Historische Wurzeln und Entwicklungswege der Bionik


Studienarbeit, 2019
16 Seiten, Note: 2,3

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen

3 Bionik in der Gegenwart
3.1 Entwicklungsfelder
3.1.1 Konstruktionsbionik
3.1.2 Verfahrensbionik
3.1.3 Evolutionsbionik
3.1.4 Informationsbionik
3.2 Verknüpfungen zwischen den Entwicklungsfeldern

4 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schlagflügel von Leonardo da Vinci

Abbildung 2: Der Unterwasserrumpf der Baker-Galeone

Abbildung 3 Wiesenbocksbart und Konstruktionszeichnung des Cayley-Fallschirms

Abbildung 4 Verknüpfungen der einzelnen Teildisziplinen untereinander

1 Einleitung

Die Evolution brachte laut Schätzungen eine Anzahl von 20 bis 200 Mio. Tier- und Pflanzenarten hervor. Davon sind allerdings nur ca. 2,5 Mio. Arten bekannt. Jede Art hat sich an spezifische Umweltbedingungen durch Mutation, Rekombination und Selektion angepasst. In der Bionik sind biologische Vorbilder Inspiration für neue Innovationen. Dazu bietet die biologische Vielfalt einen riesigen Ideenpool. Generelle Trends sind in der Evolution nicht belegbar. Jedoch entwickelten sich bei einigen Arten gleiche Lösungen, wie bspw. der laminarspindelförmige Körperbau der Schnellschwimmer Hai, Delfin, Pinguin und Schwertfisch.1 „Solche von der Natur mehrfach gefundenen Lösungen sind als Basis für eine Übertragung in technische Neuerungen besonders attraktiv. Sie haben sich offensichtlich trotz unterschiedlicher Startbedingungen bei gleichen Randbedingungen als stabile, effiziente und zwingende Lösung erwiesen.“2 Tatsächlich hat sich bereits eine große Anzahl bionischer Produkte am Markt etabliert. Immer mehr Unternehmen nutzen Bionik in der Produktentwicklung.3

Die Bionik verspricht demnach, Lösungen aus der Natur für verschiedene Arten von Problemen liefern zu können. Welches Spektrum bionischer Forschung und Entwicklung ist erkennbar?

Dieses Assignment soll einen Überblick über die bisherigen Erfolge der Bionik verschaffen. Dazu werden das Prinzip sowie einige historische und gegenwärtige bionische Entwicklungen betrachtet.

Nach der Erläuterung des Begriffs sowie der Vorstellung der Wurzeln der Bionik geht es im Hauptteil um gegenwärtige Entwicklungen. Neben den Entwicklungsfeldern werden ihre Verknüpfungen untereinander beschrieben. Ferner werden praktische Beispiele zu den Entwicklungsfeldern genannt.

2 Grundlagen

Für den Begriff existieren verschiedene Definitionen. Hartnäckig hält sich die Ansicht, dass der Begriff „Bionik“ ein Kunstwort aus Biologie und Technik ist. „Historisch handelt es sich eigentlich um einen eingedeutschten englischen Begriff; „bionics“, eine Sache, bei der es um Lebewesen geht. […] Doch kann dieser Kunstbegriff stehen bleiben, der so suggestiv ist und im Grunde die Sache ja auch trifft.“4 Bionik wird im englischen mit „biomimetics“ (deu. Biomimetik) übersetzt. Weitere Synonyme für Bionik sind „biologisch- inspiriert“, „Biomimikry“ (engl. biomimicry) und „Biomimese“ (engl. biomimese).5, 6 Biomimetik fasst vor allem werkstoffliche Entwicklungen zusammen; bionics integriert Aspekte von Prothetik und Enhancement (deu. Verbesserung menschlicher Fähigkeiten);7 Häufig werden die anwendungsbezogenen Biowissenschaften Bionik und Biotechnologie verwechselt. „Unter Biotechnologie versteht man die Nutzung von (genetisch veränderten) Lebewesen (Bakterien, Einzeller, Pilze, Pflanzen, Tiere) oder von bestimmten „Lebensfunktionen“ ausübenden (biochemischen) Bestandteilen dieser Lebewesen, wie z.B. Enzymen, für die Produktion gewünschter Stoffe oder den Abbau unerwünschter Substanzen.“8 Die Bionik hingegen benutzt keine lebenden Systeme oder biotisches Material.9 In der Wissenschaftsdisziplin Bionik „… hilft die Biologie der Technik insofern […], als sie die Vorbilder der Natur für eine technische Umsetzung analysiert und abstrahiert und dem Ingenieur allgemeine Konstruktionsvorschläge unterbreitet. Diese führen von der biologischen Erkenntnis in die technische Anwendung hinein.“10 Die Erforschung der Natur unter strukturfunktionellen Aspekten ist Aufgabe der Technischen Biologie. Die Bionik setzt die dadurch gewonnen Erkenntnisse in die Technik um.11 „Als Technische Biologie wird die quantitative Analyse von Form-Struktur-Funktions- Zusammenhängen lebender Organismen mit Hilfe methodischer Ansätze aus Physik, Chemie, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften bezeichnet.“12 Das bloße Kopieren natürlicher Lösungen garantiert keine erfolgversprechenden Ergebnisse. Wichtig ist das Erkennen von Details und Zusammenhängen unter Berücksichtigung der Randbedingungen des natürlichen Vorbildes und in der technischen Umsetzung.13

Die Wurzeln der Bionik reichen bis in das frühe 16. Jahrhundert zurück. Leonardo da Vinci (1452 - 1519) war als Künstler, Philosoph und Naturwissenschaftler ein Universalgenie sowie einer der ersten Bioniker. Intensiv studierte er den Vogelflug. Aus diesen Erkenntnissen entwarf er mehrere Fluggeräte, Hubschrauber und Fallschirme.14

„Seine Erkenntnisse daraus überlieferte er 1505 in seinem klassischen Werk „Sul vol degli uccelli“ der Nachwelt.“15 In Abbildung 1 ist eine Aufzeichnung zum Vogelflug abgebildet. Bildteil A (links) enthält die aufgezeichnete Beobachtung der Biologie, also der Vogelflügel. Während des Abschlags überlappen sich die Federn des Flügels vollständig (links, oben). Der Vogel stößt sich damit am Luftpolster unter dem Flügel ab. Beim Aufschlag findet eine Durchströmung durch Schlitze zwischen den Federn statt (links, unten). Da Vinci entwickelte daraus ein technisches System von Klappen (Bildteil B). Beim Abschlag werden die Klappen durch den Druck von unten zugedrückt. Es entsteht eine geschlossene Fläche (rechts, oben). Beim Aufschlag öffnen die Klappen und Luft kann durch den Flügel durchströmen (rechts, unten).16 Der türkische Gelehrte Hezarfen Ahmed Celebi (1609 - 1649) ließ sich von da Vinci's Vogelflug inspirieren. Mit seinem eigens entwickelten Fluggerät flog er 1647 vom Galataturm in Istanbul über den Bosporus nach Uskudar.17

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schlagflügel von Leonardo da Vinci18

Die englische Seeflotte konnte sich ab dem Jahr 1590 mit der Baker-Galeone19 gegen die spanischen Schiffe durchsetzen. Die Baker-Galeone besaß eine bessere

Manövrierbarkeit und einen niedrigeren Wasserwiderstand. Baker ließ sich von den Fischen Dorschkopf und Makrelenschwanz inspirieren20, s. Abbildung 2. Schnell schwimmende Fische besitzen strömungsoptimierte Rümpfe. Diese optimierte Fischform großer Meeresfische (im Bild links) zeichnete Baker in eine damalige Galeone ein und baute die Baker-Galeone mit einem entsprechenden Rumpf (im Bild rechts).21

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Der Unterwasserrumpf der Baker-Galeone22

1829 entwickelte der englische Aeronautiker Sir George Cayley (1773 - 1857) ein erstes Fallschirmmodell. Als natürliches Vorbild diente ihm der Wiesenbocksbart, s. Abbildung 3 links. Ein Merkmal einer Diaspore ist der tief liegende Schwerpunkt der Frucht. Diese verhindert ein Umkippen bei Windstößen und sorgt damit für Stabilität. Weiterhin bilden die Hüllblätter eine konvex nach außen gewölbte Fläche. Es entsteht eine tragende Auftriebsfläche. Aus diesen Erkenntnissen baute er einen Fallschirm (im Bild rechts). Der Schwerpunkt war weit unten und die Tuchfläche zog er an den Außenrändern nach oben.23, 24

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Wiesenbocksbart und Konstruktionszeichnung des Cayley-Fallschirms25

3 Bionik in der Gegenwart

Die Bionik ist in der Gegenwart in vielen Bereichen präsent. Im Jahr 2001 entstand bspw. das Bionik-Kompetenznetz BIOKON, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde. Die Förderung lief bis 2012 und unterstützte die anwendungsnahe Forschung in der Bionik durch Verbundprojekte von Universitäten mit Industriebeteiligung.26 „Die unterschiedlichen Forschungs- und Anwendungsfelder der Bionik werden je nach Autor in unterschiedliche Komplexe zusammengefasst.“27

3.1 Entwicklungsfelder

Werner Nachtigall's vorgeschlagene Einteilung ist weit verbreitet. Er unterteilt in Konstruktions-, Verfahrens-, Informations- und Evolutionsbionik.28 Im Folgenden wird diese Teilung übernommen und innerhalb der genannten Entwicklungsfelder die Teildisziplinen kurz vorgestellt und mit Beispielen erläutert.

3.1.1 Konstruktionsbionik

Innerhalb dieses Gebietes sind die Teildisziplinen einsortiert, in denen „konstruiert“ wird.

Materialien: Während sich die Entwicklung technischer Materialien in der Regel auf wenige Funktionen beschränkt, sind biologische Materialien häufig multifunktional. Ferner unterscheiden sich biologische von technischen Materialien durch das biologische Wachstum. Es findet auch eine ressourcenschonendere Verwendung statt. Weiterhin sind biologische Materialien in der Regel vollständig abbaubar und werden dem natürlichen Stoffkreislauf zugeführt. Die genetisch begrenzte Nutzungsdauer stellt jedoch eine große Herausforderung für technische Produkte dar. Denn diese sollen häufig möglichst langlebig sein.29

Ein Beispiel für bionische Materialien sind die selbstschärfenden Zähne von Nagetieren. Die Zähne bestehen aus einem Grundkörper aus weichem Dentin und einem dünnen Zahnschmelz an der Zahnvorderseite. Der Zahnschmelz bildet dabei eine erhabene Schneidkante heraus und schützt so den Verschleiß des Dentins. Zudem bildet sich der Zahnschmelz immer wieder aus. So heilen kleinere Defekte selbstständig an der Schneidkante wieder aus. Die Firma Rodentics hat ein bionisches selbstschärfendes Messer nach dem Vorbild der Nagetierzähne entwickelt. Für den Grundkörper wurden konventionelle und pulvermetallurgische Stähle verwendet. Die als Schneide fungierende Schicht entsteht durch einseitige Härtungs- und Beschichtungsprozesse. Als Resultat entstand ein Messer mit einen permanenten Schneidkantenradius von ca. 1 µm, das schockbeständig und dauerhaft scharf ist.30

We rkstoffe: Natürliche Werkstoffe vereinen häufig verschiedene Eigenschaften und Funktionen in einem Material.31 Die materialwissenschaftliche Forschung verfolgt u.a. das Ziel, „... organisch-anorganische Hybridmaterialien mit vergleichbarer Struktur wie in der Natur vorkommende Biomineralien und -keramiken technisch herzustellen.“32

Ein Beispiel für bionische Werkstoffe sind selbstheilende Werkstoffe. Milchsaftführende Pflanzen wie der Ficus benjamina besitzen die Eigenschaft, eine Beschädigung der äußeren Rinde selbst zu heilen. Dabei tritt Milchsaft an der Schadstelle aus, härtet und stabilisiert diese. In der Technik wurde dieses Prinzip durch die ionische Modifizierung von Nitril-Butadien-Rubber (NBR) umgesetzt. Verwendet wurden Natrium-, Zink- oder Aluminium-Ionen. Bruch-Tests ergaben eine 100-prozentige Wiederherstellung der ursprünglichen mechanischen Kennwerte unter festgelegten Bedingungen: 24-stündige, drucklose Lagerung bei 55°C.33

Prothetik: In der bionischen Prothetik wird vollwertiger Ersatz für Glieder und Organe entwickelt. Diese werden in den biologischen Körper integriert und sollen mit seinem Nervensystem interagieren.34

Göttinger Wissenschaftler der Förderinitiative "Nationales Netzwerk Computational Neuroscience" entschlüsselten die Gehirnaktivitäten für bestimmte Handbewegungen. Die im Gehirn geplanten Bewegungen werden als elektrische Signale an einem Armstumpf gemessen und drahtlos an einen Computer gesendet und dekodiert. Eine von den Wissenschaftlern entwickelte Prothese erhält die dekodierten Signale und führt die geplanten Bewegungen aus.35 „Die Nutzer dieser „intelligenten“ Prothesen können ihren Arm viel natürlicher bewegen und zum Beispiel mit einem Tennisball auf einer Tischplatte spielen.“36

[...]


1 vgl. Bertling, J., Bionik als Innovationsstrategie, S. 154 f.

2 Bertling, J., Bionik als Innovationsstrategie, S. 155.

3 vgl. Niebaum, A. Dr./Seitz, H. Dr., VDI ZRE Publikationen, S. 9.

4 Nachtigall, W./Pohl, G., Bau-Bionik, S. 1.

5 vgl. Niebaum, A. Dr./Seitz, H. Dr., VDI ZRE Publikationen, S. 14.

6 vgl. Speck, T./Erb, R., Prozessketten in Natur und Wirtschaft, S. 96.

7 vgl. Bertling, J., Bionik als Innovationsstrategie, S. 153.

8 Speck, T./Erb, R., Prozessketten in Natur und Wirtschaft, S. 97 f.

9 vgl. Grunwald, A., Technikzukünfte, S. 179.

10 Nachtigall, W., Bionik als Wissenschaft, S. 144.

11 vgl. Glaeser, G./Nachtigall, W., Evolution biologischer Makrostrukturen, S. 151.

12 Speck, T./Erb, R., Prozessketten in Natur und Wirtschaft, S. 96.

13 vgl. Küppers, E. W., Systemische Bionik, S. 3.

14 vgl. Piccottini, P., Natur als Vorbild, S. 79.

15 Piccottini, P., Natur als Vorbild, S. 79.

16 vgl. Nachtigall, W./Wisser, A., Bionik in Beispielen, S. 3.

17 vgl. Bertling, J., Bionik als Innovationsstrategie, S. 141.

18 vergleiche Nachtigall, W./Wisser, A., Bionik in Beispielen, S. 3.

19 Benannt nach dem englischen Schiffsbauer Matthew Baker

20 vgl. Piccottini, P., Natur als Vorbild, S. 79.

21 vgl. Nachtigall, W./Wisser, A., Bionik in Beispielen, S. 4.

22 vergleiche Nachtigall, W./Wisser, A., Bionik in Beispielen, S. 4.

23 vgl. Piccottini, P., Natur als Vorbild, S. 80.

24 vgl. Nachtigall, W./Wisser, A., Bionik in Beispielen, S. 6.

25 in Anlehnung an Piccottini, P., Natur als Vorbild, S. 80 f.

26 vgl. Niebaum, A. Dr./Seitz, H. Dr., VDI ZRE Publikationen, S. 11.

27 Lenzen, M., Bionik/Ingenieurswissenschaften, S. 221.

28 vgl. Lenzen, M., Bionik/Ingenieurswissenschaften, S. 221.

29 vgl. Luther, W. Dr./Beismann, H. Dr./Seitz, H. Dr., Nanotechnologie in der Natur, S. 23.

30 vgl. Bertling, J., Bionik als Innovationsstrategie, S. 177.

31 vgl. Luther, W. Dr./Beismann, H. Dr./Seitz, H. Dr., Nanotechnologie in der Natur, S. 28.

32 Luther, W. Dr./Beismann, H. Dr./Seitz, H. Dr., Nanotechnologie in der Natur, S. 28.

33 vgl. Bertling, J., Bionik als Innovationsstrategie, S. 175 f.

34 vgl. Lenzen, M., Bionik/Ingenieurswissenschaften, S. 222.

35 vgl. BMBF, Fortschritt durch Forschung und Innovation, S. 32.

36 BMBF, Fortschritt durch Forschung und Innovation, S. 32.

Ende der Leseprobe aus 16 Seiten

Details

Titel
Historische Wurzeln und Entwicklungswege der Bionik
Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Veranstaltung
Interdisziplinäre Kompetenz
Note
2,3
Autor
Jahr
2019
Seiten
16
Katalognummer
V495230
ISBN (eBook)
9783346003539
ISBN (Buch)
9783346003546
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Bionik, Biomimikry, Biomimese
Arbeit zitieren
Andree Horch (Autor), 2019, Historische Wurzeln und Entwicklungswege der Bionik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/495230

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