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Bionik - Lernen von der Natur
Bionik als wissenschaftliche Methode beschäftigt sich mit
der Anwendung biologischer Prinzipien in der Technik. Natürliche
Lösungen sind oft in verblüffender Weise an die Anforderungen
ihrer Umwelt angepasst und optimiert. Diese Konstruktions-, Verfahrens-
und Entwicklungsprinzipien können in vielen technischen Gebieten
angewandt werden.
Der Begriff Bionik (im englischsprachigen Raum bionics oder biomimetics)
setzt sich aus der ersten Silbe des Wortes "Biologie"
und der zweiten Silbe des Wortes "Technik" zusammen, wodurch
schon eine grundsätzliche Definition der Forschungsrichtung
gegeben ist. Geprägt wurde der Begriff "bionics"
1958 von J.E. Steele, wobei für ihn das "Lernen der Technik
von der Natur" im Vordergrund stand. Heute werden dem Vorschlag
W. Nachtigalls folgend - zumindest im deutschsprachigen Raum - die
komplementären Forschungsansätze der Technischen Biologie
und der Bionik unterschieden. Die Technische Biologie beschäftigt
sich mit der Erforschung des Form-Struktur-Funktions-Zusammenhangs
lebender Organismen unter der Verwendung physikalischer und technischer
Methoden, d.h., hier findet ein (Methoden-)Transfer von der Technik
in die biologische Forschung statt. In der Bionik hingegen wird
versucht, Verfahren, Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien der
Natur in technische Anwendungen umzusetzen; hier findet in umgekehrter
Richtung ein (Erkenntnis-)Transfer von der Biologie in die Technik
statt. Es muss hierbei betont werden, dass in der Bionik keine identischen
Kopien von der Natur zur Technik möglich sind, sondern dass
es sich um ein häufig über mehrere Abstraktions- und Modifikationsprozesse
laufendes kreatives Umsetzen in die Technik handelt, d.h. um ein
eigenständiges Weitergestalten, welches eher ein durch die
Natur angeregtes "Neuerfinden" darstellt als eine "Blaupause"
der Natur.
Speck, T. (1999): Bionik; in: Lexikon der Biologie, Band 2; Spektrum
Akademischer Verlag; Heidelberg
Bionik stellt also ein Werkzeug oder eine Methode dar, die bei
technischen Problemen eine Hilfestellung leistet. So kann sie auch
zur Auffindung konstruktiver oder organisatorischer Lösungen
im Bereich der umweltgerechten Produktgestaltung eingesetzt werden.
Laufende Projekte
Bionische Optimierung der Strohschraube für das S-House:
Für die Befestigung verschiedenster Bauteile an Strohballen
ist es nötig, die Kräfte optimal abzuleiten. Da gepresstes
Stroh ein relativ grobes, ungeordnetes Material darstellt, war die
Entwicklung eines Konstruktionselementes nötig, das auf diese
Eigenschaften abgestimmt ist. Sowohl Biege- und Scherkräfte
wie auch Zugbelastungen müssen in den Strohballen eingeleitet
werden können. Auf der Basis dieser Anforderungen wurde eine
spezielle Schraube entwickelt, die einfach zu montieren ist und
aus Nachwachsenden Rohstoffen besteht. Für die Formgebung wurde
das von Prof. Mattheck entwickelte Computer Aided Optimization-Verfahren
(CAO) eingesetzt. Dieses bionische Optimierungsverfahren ermöglicht
eine Spannungsminimierung im Bauteil und führt somit zu einer
Verbesserung der Festigkeitseigenschaften.
Biologische Schmierung im Nanobereich:
In der Tribologie (Reibungslehre) treten zunehmend Probleme auf,
die sich auf den Nanometerbereich beziehen. Deshalb ist es sinnvoll
biologische Systeme zu betrachten, die in dieser Größenordnung
funktionieren und zudem aus biologisch abbaubaren Stoffen, die im
Kreislauf geführt werden, bestehen.
In diesem Zusammenhang sind Kieselalgen (Diatomeen) eine interessante
Organismengruppe. Sie sind klein und weisen ein starres Außenskelett
auf, das durch verschiedene Bewegungsabläufe Reibungskräften
ausgesetzt ist. Erste AFM-Untersuchungen (Atomic Force Microscope)
zeigen interessante Strukturen an Stellen wo Relativbewegungen stattfinden.
Gebeshuber I.C., Drack M., Stachelberger, H. "Diatom bionanotribology
- Biological surfaces in relative motion: their design, friction,
wear and lubrication.", J. Nanosci. Nanotechnol., in preparation
Abgeschlossene Projekte
Bionik und Ecodesign
In der Diskussion über eine Nachhaltige Entwicklung bei der
Gestaltung von Produkten und Dienstleistungen (Ecodesign) tauchen
immer wieder Begriffe wie erneuerbare Ressourcen, Energieeffizienz
und Recycling auf. Zudem wird davon ausgegangen, dass alle diese
Dinge und Vorgänge auch in der Biosphäre zu finden sind.
Den biologischen Systemen wird also Nachhaltigkeit unterstellt.
Wenn das so ist, dann sollte man sich daranmachen, die dahinter
stehenden Prinzipien genauer zu untersuchen, auch im Hinblick auf
die Materialverwendung.
Einen ersten Schritt in diese Richtung wurde im Rahmen einer Dissertation
zum Thema Bionik und Ecodesign gemacht.
In der Arbeit wurden strukturelle Biomaterialien wie Knochen, Holz,
Horn und Chitin untersucht. Das Ziel war es, Prinzipien und Korrelationen
zwischen dem Energieaufwand, der von Organismen zum Aufbau von Materialien
geleistet werden muss, und deren Einsatzdauer zu finden. Zudem wurden
Zusammenhänge zwischen diesen beiden Parametern und der Dauer
des Recyclings untersucht. Theoretisch sollten Organismen - überall,
wo dies möglich ist - Energie effizient einsetzen, daher kann
angenommen werden, dass Materialien mit hohem Energieinhalt auch
lange eingesetzt werden. In vielen Fällen trifft das zu, aber
nicht immer. Die Zeiträume, in denen Biomaterialien in Funktion
stehen, sind sehr unterschiedlich mit Extremen von wenigen Tagen
bis zu tausenden Jahren. Auch die Energie, die zum Aufbau von Materialien
eingesetzt werden muss, variiert stark, u.a. weil einige Organismen
Vorleistungen von anderen nutzen können. Es wurde auch erwartet,
dass Materialien mit hohem Energieinhalt eher strukturerhaltend
recycliert werden als andere.
Tatsächlich stellte sich jedoch heraus, dass keine statistisch
signifikanten Korrelationen zwischen den drei untersuchten Parametern
gefunden werden konnten. Dennoch lassen einige Prinzipien, die im
Zusammenhang mit der Materialverwendung in der Biologie nachgewiesen
wurden, Rückschlüsse für eine Nachhaltige Entwicklung
zu.
M. Drack (2002): Bionik und Ecodesign - Untersuchung biogener Materialien
im Hinblick auf Prinzipien, die für eine umweltgerechte Produktgestaltung
nutzbar sind; Dissertation, Universität Wien
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