oberfläche durch frei bewegliche, relativ starre Elemente gebildet wird. Beispiele hierfür sind das Federkleid der Vögel oder die Schuppenhaut von Fischen und Reptilien. Bei genauerer Betrachtung zeigte sich jedoch, dass der Ansatz einer fein segmentierten Oberfläche technisch nicht realisierbar ist. Eine detaillierte Untersuchung des biologischen Systems „Federkleid“ war aus diesem Grund nicht notwendig. Problematisch ist vor allem die Anbindung und Haftung der Oberflächenelemente an die innere Struktur. Knicke und Welligkeiten müssen vermieden werden, da diese den Strömungsverlauf negativ beeinflussen. Das Konzept wurde daher an die Randbedingungen der Technik angepasst. Es sieht nun vor, die Verformung der Schaufel durch eine kinematische Kette realisieren, bei der die einzelnen Elemente der Schaufel eine Zwangsbewegung ausführen.

Ein weiterer Lösungsansatz, der entwickelt wurde, ohne ein biologisches System analysieren zu müssen, und der dennoch als „bionisch“ gilt, ist Tensairity ¹⁴ , ein Prinzip, bei dem eine pneuma-

14Tensairity ist eine eingetragene Marke der Firma „prospective concepts“. Der Begriff setzt sich aus den Worten tension, air und integrity zusammen.