Bionik als Prinzip der Produktentwicklung

Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich Wirtschaftswissenschaften I Studiengang Betriebswirtschaftslehre

Diplomarbeit

Bionik als Prinzip der Produktentwicklung -

Anwendungsbeispiele und Umweltnutzen

zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Kauffrau (FH)

Berlin, 18. Januar 2007

Darstellung 33: Übersicht der geclusterten Beispiele ................................................................ .77

Abkürzungsverzeichnis

BIOKON Bionik-Kompetenz-Netz BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung CAO Computer Aided Optimization CH ⁴ Methan CO ² Kohlenstoffdioxid DIN Deutsches Institut für Normung F&E Forschung und Entwicklung FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe FEM Finiten Element Methode i. d. R. in der Regel ISDN Integrated Services Digital Network Kap. Kapitel N ² O Distickoxid SKO Soft Kill Option SO ² Schwefeldioxid TFH Technische Fachhochschule TRIZ Teorija Reschenija Isobretatelskich Zadatsch TU Technische Universität TÜV Technischer Überwachungs-Verein VDI Verein Deutscher Ingenieure WOIS Widerspruchsorientierte Innovationsstrategie WWF World Wide Fund For Nature

1.1 Ausgangslage

Viele große Unternehmen haben die Natur als Vorbild für die Lösungen technische Problem- erkannt und bekennen sich auch dazu. Dies war allerdings nicht immer so. Viele Jahre wurde das Potential der Natur für Innovationen unterschätzt und sogar verpönt. Unternehmen erforschten somit stillschweigend den Ideenfundus der Tier- und Pflanzenwelt und vermieden es ihre Erfindungen mit Bionik in Verbindung zu bringen. Heute gehen die Firmen damit offener um und benutzen den Ursprung ihrer Innovation für Marketingzwecke. Allerdings bleiben dabei Daten wie Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen, Entwicklungszeit, weitere Forschungsprojekte oder Umsatzzahlen weiterhin der Öffentlichkeit nicht zugänglich.

Eine bessere Einsicht in bionische Aktivitäten ist in der universitären Forschung möglich. Be- Themenschwerpunkte für einzelne Forscherteams lassen sich über das Bionik-Kompetenz-Netz (BIOKON) ermitteln. Außerdem sind in Druckmedien, im Fernsehen und Radio sowie im Internet Berichte über deren Forschungsvorhaben, die aktuelle Situation oder Probleme bei bionischen Projekten zu finden.

Das Thema Bionik gewinnt zunehmend an Bekanntheit. Dennoch gibt es Unternehmen, die damit noch nicht in Berührung gekommen sind bzw. an dessen Anwendung nur wenig Interesse zeigen. Dies liegt vor allem an den mangelnden methodischen Ansätzen sowie der geringen Hilfestellung durch passende Instrumente, um die Phänomene der Natur in die Technik zu übertragen.

Des Weiteren sind die Erfolgsgeschichten von bionischen Entwicklungen rar gesät. Es gibt heute nur wenig marktreife Produkte, auch wenn die Vielzahl der Bionik-Fachbücher im ersten Moment einen anderen Eindruck vermitteln. Die Literatur zu diesem Thema betont die Erfolge dieser Wissenschaft immer wieder mit den gleichen Beispielen, wie mit der Lotusblume, der Haihaut und den Klettverschluss. Die Bionik-Bücher weisen aber ausgiebig auf das Potential der Natur hin, indem sie beeindruckende biologische Phänomene beschreiben, oft al- lerdings ohne Technikbezug.

Außerdem beschäftigen sich einige Autoren mit der Natur als Vorbild für technische Anwen- und es wird bei der Übertragung der Biologie auf die Technik auf einen ökologischen Effekt gehofft. Allerdings besteht im Bereich des tatsächlichen Umweltnutzens von bionischen Aktivitäten eine Forschungslücke.

Die vorliegende Arbeit soll aufzeigen, wie und in welchen Bereichen ein Unternehmen die Bionik nutzen kann, um Innovationen zu schaffen, die wiederum Wettbewerbsvorteile erzielen. Es wird versucht bestimmte Vorgehensweisen zur Übertragung von der Biologie in die Technik zu ermitteln.

Zudem soll dem Leser anhand einer Beispielsammlung gezeigt werden, wie umfangreich das Anwendungspotential der Bionik ist. Darüber hinaus ist es Ziel der Arbeit, durch das Clustern der bionischen Beispiele, das Hauptaugenmerk eines Unternehmens auf eine bestimmte Gruppe zu lenken, die für es das größte Potential darstellt.

Neben den Übertragungsmöglichkeiten und der Clusterung der Beispiele steht die Ermittlung des Umweltnutzens der einzelnen Cluster im Vordergrund. Es soll die Frage beantwortet werden, welcher Nutzen für die Umwelt sich aus den jeweiligen Gruppen ableiten lässt.

1.3 Methodisches Vorgehen

In diesem Werk werden zuerst, die in Kapitel zwei beschriebenen Grundlagen der bionischen Produktentwicklung erläutert. Dabei erfolgt neben einer Begriffsdefiniton und einer Abgrenzung der Bionik zu unabhängigen Analogien, ein historischer Rückblick und die aktuelle Entwicklung in Deutschland. Im Anschluss daran steht die Eingliederung der Bionik in die Produktentwicklung bzw. Produktentstehung im Vordergrund. Weiterhin werden die unterschiedlichen Übertragungsprinzipien sowie die methodischen Ansätze zur Übertragung der Naturphänomene in die Technik dargestellt.

Das dritte Kapitel zeigt, welche (potentiellen) Anwendungen sich aus einer biologischen Vor- entwickeln lassen. Dabei wird das Vorbild erläutert sowie deren technische Umsetzung.Die Beispiele für die bionische Produktentwicklung sind die Basis für die nachfolgende

Clusterung in Kapitel vier. Hierbei wird das biologische Vorbild das Kriterium für die Grup- sein.

Im nächsten Abschnitt dieser Arbeit wird der Umweltnutzen der Bionik erörtert. Dabei wird der Begriff Umweltnutzen hergeleitet sowie die Natur als Vorbild für ökologische Innovationen betrachtet. Aufgrund der Herleitung wird dann der Umweltnutzen der einzelnen Cluster bestimmt. Nachfolgend werden die Ergebnisse der Clusteranalyse zusammengefasst und kritisch beurteilt.

In Kapitel sechs erfolgt abschließend eine Zusammenfassung der gesamten Arbeit.

2 Grundlagen bionischer Produktentwicklungen

Dieses Kapitel gliedert sich in die drei Unterpunkte Charakterisierung der Bionik, Phasen der Produktentwicklung und Methodische Ansätze zur Übertragung in die Technik. Im ersten Abschnitt werden zuerst die Entstehung und die Definition des Bionik-Begriffes dargestellt sowie eine Abgrenzung zu unabhängigen Analogien vorgenommen. Danach wird die historische Entwicklung betrachtet und auf den aktuellen Stand in Deutschland eingegangen. Im zweiten Unterpunkt wird deutlich, in welchen Phasen der Produktentwicklung die Bionik angewendet werden kann. Darüber hinaus kann Bionik auch als Kreativitätstechnik und somit im Produktentstehungsprozess vor der Produktentwicklung angewendet werden. Im nächsten Abschnitt werden zunächst zwei unterschiedliche Prinzipien der Übertragung von der Natur in die Technik dargestellt und abschließend methodische Ansätze verdeutlicht.

2.1 Charakterisierung der Bionik

Nach der Erläuterung des Begriffes Bionik wird gezeigt wie dieser Terminus entstand, welche Definition heute anerkannt ist und wie die Bionik sich von unabhängigen Analogien abgegrenzt. Im Weiteren erfolgt ein geschichtlicher Rückblick unter Berücksichtigung der wichtigsten Bionikpioniere sowie abschließend ein Einblick in die Entwicklung der Wissenschaftsdisziplin in Deutschland.

2.1.1 Begriff Bionik

Obwohl sich schon seit mehreren Jahrhunderten Wissenschaftler mit der Natur als Vorbild für technische Umsetzungen beschäftigen, erhielt das Forschungsgebiet erstmalig von dem Botaniker Raoul Heinrich Francé (1874-1943), der sich intensiv mit den „Erfindungen der Natur beschäftigte“, einen Namen: „Biotechnik“. Allerdings wird dieser Begriff nicht mehr verwendet, da er sich zu sehr ähnelt mit der Bezeichnung des Wissenschaftsgebietes Biotechnologie. Der Ausdruck „Bionik“ wurde 1960 von dem US-amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele auf einem Kongress in Dayton, Ohio geprägt. Allerdings ist unklar, wie es zu diesem Kunstwort kam bzw. aus welchen Wörtern es sich zusammensetzt. ¹ In einigen Bionik Bü- chern wird behauptet, dass sich der Begriff aus der Anfangs- und Endsilbe von „Biologie“ und „Technik“ zusammensetzt. Dies ist allerdings nicht nachweisbar und funktioniert auch beim englischen „bionics“ nicht, da zwar „Biologie“ die gleiche Anfangssilbe hat wie „biolo-

gy“, aber die Endsilbe nicht von „technics“ sein kann, weil im Englischen der Begriff „Tech- mit „technical science“ übersetzt wird. ² Da der Kongress in Ohio sein Hauptaugenmerk auf Bio-Computer und Sensorik legte, wird vermutet, dass „bionics“ sich aus „biology“ und „electronics“ zusammenfügt. Dennoch wird heute die „Bionik“ als Abkürzung für „Biotechnik“ betrachtet. ³

Im internationalen Sprachgebrauch hat sich allerdings nicht „bionics“ sondern „biomimetics“ vom griechischen „bios“ für Leben und „mimesis“ für Nachahmung durchgesetzt. Im deutschsprachigen Raum können Bionik und Biomimetik aber als synonym angesehen werden. ⁴

Nach der Herkunft und Entstehung des Begriffes Bionik, bleibt nun noch zu klären, welche Bedeutung sich dahinter verbirgt. Die erste Definition gab Steele 1960 und verhalf so der Bionik zu einer eigenständigen Wissenschaftsdisziplin: „Die Bionik entwickelt Systeme, deren Funktion natürlichen Systemen nachgebildet ist, die natürlichen Systemen in charakteristischen Eigenschaften gleichen oder ihnen analog sind.“ Es folgten darauf weitere Begriffsbestimmungen, wobei die heute gültige und anerkannte auf ein deutsches Expertentreffen im VDI-Technologiezentrum im Jahr 1993 zurückgeht: „Bionik als Wissenschaft befasst sich systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme.“ ⁵

In den darauf folgenden Jahren wurde diese Definition allerdings noch erweitert, da sie doch sehr eng gefasst war. Der zusätzliche Satz schließt nun Bereiche wie beispielsweise Systemik, Selbstorganisation, Organisation sowie Interaktion mit ein und lautet wie folgt: „Dazu gehö- ren auch Aspekte des Zusammenwirkens belebter und unbelebter Teile und Systeme sowie die wirtschaftlich-technische Anwendung biologischer Organisationskriterien.“ 6

2.1.2 Abgrenzung zu unabhängigen Analogien

Natur und Technik haben, bei gleicher Aufgabenstellung, unabhängig voneinander ähnliche Lösungsprinzipien entwickelt, allerdings auf einem anderen Entstehungsweg. Technische Ge-

bilde entstehen in den Phasen der Planung, Konzeption und Konstruktion (siehe Kapitel 2.2). Die Natur hingegen schafft ihre Kreationen nach dem Prinzip des Versuchs und des Irrtums. Dies bedeutet, dass durch kleine zufällige Änderungen (Mutation) in der Evolution, diejenigen überleben, die sich am besten anpassen, während die anderen verworfen werden (Selektion). Im Folgenden werden drei Analogie-Beispiele von Nachtigall und Blüchel ⁷ aufgezeigt (weitere sind im Anhang 1 zu finden), wobei die Technik nicht die Natur kopiert hat, sondern eigenständig den Lösungsansatz entwickelt hat. 1. Legebohrer und Bohrraspel Die Riesenholzwespe bohrt sich zur Eiablage mit ihrem stecknadeldünnen, dreiteiligen Legebohrer ins Holz ein. Ein analoges Werkzeug ist die Bohrraspel.

Darst. 1: Holzbohrer der Riesenholzwespe und Bohrraspel (Nachtigall/Blüchel, Das große Buch der Bionik, 2000, S. 218)

2. Fühlerbürste und Rundbürste An den Vorderbeinen des Handkäfers ist ein „rundbürstenartiger“ Fühlerputzapparat angebracht und auch die Honigbiene verfügt über eine „Rundbürste“ um ihre Fühler zu reinigen. In der Technik gibt es ebenso Spezialbürsten zum Reinigen von Ringnuten, wie z. B. die Toilettenbürste.

Darst. 2: Fühlerputzapparat des Handkäfers und Toilettenbürste (Nachtigall/Blüchel, Das große Buch der Bionik, 2000, S. 218.

3. Beineinklappen und Taschenmesser Der Stützkäfer lebt in zerfallenen biologischen Stoffen und kann je nach Bedarf seine kräftigen „Beinschaufeln“ wie die Werkzeuge eines Taschenmesser ein- und ausklappen. Beim Einklappen kommt das Schienenglied (grob gewellter Rand in der Abbildung) in das Schenkelstück (unten in der Abbildung) und das fünfgliedrige Fußteil in eine Nut der Schiene.

Darst. 3: Eingeklapptes Fußstück beim Stutzkäfer und Taschenmesser (Nachtigall/Blüchel, Das große Buch der Bionik, 2000, S. 218.

Diese Beispiele zeigen, dass die Technik auch ohne ein biologisches Vorbild zu verfolgen, das gleiche Lösungsprinzip entwickeln kann. In solchen Fällen handelt es sich nicht um Bionik, da hier kein Naturphänomen auf die Technik übertragen wurde. Allerdings kann die Gegenüberstellung von technischen und natürlichen Systemen durchaus Verbesserungspotentiale aufweisen oder sogar zu komplett neuen Ideen führen. Allerdings sollten bei der Analogieforschung die technischen Gesetzmäßigkeiten immer im Auge behalten und biologische Erfindungen nicht überschätzt werden. 8

2.1.3 Historische Entwicklung

Die folgenden Beispiele der Geschichte zeigen, dass es die Bionik nicht erst seit einigen Jah- gibt. Schon früh haben sich Forscher mit der Natur und deren Potential für technische Anwendungen auseinandergesetzt und erstaunliche Leistungen vollbracht.

Der wohl erste Bionikforscher war Leonardo da Vinci (1452-1519). Er konstruierte nach dem Vorbild der Vögel verschiedene Flugmaschinen, die zum damaligen Stand der Technik allerdings nicht in die Praxis umgesetzt werden konnten. Im Jahr 1590 erfand der Engländer Matthew Baker nach dem Vorbild eines Dorschkopfes und Makrelenschwanzes ein Schiff, die Baker Galeone. Durch die neue Form erlangte es eine verbesserte Manövrierfähigkeit und

verringerte den Wasserwiderstand. Ein weiterer Bionikpionier war George Cayley (1773- 1857), welcher nach dem Fallverhalten der Frucht des Wiesenbocksbarts einen funktionstüchtigen Fallschirm entwickelte. Auch der Amerikaner Michael Kelly orientierte sich am Vorbild der Natur und ließ sich vom Dornenstrauch Osagedon zum Stacheldraht inspirieren und meldete 1868 das Patent dazu an. Otto Lilienthal studierte den Flug der Störche und baute die ersten erfolgreichen Flugapparate (1891-1896). Das erste deutsche bionische Patent meldete 1920 Raoul Heinrich Francé (1874-1943) an. Er entwickelte nach der Mohnkapsel einen Salzstreuer, der gleichmäßig streut. Im Jahr 1948 erforschte der Schweizer Georges de Mestrel das Kletten-Labkraut und kam dadurch auf die Idee des Klettverschlusses. ⁹

Bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es also nur vereinzelte Versuche Lösungsvor- der Natur in die Technik zu übertragen. ¹⁰ Erst neue und verbesserte Methoden (beispielsweise nanotechnologischer Fortschritte) verhalfen der Bionik in den letzten Jahrzehnten zu einer etablierten Wissenschaftsdisziplin. 11

2.1.4 Aktuelle Entwicklung in Deutschland

In Deutschland beschäftigen sich viele mit dem Vorbild der Natur für technische Anwendun- und wirkten damit stark bei der Entwicklung der Bionik in Deutschland mit, wobei im Folgenden nur kurz auf einige eingegangen wird.

Im Jahr 1961 gründeten der Architekt Frei Otto und der Biologe Johann-Gerhard Helmcke, inspiriert durch viele verschiedene Naturformen, die Forschungsgruppe „Biologie und Bauen“, welche grundlegende Erkenntnisse über die Konstruktionsprinzipien lebender und nicht lebender Natur hervorbrachte. ¹² Ebenfalls in den 60er Jahren forschte der Flugkonstrukteur Heinrich Hertel an der Technischen Universität (TU) Berlin an Fortbewegungsmechanismen von Fischen, Schlangen, Vögeln, Haien und Walen. Auf ihn geht die Flossenpumpe zurück, die beim Abpumpen von Abwässern bis heute eingesetzt wird. Ingo Rechenberg war einer seiner Schüler und übernahm 1972 den weltweit ersten Lehrstuhl für Bionik und Evolutionstechnik an der TU Berlin, der allerdings nur Ingenieuren den Zugang zur Bionik ermöglichte. Ein weiterer Bionikpionier ist Werner Nachtigall, der die Bionik in Deutschland wie kaum ein anderer geprägt hat. Im Jahr 1959 erforschte der Biologe die Bewegung von Insekten, etwas

später die Aerodynamik, Neurophysiologie und Bewegungsmechanismen im Tierreich. Nach seiner Berufung zum Zoologieprofessor an der Universität des Saarlandes 1969, errichtete er den Studiengang Bionik und technische Biologie mit dem Abschluss Diplom-Biologe. Seit 2003 gibt es den weltweit ersten Bachelor-Masterstudiengang für Bionik in Bremen, welcher von Werner Nachtigalls Schülerin, Antonia Kesel, geleitet wird. ¹³

Neben den Forschern, die entscheidend diesen interdisziplinären Wissenschaftszweig voran- haben, spielen ebenfalls verschiedene Institutionen und Forschungszentren eine wichtige Rolle. Zum Beispiel der in München 1990 gegründete Bionik-Verband, dessen Aufgabe die Gestaltung bzw. Herstellung von Werbematerialien und die Durchführung von Messen, Kongressen sowie Seminaren ist. ¹⁴ Im gleichen Jahr wurde von Werner Nachtigall die Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik ins Leben gerufen. Sie informiert ihre Mitglieder über die neuesten Entwicklungen und veranstaltet alle zwei Jahre einen Kongress. ¹⁵ In ganz Deutschland gibt es mittlerweile eine Vielzahl von Bionik-Aktivitäten. Neben den Bionik-Zentren in Berlin, Saarbrücken, Bremen, Darmstadt und Aachen sind noch die bedeutenden Standorte der TU Illmenau, Universtiät Münster, Universität Freiburg, TU Dresden, Universität Bonn, Forschungszentrum Karlsruhe etc zu nennen. ¹⁶

Auch die deutsche Regierung hat das Potential dieser Wissenschaft erkannt und initiierte 2001 den Aufbau des Bionik-Kompetenz-Netzes BIOKON, welches zum Ziel den Wissenstransfer von Biologie und Technik hat. Die Gründungsmitglieder sind die Universität Saarland, die TU Berlin, die Universität Bonn, das Forschungszentrum Karlsruhe, die TU Illmenau und die Universität Münster, wobei das Netzwerk heute auf 28 Partner angewachsen ist. BIOKON stellt fachübergreifendes Wissen strukturiert zur Verfügung und ist das Bindeglied zwischen Biologie und Technik. Es ermöglicht Forschern und der Industrie miteinander in Kontakt zu treten, festigt die Bionik in weiteren Bereichen der Forschung und leistet Öffentlichkeitsarbeit (Dienstleistungsangebot von BIOKON siehe Anhang 2). ¹⁷ Deutschland nimmt mit dieser strukturierten Plattform sowie seiner Bionikforschung in Europa die Spitzenposition ein und ist weltweit richtungsweisend in den Bereichen Oberflächen und Automobiltechnik. ¹⁸

Das Kompetenznetz erhielt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in einer ersten Phase 2,4 Millionen Euro für den Zeitraum Juni 2001 bis Juni 2004 um ihren Aufgaben gerecht zu werden. Die anschließende Förderung bis 2007 betrug 6 Millionen Euro, wobei sich die Netzwerkpartner nach dem Ablauf dieser zweiten Phase selbst finanzieren müssen. ¹⁹ Gelingt dies nicht, besteht die Gefahr, dass Teile der universitären Forschung abwandern. ²⁰

Insgesamt hat das BMBF seit 2002 für Bionik-Projekte 30 Millionen Euro investiert und spricht sich für eine größere Nutzung biologischer Vorbilder für Innovationen aus, da Deutschland weiterhin weltweit hohe Leistungsmaßstäbe in diesem Bereich setzen soll. Ein Schritt in diese Richtung ist auch der Ideenwettbewerb „Innovationen aus der Natur“ der mit 2,1 Millionen Euro gefördert wird. Aus 150 Ideen wurden 30 ausgewählt, deren Machbarkeitsstudien finanziert wurden und die besten sechs Studien erhielten zusätzlich eine Förderung von jeweils 200.000 Euro. ²¹ Eine Auflistung der besten 30 Vorschläge ist im Anhang 3 zu finden.

Des Weiteren werden zurzeit in Studien das Marktpotential, der Zukunftstrend, Chancen und Risiken sowie die gesellschaftliche Aufnahme der Bionik untersucht. Die Technikfolgen-Abschätzung beim deutschen Bundestag erwartet bis Ende 2006 die Fertigstellung des Berichtes zu „Potenziale und Anwendungsperspektiven der Bionik“. Auch das Institut für ökologische Wirtschaftsforschung untersucht die „Potenziale und Trends der Bionik“. ²²

Das Ausmaß der Bionik-Aktivitäten von Unternehmen ist schwer einzuschätzen. Knut Braun ²³ , der Koordinator des BIOKON-Standortes Universität Saarland schätzt, dass sich alle großen Firmen in Deutschland mit Bionik beschäftigten oder beschäftigen. Beispiele hierfür sind BMW, Daimler Chrysler, Adidas, Siemens, BASF oder Continental. Obwohl sich auch zunehmend kleine und mittelständische Unternehmen damit auseinandersetzen, spielen diese doch eher eine untergeordnete Rolle, da die Umsetzung von der Biologie in die Technik sehr kosten- und zeitintensiv sein kann.

Beispielsweise hat die Entwicklung vom Erkennen der Selbstreinigung der Lotusblume bis zu deren technische Umsetzung ungefähr zwanzig Jahre gedauert. Eine ähnliche Zeitspanne benötigte die Entschlüsselung der Haifischhaut bis zu deren Übertragung in eine Folie. Es gibt allerdings auch Beispiele für kürzere Entwicklungszeiten. So wurde das Bionic-Car von Daimler Chrysler, welches nach dem Vorbild des Kofferfisches entwickelt wurde, in circa acht Jahren fertig gestellt (1998-2005). Die bionischen Reifen von Continental wurden sogar innerhalb von drei bzw. vier Jahren entwickelt. 24

2.2 Phasen der Produktentwicklung

Die Produktentwicklung hat zum Ziel, die Produkte so zu entwickeln, dass sie vom Markt und Kunden akzeptiert werden. ²⁵ Es werden dabei Neuentwicklungen und Weiterentwicklungen unterschieden. Eine Neuentwicklung liegt dann vor, wenn Produkte oder Prozesse aufgrund neuen bzw. nicht genutzten technischen Wissens entwickelt werden. Entstehen diese aber durch bekanntes Wissen und werden sie in einer neuen Art und Weise verwendet, liegen Weiterentwicklungen vor. ²⁶ Die Produktentwicklung lässt sich in die Phasen Planung, Konzeption und Konstruktion aufteilen, wobei Letztere sich wiederum in Entwurf und Ausarbeitung untergliedert. Des Weiteren ist die Produktentwicklung ein Teil des Produktentstehungsprozesses. ²⁷

Die Bionik kann vor allem in den Phasen der Konzeption und Konstruktion angewendet wer- sowie als Kreativitätstechnik bei der vorangestellten Ideenfindung, die schematisch dem Produktentstehungsprozess zugeordnet ist. Dieser wird deshalb im weiteren Verlauf kurz erläutert und die Beziehung zur Produktentwicklung dargestellt. Im Anschluss erfolgt die Betrachtung der Bionik in der Konzeptions- und Konstruktionsphase.

2.2.1 Einordnung in die Produktentstehung

Die Produktentwicklung gliedert sich in den Produktentstehungsprozess ein, wie in der fol- Übersicht dargestellt wird. Dabei erfolgt die Forschung und die Produktplanung vor der Produktentwicklung und im Anschluss die Erprobung von Prototypen.

Darst. 4: Produktenstehungsprozess

(Westkämper, Einführung in die Organisation der Produktion, 2006, S. 118.)

Bei der Forschung, also der ersten Phase der Produktentstehung, wird in Grundlagenfor- und angewandte Forschung unterschieden. Ersteres hat die Erweiterung wissenschaftlicher Erkenntnisse zum Ziel und ist nicht anwendungsorientiert. Die angewandte Forschung hingegen überprüft die Umsetzbarkeit bereits vorhandenen Wissens in die Praxis. Das heißt, sie versucht konkrete praktische Probleme mit gegenwärtigen Erkenntnissen zu lösen. ²⁸ Unternehmen versuchen eigene oder firmenfremde Forschungsergebnisse für sich nutzbar zu machen und lassen diese in ihre Planung mit einfließen. ²⁹

Im Anschluss werden in der strategischen Produktplanung mögliche Geschäftsfelder identifi- und Wettbewerbsstrategien festgelegt. Die dort gesetzten Ziele werden in der operativen Produktplanung in Produktideen umgesetzt, wobei der Einsatz von Kreativitätstechniken die Ideenfindung vorantreiben kann. Eine mögliche Kreativitätstechnik ist hier die Bionik, auf die im nächsten Kapitel eingegangen wird. Nachdem die generierten Ideen analysiert und bewertet sind, wird eine Produktidee definiert bzw. ein Lastenheft erstellt und eine Wirtschaftlichkeitsprüfung durchgeführt. ³⁰ Im Lastenheft werden die Anwendungen aus Anwendersicht einschließlich aller Randbedingungen beschrieben. Sie sollten quantifizierbar und prüfbar sein. ³¹

Entscheidet sich die Geschäftsleitung aufgrund der Ergebnisse in der Produktplanung dafür ein Produkt zu entwickeln, startet die Produktentwicklung mit ihren Phasen der Planung,

Konzeption und Konstruktion, auf die im Kapitel 2.2.3 gesondert eingegangen wird. Im An- daran werden oft Prototypen von Produkten hergestellt, welche umfangreiche Tests durchlaufen müssen, mit dem Ziel bestimmte Eigenschaften, wie Belastbarkeit, Leistung oder Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen zu ermitteln und Verbesserungspotentiale aufzudecken. ³² Verläuft diese Erprobung viel versprechend und ist zudem keine Nachbesserung erforderlich, kann das Produkt gefertigt werden.

Die Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung werden Inventions genannt. Erst wenn diese Erfindungen ökonomisch nutzbar gemacht werden, handelt es sich um Innovationen. 33

2.2.2 Bionik als Kreativitätstechnik

„Unter dem Begriff „Kreativitätstechniken“ werden … unterschiedliche Ansätze zusammen- die die Kreativität des Individuums oder der Gruppe heben sowie das Informationsverhalten anregen oder auf neue Pfade führen sollen.“ ³⁴

Kreativitätstechniken dienen also zur Ideenfindung, welche in der operativen Produktplanung zu Produktideen ausgearbeitet werden. Die wohl bekannteste Technik für ein Unternehmen um Ideen zu generieren, ist das Brainstorming. Allerdings ermöglicht die Darst. 5 einen Einblick in weitere Kreativitätstechniken und zeigt die Einordnung der Bionik als solche. Des Weiteren wird die Vorgehensweise der Bionik zur Ideenfindung dargestellt. Auf eine ausführliche Beschreibung der anderen Techniken wird im Rahmen dieser Arbeit verzichtet.

• Klassisches a) Methoden des Ungezwungene Diskussion ohne Kritik,

• Imaginäres

• Diskussion 66

• Brainwriting-Pool b) Methoden des Spontane Ideen werden auf Formular oder

• Methode 635

• Inkubation

• Bionik

• Synektik

• TILMAG

• Visuelle Synektik

• BBB-Methode

• Reizwortanalyse

• Force-Fit-Spiel

• Morphologische

• Sequentielle

• Morphologischer

• KJ-Methode

• NN-Methode

• Relevanzbaum

Darst. 5: Auswahl von Kreativitätstechniken

(eigene Darstellung in Anlehnung an Knieß, Kreatives Arbeiten, 1995, S. 35f.)

Die Bionik als anspruchsvolle Technik kann zwar bei einer niedrigen Konkretisierungsstufe auch von einem Einzelnen, der über fundierte naturwissenschaftliche Erkenntnisse verfügt eingesetzt werden, sie ist allerdings in einer Gruppe effektiver, weil sich hier unterschiedliche Kenntnisse der Natur ergänzen können und so auch ein Nicht-Experte Zugang zu dieser Technik erhält. Das Team sollte aber eine Teilnehmerzahl von fünf nicht überschreiten. ³⁵

Das Team erhält nun eine konkrete Fragestellung bzw. ein technisches Problem und versucht dazu Analogien aus der Natur zu sammeln mit der Leitfrage, wie diese eine ähnliche Aufgabenstellung bewältigt. Hierbei können weitere Kreativitätstechniken hilfreich sein, wie beispielsweise Brainstorming oder bildhafte Synektik (siehe Darst. 5). In einem Zwischenschritt sollten die Analogien in kurzen Ansätzen auf die Fragestellung transferiert werden, woraus sich schließlich die Naturphänomene herausfiltern lassen, die weiter verfolgt werden. Für diese ersten Assoziationen sollten etwa 60 Minuten angesetzt werden. ³⁶

In einer zweiten 60-minütigen Runde stehen dann die Wirkungs- und Konstruktionsprinzipien der gesammelten Analogien im Mittelpunkt, wobei sich die Gruppe die Detaillösung der Natur für das betrachtete Problem anschaut. Hierzu sind naturwissenschaftliche Grundlagen unabdingbar und je nach Komplexität der Fragestellung und dem gewünschten Grad der Entschlüsselung des Naturphänomens reichen hier Lexika gegebenenfalls nicht aus. In diesem Fall sollte das Team aus fachübergreifenden Mitgliedern mit Kenntnissen aus der Naturwissenschaft zusammengestellt sein. Sind die Wirkungs- und Konstruktionsprinzipien für die Fragestellung detailliert genug entschlüsselt, erfolgt eine Bewertung dieser hinsichtlich des Übertragungspotentials auf die am Anfang gestellte Aufgabe, wofür ebenfalls wieder 60 Minuten einzuplanen sind. ³⁷ Erscheint eine Assoziation nun viel versprechend, um das technische Problem zu lösen, kann letztendlich deren Umsetzung verfolgt werden.

2.2.3 Bionik in der Konzeptions- und Konstruktionsphase

Der Produktentwicklungsprozess, als Teil des Produktenstehungsprozesses, beginnt mit der Planungsphase, in der das Pflichtenheft erstellt wird (siehe Darst. 6). ³⁸ Dieses enthält das Lastenheft und eine detaillierte Beschreibung der Anforderungsvorgaben sowie der Realisierungsanforderungen. Das heißt, im Pflichtenheft wird definiert, wie und womit die Anforderungen zu realisieren sind. ³⁹

Darst. 6: Phasen der Produktentwicklung

(Westkämper, Einführung in die Organisation der Produktion, 2006, S. 121.)

Anschließend wird in der Konzeption das Produkt in seine Funktionsstrukturen und Teilfunk- untergliedert, wofür Wirkungsprinzipien gesucht und getestet werden. ⁴⁰ Solche Prinzipien bzw. Lösungsansätze lassen sich zum Beispiel in der Natur finden. Die Bionik kann in der Konzeptionsphase also Lösungsprinzipien mittels der Tier- und Pflanzenwelt für Bauteile bzw. Bauteilfunktionen aufdecken.

In einem Entwurf (Konstruktionsphase) werden die gefundenen Funktionsstrukturen den Haupt- und Nebenfunktionsträgern zugeordnet und bewertet. Im Anschluss werden die Funktionsträger in einem gestaltorientierten Gesamtentwurf zusammengefasst. Im zweiten Teil der Konstruktionsphase (Ausarbeitung) wird der Gesamtentwurf in DIN-gerechten Konstruktionsunterlagen (z. B. Zeichnungen, Stücklisten) detailliert aufbereitet und stellt den Ausgangspunkt für die Arbeitsvorbereitung und Fertigung dar. ⁴¹

Zur Gestaltung des Gesamtentwurfes in der Konstruktion haben verschiedene Autoren Gestal- der Natur herausgearbeitet, welche in ihrer Summe elementare Funktions-, Organisations- und Strukturprinzipien repräsentieren und ein Mindestmaß darstellen, wenn von der Natur gelernt werden soll. Dazu gehören die zehn Grundprinzipien bionischen Designs von Nachtigall, die acht biokybernetischen Grundregeln von Vester, die zehn Gebote

der Systemdynamik von Rosnay, die Grundprinzipien der Evolution natürlicher Konstruktio- von Mosburgger und Roth sowie die Grundmerkmale biologischer Systeme von Hill. ⁴² Im Weiteren wird auf die zehn bionischen Grundprinzipien von Werner Nachtigall näher eingegangen. Anhand seiner Gestaltungsregeln soll verdeutlicht werden, welche Prinzipien in der Konstruktionsphase beachtet werden sollten, wenn man die Vorteile der Evolution nutzen will. Dabei spielen vor allem energetische Aspekte eine wesentliche Rolle. Das heißt, Nachtigalls ⁴³ Regeln, integrierte statt additive Konstruktion, Optimierung des Ganzen statt Maximierung eines Einzelelements, Multifunktionalität statt Monofunktionalität, Feinabstimmung gegenüber der Umwelt, Energieeinsparung statt Energieverschleuderung, direkte und indirekte Nutzung der Sonnenenergie, zeitliche Limitierung statt unnötiger Haltbarkeit, Rezyklierung statt Abfallanhäufung, Vernetzung statt Linearität, Entwicklung im Versuchs-Irrtums-Prozeß, sind vor allem unter dem Blickwinkel der Energieeinsparung zu betrachten und werden gemäß Nachtigall im Folgenden erläutert. ⁴⁴

Prinzip 1: Integrierte statt additive Konstruktion

In der Technik wird eine Konstruktion aus Elementen additiv zusammengesetzt, wobei jedes Teil eine (Haupt)Funktion hat. Eine Schraubverbindung beispielsweise besteht aus Schraube, Mutter, Unterlegscheibe sowie Sprengring und jedes Teil hat eine bestimmte Funktion. In der Natur hingegen sind die Einzelelemente multifunktional und gehen fließend ineinander über, ohne dass Teil A und Teil B klar voneinander abgrenzt werden können. Zum Beispiel funktioniert die Speichelpumpe einer Wanze wie eine Kolbenpumpe. Allerdings sind die Elemente nicht additiv zusammengesetzt, sondern integriert. Der Übergang vom Kolben in die Dichtung und wo dieser in den Zylinder übergeht können nicht eindeutig bestimmt werden.

Prinzip 2: Optimierung des Ganzen statt Maximierung eines Einzelelements In der Biologie wird auf eine Maximierung von Einzelelementen verzichtet, da dies häufig Verschlechterungen für andere Teile mit sich bringt. Das Ziel ist eher eine Optimierung des Gesamtsystems. In der Technik hingegen liegt oft der Fokus auf der Maximierung der Funktion eines Elementes. Wie sinnvoll aber die Betrachtung des Gesamten ist, zeigt das Beispiel am Hämatokritwert (Volumenanteil roter Blutkörperchen) von Blut. Die Optimierung dieses Wertes ist abhängig von zwei widersprüchlichen Anforderungen. Zum einen kann mit einem

hohen Anteil mehr Sauerstoff transportiert werden, zum anderen sinkt bei einem kleinen An- die Blutzähigkeit, wodurch die Zirkulationsfähigkeit steigt und somit könnte in einer Zeiteinheit mehr Blut transportiert werden. Es ist also nicht wichtig die Sauerstoffbindungskapazität zu maximieren, sondern das Fließvermögen zu optimieren (siehe Darst. 7).

Darst. 7: Zusammenhang zwischen Hämatokrit H und Fließvermögen Q. Die experimentellen Kurven errei- ihren Höchstwert jeweils bei demjenigen Hämatokrit H ^natur , der tatsächlich gemessen worden ist. (Nachtigall, Vorbild Natur, 1997, S. 24.)

Prinzip 3: Multifunktionalität statt Monofunktionalität

Bei technischen Konstruktionen hat meist jedes Bauelement eine ganz bestimmte Aufgabe. In der Natur hat ein Bauelement oft mehrere Funktionen, die auch gegenläufig sein können und optimiert werden (vgl. Prinzip 2) oder eine Aufgabe muss in Zusammenarbeit mit anderen Elementen erfüllt werden (vgl. Prinzip 9). Hierzu das Beispiel der Eierschale einer Schmeißfliege. Die Eierschale besteht aus Chitin und muss die Anforderungen Stabilität, Elastizität, um lokale Verformungen abfedern zu können, Wasserdurchtritt in Form von Wasserdampf, jedoch kein Tropfwasser, sowie Gasdurchtritt von Kohlen- und Sauerstoff erfüllen. Durch eine raffinierte Ausformung des Chitins kommt hier die Natur mit nur einem Werkstoff aus.

Prinzip 4: Feinabstimmung gegenüber der Umwelt

In einem dauernden Prozess erfolgt die Feinabstimmung der Tiere und Pflanzen an ihre Umwelt. Die Greiffüße der Stein- und Fischadler verfügen über unterschiedliche Eigenschaften, da sie sich ihren individuellen Lebensbedingungen angepasst haben (siehe Darst. 8). Der Steinadler jagt vor allem felltragende Kleinsäuger und entwickelte damit gebogene sowie scharfe Krallen. Diese sind an der Unterseite sehr rau und verfangen sich im Fell. Der Fischadler hingegen fängt vorwiegend Fische und seine ebenfalls gebogenen Krallen sind an der Unterseite mit Noppen besetzt, durch die eine leichte Saugwirkung entsteht und sich die glit- schigen Fische besser halten lassen.

Darst. 8: Greiffüße bei Adlern (Nachtigall, Vorbild Natur, 1997, S. 26.)

Prinzip 5: Energieeinsparung statt Energieverschleuderung

Jedem Lebewesen steht für seine Lebenszeit nur eine bestimmte Energiemenge zur Verfü- gung. Daher ist es wichtig sie in allen Lebensvorgängen sparsam einzusetzen und im Gesamtsystem so wenig wie möglich zu verbrauchen. Ein Fisch könnte weniger Energie verbrauchen, wenn er langsamer schwimmt. Dies erhöht jedoch die Gefahr gefressen zu werden. Schwimmt er hingegen schneller, kann er weniger Eier legen und reduziert die Chance sich fortzupflanzen. Wenn der Fisch nun aber seinen Bewegungsapparat und den Eibildungsmechanismus so verfeinert, dass diese möglichst wenig Energie verbrauchen, kann er dem Dilemma entgegentreten. Auch dem Mensch wird ggf. langfristig eine beschränkte Gesamtenergiemenge zustehen und ihn somit vor die gleiche Problematik stellen.

Prinzip 6: Direkte und indirekte Nutzung der Sonnenenergie

Um sich aus dem in Prinzip 5 beschriebenen Energiedilemma zu befreien, nutzen Tiere und Pflanzen direkt oder indirekt die Sonnenenergie. Zum Beispiel wärmen Reptilien ihren Körper durch die direkte Sonnenstrahlung auf, Präriehunde profitieren von den sonneninduzierten Windbewegungen, die ihre Bauten belüften und für grüne Pflanzen stellt das Sonnenlicht einen Energiespender für die Photosynthese dar. Der Mensch hat ebenfalls schon begonnen die Sonne als Energiequelle, zum Beispiel mit Photovoltaikanlagen, zu nutzen, das Potential ist hier jedoch noch lange nicht ausgeschöpft.

Prinzip 7: Zeitliche Limitierung statt unnötiger Haltbarkeit

Die Natur baut nur so stabil wie wirklich nötig und bezieht sich auf die zu erwartende Lebensdauer. Es muss nicht unnötig langlebig oder stabil sein, wie es manchmal bei technischen Konstruktionen der Fall ist. Eine zeitliche Limitierung könnte zu Material- und Energieein- sparungen führen. Die Stinkmorchel, ein Pilz, muss ihren sporenbesetzten Kopf nur so lange

halten, bis Fliegen alle Sporen weggetragen haben. Dann ist er funktionslos und die tragende Masse, welche auf eine kurze Funktionszeit ausgerichtet ist, zerfällt vollständig.

Wird dies auf die Technik übertragen, könnte beispielsweise der traditionelle Ziegelbau durch eine Modulbauweise ersetzt werden. Die Module entsprechen dem aktuellen Stand der Technik u. a. hinsichtlich der Lichtnutzung und Wärmedämmung und bestehen aus leicht zu verbindenden und wieder zu trennenden Materialien. In 10, 20 oder 30 Jahren kann es dann vernünftiger sein, Module gegen andere, die dem neuen technischen Standard entsprechen, auszutauschen, anstatt die immobile veraltete Technologie weiter zu nutzen.

Prinzip 8: Rezyklierung statt Abfallanhäufung

Die Biologie kennt keinen Abfall. Stirbt ein Organismus zerfällt sein Material unter Beeinflussung von physikalischen Faktoren (Temperatur, UV-Strahlung) und Ablauf von organisch-chemischen und anorganisch-chemischen Reaktionen. Letztendlich stehen die Substanzen für einen neuen Aufbauprozess zur Verfügung. Analog dazu sollten Abfallprodukte einer Produktion die Ausgangsstoffe für eine Folgeproduktion sein.

Prinzip 9: Vernetzung statt Linearität

In der Natur ist die Vernetzung weitaus komplexer als in der Technologie des Menschen. Der hohe Komplexitätsgrad soll aber nicht abschrecken, denn die Biologie arbeitet oft statisch sowie unter Nutzung der Selbstorganisation und erzeugt dabei stabile Systeme. So ist etwa das ökologische Beziehungsschema 1 in Darst. 9 linear und verständlich, aber das Schema 2 ver- netzt und dennoch für einen gewissen Zeitraum stabil.

Darst. 9: Beziehungsschema der ökologischen Vernetzung eines Waldrandes (Nachtigall, Vorbild Natur, 1997, S. 34)

Prinzip 10: Entwicklung im Versuchs-Irrtums-Prozess

Während der Evolution finden kleine Veränderungen im Erbgut statt (Mutation), die bei einer Änderung der Umweltbedingungen die Anpassungsfähigkeit der Spezies beeinflussen. Diejenigen, die besser damit zurechtkommen, werden überleben und ihre Gene weitergeben (Selektion). Es wird zunehmend versucht die Evolutionsstrategie in der Technik, die eigentlich zielgerichtet konstruiert, nachzuahmen. Gerade wenn theoretische Kenntnisse fehlen, kann sich diese Strategie als erfolgreich erweisen. In den 60er Jahren verfügte die Wissenschaft noch nicht über das rechnerische Know-how eine Düse, durch die ein Fluidgemisch strömt, zu optimieren. Hans-Paul Schwefel verbesserte diese Düse nach dem Versuchs-Irrtums Prinzip, indem er eine Düse in mehr als 20 zufällige Sektoren zerschnitt und in zufällig gewählten Kombinationen den Wirkungsgrad testete. Ging eine Verbesserung hervor wurde die vorliegende Variante als Ausgangspunkt für weitere Veränderungen genommen. Schließlich wurde über 44 Zwischenstufen das Optimum erreicht.

Die beschriebenen zehn Prinzipien von Nachtigall orientieren sich an der Natur und stellen einen Anforderungskatalog an bionisches Design dar, welcher zu verbesserten Konstruktionen führen kann. ⁴⁵

2.3 Methodische Ansätze zur Übertragung in die Technik

Bionik befasst sich mit der Übertragbarkeit biologischer Phänomene auf die Technik, wobei betont werden muss, dass es sich hierbei keinesfalls um eine Kopie der Natur handelt, sondern um einen Transfer von Prinzipien, Funktionsweisen, Strukturen und Strategien. In diesem Abschnitt wird zuerst auf zwei unterschiedliche Herangehensweisen der Bionikforschung eingegangen. Dann werden verschiedene Ansätze der Methodenforschung von Zerbst und Hill erklärt sowie das bionische Vorgehensmodell von Gramann. Der Forschungsbedarf in diesem Bereich bleibt aber bestehen, da diese Ansätze in der Praxis bisher kaum Eingang fanden.

2.3.1 Prinzip der Analogie-Bionik und Abstraktions-Bionik

Es gibt zwei unterschiedliche Herangehensweisen bei der technischen Anwendung biologi- Vorbilder: Analogie-Bionik und Abstraktions-Bionik. Beim Ersteren liegt ein konkretes technisches Problem vor und Lösungsprinzipien werden in der Natur gesucht. Es wird dabei auch vom top-down Prinzip gesprochen, da hier ein Auftraggeber eine konkrete Aufgabenstellung erteilt und die Bioniker mit ihren naturwissenschaftlichen Kenntnissen in der Natur nach Analogien suchen. ⁴⁶ Ein Beispiel für diese Vorgehensweise ist ein Entwicklungsauftrag der Firma Solarenergie Stefanakis für einen transparenten und leichten Dämmstoff, wofür in der Natur nach einem Vorbild gesucht wurde und schließlich der Eisbär für eine Lösung Pate stand.

Die Abstraktions-Bionik hingegen greift allgemeine Prinzipien der biologischen Grundlagen- auf und abstrahiert diese so, dass ggf. unvorhersehbare und unter Umständen neuartige technische Innovationen hervorgebracht werden können, was dem bottom-up Prinzip entspricht. ⁴⁷ Ein Vertreter für dieses Vorgehen ist der Lotus-Effekt, da das Geheimnis der Selbstreinigung der Lotusblume von Forschern erst entschlüsselt und anschließend nach technischen Umsetzungsmöglichkeiten gesucht wurde.

In der Praxis wird hauptsächlich das bottom-up Prinzip angewendet. Eine konkrete Aufgaben- deren Lösung in der Natur gesucht wird, ist eher die Ausnahme. Knut Braun ⁴⁸ , der

Biokon-Koordinator für das Saarland, schätzt den Anteil der Analogie-Bionik auf circa 10 Prozent und ungefähr 90 Prozent der Bionikforschung entfallen auf die Abstraktions-Bionik.

Obwohl die Abstraktions-Bionik überwiegend angewendet wird, gibt es jedoch nur methodi- Ansätze der Analogie-Bionik, welche im Folgenden erläutert werden.

2.3.2 Methodischer Ansatz nach Zerbst

Ekkehard Zerbst griff die von Ingo Rechenberg in den 70er Jahren entwickelte bionische Suchstrategie auf und erweiterte diese um eine Sammlung biologischer Vorbilder, die nach technischen Kriterien geordnet ist. ⁴⁹

Nach diesem Vorgehensmodell (siehe Darst. 10 wird in einem ersten Schritt das Problem klar definiert und anschließend systematisch nach analogen Problemlösungen in der Natur gesucht. Dann wird die technische Funktion der biologischen Funktion eines potentiellen Vorbildes gegenübergestellt. Sind sich diese ähnlich, werden im nächsten Schritt die technischen und biologischen Randbedingungen verglichen. ⁵⁰ Sind auch diese in etwa analog, erfolgt eine Analyse der Eigenschaften, die die Leistung des Systems beeinflussen. Das heißt, die maß- geblichen Eigenschaften zum Überleben, die so genannten Gütekriterien, des technischen und biologischen Systems werden gegenübergestellt. Liegt hier ebenfalls eine Ähnlichkeit vor, erscheint die Vorlage der Natur für einen Transfer in die Technik aussichtsreich und es kann mit der Umsetzung begonnen werden. ⁵¹

Darst. 10 Schema einer bionischen Suchstrategie (Zerbst, Bionik, 1997, S. 29)

Allerdings hat diese Suchstrategie den Nachteil, dass sie den Lösungsraum sehr einengt. Denn nach dem obigen Schema sind biologische Vorlagen nur dann übertragbar, wenn sie ein fast genaues Abbild des zu entwickelnden technischen Systems sind oder sich zumindest die Randbedingungen sehr ähneln. Dies ist allerdings nur selten der Fall. Deshalb ist es ratsamer das biologische Vorbild zu abstrahieren, wobei der Grad der Abstraktion keine Rolle spielt, und es dann zu übertragen. 52

2.3.3 Methodischer Ansatz nach Hill

Die Vorgehensweise von Bernd Hill lässt sich in zwei Abschnitte unterteilen, die Zielbestim- und die Lösungsfindung. Ersteres verfolgt die Formulierung der Entwicklungsaufgabe

mit erfinderischer Zielstellung. Das heißt über weitere Unterpunkte, wie zum Beispiel die Un- der Markt- und Bedarfssituation, Durchführung einer Systemanalyse und Erfassung des Technikstandes, werden Widersprüche der Problemstellung erfasst. ⁵³ Diese Vorgehensweise zur Zielbestimmung, welche mit der von Altschuller entwickelten Methodik TRIZ und der davon abgeleiteten WOIS-Methodik eine intensive Verwandtschaft aufweist, ist prinzipiell unabhängig von der bionischen Lösungsfindung im zweiten Teil. ⁵⁴

Im zweiten Abschnitt, der Lösungsfindung, werden den widersprechenden Forderungen der Problemstellung Grundfunktionen zugeteilt. Hierfür wird das Orientierungsmodell biologischer Grundfunktionen genutzt, ⁵⁵ deren Ordnungsmerkmale Formen, Wandeln, Übertragen, Speichern, Sperren, Verbinden sowie Trennen sind und denen die Umsatzprodukte Stoff, Energie und Information gegenübergestellt werden (siehe Darst. 11. Hinter jedem Knotenpunkt sind entsprechende Darstellungen biologischer Systeme mit einer Abbildung und Funktionsmerkmalen hinterlegt. 56

Darst. 11 Ordnungssystem für Kataloge biologischer Strukturen (Auszug) (Hill, Bionik, 2001, S. 16)

Diese Sammlung mit 191 potentiellen biologischen Vorbildern mit einer Beschreibung biolo- und technischer Funktionen von Hill ⁵⁷ dient der Aufdeckung relevanter biologischer Strukturen mit ähnlichen Funktionsmerkmalen. Durch solch einen Assoziationskatalog kann die Kreativität des Problemlösers steigen und die technische Lösung planmäßig und nicht zufällig gefunden werden. ⁵⁸

In einem nächsten Schritt werden die für das Problem relevanten biologischen Vorbilder in einer Tabelle zusammengestellt und erste Lösungsansätze generiert. Diese werden dann in erste technische Konzepte übertragen. Dabei können die relevanten Merkmale variiert und kombiniert werden. Dann erfolgt eine Bewertung der Lösungselemente und schließlich wird ein technisches Lösungskonzept ausgearbeitet. ⁵⁹

Der entwickelte Katalog von Bernd Hill bietet Technikern erstmals ein Werkzeug für die Analogiesuche in der Natur. Allerdings fehlen oft Beschreibungen, die erklären, warum sich eine Struktur gerade so entwickelt hat sowie der Einbezug von Randbedingungen. So stellt der Katalog, trotz seines positiven Ansatzes zur Findung von Analogien, keine Unterstützung für eine weitere Informationsbeschaffung dar, die bei einer Umsetzung in die Technik erforderlich ist. ⁶⁰

Außerdem verteilen sich die 191 biologischen Systeme, die der Katalog enthält, auf die Kno- der Ordnungsmerkmale und Umsatzprodukte und ergeben so für eine spezifische Problemstellung nur eine geringe Auswahl an Analogien aus der Natur. Dies kann bei der Lö- sungsfindung zu Standardlösungen führen. 61

2.3.4 Methodischer Ansatz nach Gramann

Jens Gramann, am Lehrstuhl für Produktentwicklung an der TU München, entwickelte mit seinen Studenten, ein aus Fallstudien resultierendes, bionisches Vorgehensmodell. Dieses Modell besteht aus den Handlungsschritten Formulieren des Suchzieles, Zuordnung biologischer Systeme, Analyse der zugeordneten Systeme und technische Umsetzung, wie in der folgenden Darstellung erkennbar.

Darst. 12 Bionischer Vorgehenszyklus

(Gramann, Problemmodelle und Bionik als Methode, 2004, S. 98.)

Entsprechend der Analogie-Bionik steht auch hier eine konkrete Aufgabenstellung bzw. Ziel- am Anfang. Diese kann z. B. eine bestimmte Funktion oder gemeinsame Randbedingungen darstellen. Sie sollte möglichst abstrakt formuliert werden, um die Trefferquote zu erhöhen, da die Formulierung des Suchzieles die Basis festlegt, zu der die Systeme der Natur zugeordnet werden. Bei der Suche nach biologischen Vorbildern kann heterogenes biologisches Grundwissen eines Teams ausreichen um Ansätze zu generieren, es sind dabei nicht immer Experten nötig. Alternativ kann auch die Literaturrecherche von allgemeinen Biologiebüchern und Schulbüchern zum Ziel führen. Wenn nun einige biologische Systeme der Problemstellung zugeordnet werden konnten, erfolgt im nächsten Schritt die Analyse dieser Systeme. Dabei stößt die Allgemeinbildung allerdings an ihre Grenzen, da hier Detailwissen erforderlich ist und der Frage nach dem Warum nachgegangen wird. In dieser Phase ist also Spezialwissen notwendig, was durch Experten, das Internet oder weiterführender Literatur erschlossen werden muss. Die Analyse endet mit einer Bewertung der Übertragbarkeit der Systeme. Ist diese sinnvoll, erfolgt die technische Umsetzung. Alternativ wird die Suche fortge-

setzt und festgestellt, ob die Wahl des Abstraktionsgrades angemessen ist. Wurde der Abs- richtig gewählt, wird die Formulierung des Suchzieles überprüft. Je nachdem, ob die Zielformulierung angemessen war oder nicht, folgt eine erneute Formulierung bzw. weitere biologische Systeme werden ihr noch zugeordnet, wenn die Palette der Naturvorbilder noch nicht erschöpft ist. Danach erfolgt eine erneute Analyse. ⁶²

Die Informationsbeschaffung spielt beim bionischen Vorgehensmodell eine wichtige Rolle und stellt eine schwierige sowie zeitaufwendige Aufgabe dar. Denn in Biologiebüchern wird meistens lediglich die Natur beschrieben und Erläuterungen über Funktionen der beschriebenen Systeme sind oberflächlich oder gar nicht vorhanden. Auch der Zugang zu diesen Informationen ist schwierig, da sich in den Stichwortverzeichnissen der Biologieliteratur nicht der funktionsorientierte Ansatz der Technik widerspiegelt, sondern eine Logik, die dem biologischen Vorgehen entspricht. ⁶³