Biologie und Technik – Zwei Welten wachsen zusammen

Lernen von der Natur

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Was haben Dachziegel, Sommerreifen und Schwimmanzüge gemeinsam? Nichts, meinen Sie. Doch! Ihre Funktion wurde mithilfe der Bionik erheblich verbessert. Beim Dachziegel stand die Lotusblume Pate, beim Sommerreifen die Katzenpfote und beim Schwimmanzug die Haihaut. Aber nicht nur im alltäglichen Leben verbessert die Bionik die Produkteigenschaften. Auch bei Industrieprodukten hilft die Natur kräftig mit, wie einige Beispiele zeigen.

Leonardo da Vinci (1452-1519) war nicht nur Künstler, Philosoph und Naturwissenschaftler, das Universalgenie war auch der erste Mensch, der sich mit der Bionik beschäftigte. Er studierte den Flug der Vögel und konstruierte anschließend Fluggeräte, Hubschrauber und Fallschirme. Auch der Engländer Matthew Baker (1530-1617) hatte sich von der Natur inspirieren lassen. Er entwickelte nach dem Sieg der Engländer über die spanische Armada wendigere und schnellere Schiffe nach dem Vorbild von Dorschkopf und Makrelenschwanz. Otto Lilienthal (1848-1896) ist ebenfalls einer der Vorreiter der Bionik und sein Buch „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst“ ist der Klassiker der bionischen Literatur. Das wohl bekannteste, von der Natur ins-pirierte Produkt ist der Klett-Verschluss. 1948 entdeckte der Schweizer Wissenschaftler Georges de Mestral (1907-1990) das Funktionsprinzip, als er und sein Hund von einem Jagdspaziergang voller Kletten zurückkamen. Unter dem Mikroskop untersuchte er den Haltemechanismus, den er schließlich als Produkt unter dem Namen Velcro patentieren ließ.

Biologie und Technik kombinieren
Das Wort Bionik kombiniert die Begriffe Biologie und Technik. Als Wissenschaft beschäftigt sich die Bionik mit der Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihrer innovativen Umsetzung in die Technik. Im Laufe der Evolution hat die Natur viele optimierte Lösungen für bestimmte mechanische, strukturelle oder organisatorische Probleme entwickelt. Die Bionik analysiert diese vorhandenen natürlichen Lösungen zunächst. Anschließend können die gefundenen Prinzipien aufbereitet und in einer abstrahierten Form der Technik zugänglich gemacht werden. Die Bionik gliedert sich in Unterbereiche wie beispielsweise die Konstruktionsbionik (Konstruktionen der Natur), die Verfahrensbionik (Vorgehensweisen oder Verfahren der Natur) und die Informationsbionik (Datenübertragungs-, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien).
Sind die biologischen Lösungen erkannt und die abstrahierten Prinzipien erfolgreich kommuniziert, dann sind die möglichen technischen Anwendungen vielfältig und im Einzelnen nicht absehbar. Die Selbstreinigung nach dem Vorbild der Lotuspflanze (Lotus-Effekt) kann beispielsweise auf so unterschiedliche Dinge wie Fassadenfarben, Dachziegel oder Textilien übertragen werden. In den letzten Jahren sind auch zahlreiche „Tricks“ aus der Natur in die Verfahrenstechnik eingeflossen.
Rattenscharfe Messer
Forscher der Universität Witten/Herdecke und des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) haben das Rattengebiss genauer unter die Lupe genommen, um dem Geheimnis der Schneidekraft auf die Spur zu kommen. Der Anatom Wolfgang H. Arnold von der Universität Witten/Herdecke, Peter Gängler vom Lehrstuhl für Konservierende Zahnheilkunde und Marcus Rechberger vom Fraunhofer-Institut Umsicht haben entdeckt, wie man sich die lebenslang nachschärfenden Zähne der Nager für industrielle Schneide- und Zerkleinerungsverfahren nutzbar machen kann. Das überraschende Ergebnis der Studie war, dass die Regel „hart schneidet gut“ nicht stimmt. Stattdessen gilt: Schneide- und Zerkleinerungswerkzeuge sind widerstandsfähiger, wenn sie über eine bestimmte Komposition von Materialien mit unterschiedlichen Härtegraden verfügen. Im Rasterelektronenmikroskop wurde das Geheimnis der Rattenzähne dann deutlich: sie sind innen weicher als außen und können die beim Nagen auftretenden hohen Scherkräfte besser ausgleichen. Das führt zu einer geringeren Abnutzung. Anders als beim Menschen, sind die Nagerzähne nicht vollständig mit Schmelz überzogen. Sie besitzen nur an ihrer Vorderseite eine hufeisenförmige, sehr dünne und harte Schmelzlamelle. Dahinter sitzt das weichere Zahnbein. Dieses, den Zahn mechanisch stabilisierende Dentin, wird beim Nagen bevorzugt abgerieben, wodurch stets eine messerscharfe Schmelzkante hervorsteht.
Elastische Dichtungen
Das Resilin treibt Forschern den Schweiß auf die Stirn: das ultraelastische Molekül sorgt dafür, dass Flöhe Weltmeister im Weithüpfen sind und dass Insektenflügel sich bis 500 Mio. Mal im Laufe eines Lebens ohne Abnutzungserscheinungen bewegen lassen. „Elastisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Material gestreckt werden kann, ohne seine Elastizität zu verlieren“, erklärt der Biochemiker Chris Elvin von Csiro Livestock Industries im australischen St. Lucia, der am Projekt zur Schaffung von künstlichem Resilin arbeitet. Das Forschungsteam hat zur Herstellung von künstlichem Resilin einen Teil der Resilin-Gene der Fruchtfliege Drosophila in ein Escherichia Coli Bakterium geschleust. Daraus entstanden einige Gramm des Pro-Resilin-Proteins, einem direkten Vorprodukt des Gummi-Moleküls selbst. Die Wissenschaftler vermengten Pro-Resilin mit einem Ruthenium-Katalysator unter Licht. Dieses verknüpfte die Teile der Aminosäure Tyrosin mit den Molekülen. Nach nur 20 Sekunden verwandelte sich die Flüssigkeit in einen festen gummiartigen Stoff, der genau die gleichen Eigenschaften aufwies wie das natürliche Resilin. Obwohl die Gene, die zur Herstellung des Resilins in der Fruchtfliege bereits identifiziert waren, war der genaue „Code“ zur Herstellung des Materials unbekannt. Die australischen Forscher haben diese Abschnitte entdeckt.
Resilin war von anderen Insekten her bereits bekannt. Der Bionikexperte Stanislav Gorb vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung hatte vor einigen Jahren Libellen untersucht, um hinter die Geheimnisse der geschickten Flugfähigkeiten zu kommen. Dabei stieß er auch auf das elastische Protein. „Der wahrscheinlich beste Einsatzbereich des Resilins wird in der Herstellung von Dichtungen im feuchten Milieu sein“, erklärt Gorb.
Selbstheilende Rohre
Für eine bereits im Einsatz befindliche Technologie diente der Mensch als Vorbild. Verletzt sich ein Mensch, sorgen die Thrombozyten, auch Blutplättchen genannt, dafür, dass die Verletzung der Blutbahn wieder geschlossen wird. Dieses Prinzip hat sich das englische Unternehmen Brinker Technology zunutze gemacht und seine Platelet-Technologie entwickelt. Ähnlich einer Blutbahn werden einem Rohrleitungssystem spezielle Plättchen zugegeben. Tritt eine Leckage in der Rohrleitung auf, lagern sich die Plättchen an der undichten Stelle an und verschließen diese selbstständig von innen. Der Vorteil dieser Methode: Sind beispielsweise die Plättchen radioaktiv markiert, lässt sich das Leck an der Pipeline leicht finden. Die Rohrleitung muss nicht unkontrolliert abgestellt werden, sondern kann in einem günstigen Moment repariert werden.
Pneumatischer Muskel
Einer der Vorreiter bei der Umsetzung biologischer Vorbilder in technische Lösungen im Bereich der Pneumatic ist das Unternehmen Festo. Bereits auf der Hannover Messe 2005 sorgte der Airacuda für Furore, als er lautlos durch ein rund 60 000 l fassendes mobiles Aquarium glitt. Auf der diesjährigen Hannover Messe stellte das Bionic Learning Network des Automatisierungsspezialisten gleich mehrere Projekte vor: die ungleichen Zwillinge Aqua_ray und Air_ray sowie Airic’s_arm. Basis für die Projekte ist der von Festo entwickelte fluidische Muskel. Er steht mit seinen Eigenschaften einem echten Muskel in nichts nach, wird jedoch mit Druckluft betrieben. Die Anfangskraft dieses künstlichen Muskels ist sehr groß, er ist in seiner Dynamik dem menschlichen Muskel ähnlich. Mit seinem geringen Gewicht und der hohen Flexibilität ist er beispielsweise für den Aufbau eines langsam drehenden Muskelmotors mit großem Drehmoment geeignet. Der Antrieb hat gegenüber konventionellen Pneumatikzylindern viele vorteilhafte konstruktive Eigenschaften: Er ist schnell, verfügt über zehnmal mehr Anfangskraft als ein konventioneller Druckluftantrieb mit gleichem Querschnitt und ermöglicht vollkommen gleichförmige Bewegungen ohne Stick-Slip-Effekt. Beaufschlagt man ihn mit Druckluft, verkürzt sich seine Nennlänge – so auch im Muskelmotor. Ein Nocken und ein gesperrtes Freilauflager übertragen die lineare Bewegung, erzeugt durch die Muskelkontraktion, auf eine Welle und setzen sie dabei in eine Drehbewegung um. Bei Druckentlastung fährt der fluidische Muskel wieder in seine Ursprungslänge zurück. Dank des entriegelten Freilauflagers wird diese Bewegung nicht auf die Welle übertragen. Sind mehrere pneumatische Muskeln zeitversetzt zueinander auf der Welle angeordnet, lässt sich auf diese Weise eine langsame und gleichmäßige Drehbewegung erzeugen.
Den Anforderungen der Prozessautomatisierung kommt der pneumatische Motor gleich in mehrfacher Hinsicht entgegen: Relativ langsame Bewegungen, wie sie beim Öffnen und Schließen von Armaturen häufig erwünscht sind, lassen sich mit ihm perfekt umsetzen. Außerdem eignet sich der Muskelmotor besonders gut für Einsätze in kritischen Umgebungsbedingungen. Gegenüber Feuchtigkeit, Staub oder Schmutz zeigt er sich weitgehend unempfindlich. Weiterer Pluspunkt: Sein geringer Wartungsaufwand und seine energiesparende, leise und zuverlässige Arbeitsweise – selbst im Dauereinsatz. Der Muskelmotor brennt nicht durch und verklemmt nicht im Stoppbetrieb, sondern läuft sich stets selbst frei. Der reibungsfreie Antriebsaufbau garantiert zudem gleichmäßige Bewegungen.
Alles in allem bietet der pneumatische Motor ideale Voraussetzungen für den Einsatz beim Transport, der Behandlung oder Entsorgung von Fluiden – zum Beispiel als Hilfsantrieb für Handräder. Auch Absperrschieber oder Wehre lassen sich mit dem Muskelmotor erfolgreich automatisieren, da er deutlich leichter und leiser ist als die derzeit auf dem Markt angebotenen Lösungen. Ein weiteres potenzielles Anwendungsgebiet ist das Dosieren oder Fördern von Flüssigkeiten mit einer Schlauchpumpe, etwa bei der Wasseraufbereitung oder in der Lebensmittel-, Pharma- oder Farbenindustrie. Dabei besonders von Vorteil: die langsame Drehzahl des Muskelmotors, die eine stufenlose Anpassung an Viskositätsunterschiede ermöglicht.
2099 ist alles anders
„Neue Wissenschaftsdisziplinen entstehen und vergehen. Die Bionik hat sich seit 1958 unerschüttert behaupten können, und ich bin überzeugt, dass dies so bleibt. So ist es nicht abwegig, über eine bionische Welt im Jahr 2099 zu spekulieren“, schreibt Prof. Dr. Ingo Rechenberg, einer der deutschen Bionik-Pioniere, in seinem Artikel „Eine bionische Welt im Jahr 2099“.
Autos, die gesät, pflanzenähnlich wachsen und fahrbereit geerntet werden – so etwas gibt es seiner Meinung nach auch im Jahre 2099 nicht. Dennoch, die Fertigungstechnik hat sich revolutionär geändert. Bionische Fertigung im Jahre 2099 heißt, dass sich das Werkstück durch molekulare Selbstorganisation von innen heraus formt. Eine der bionischen Schlüsseldisziplinen wird die Nanotechnologie sein. Molekulare Selbstreplikation, molekulare Erkennung und Wachstum haben sich 2099 als die drei Grundpfeiler einer nanobionischen Fertigung erwiesen. Bereits zur Jahrtausendwende gelang es Chemikern, einfache selbst replikationsfähige Moleküle zu erschaffen. Im Jahr 2099 ist die Synthese sich selbst verdoppelnder Moleküle zu einer chemischen Grundoperation geworden. Dabei hat eine neue Forschungsdisziplin unter dem Namen Replionik (Selbstvermehrungs-Chemotechnik) die Entwicklung außerordentlich beschleunigt. Die Replionik hat vor allem daran gearbeitet, selbst replizierende Moleküle auf einer anderen als der Kohlenstoffbasis zu entwickeln. Das ist mit Silizium weitgehend gelungen. Denn Silizium weist ähnliche vielseitige chemische Bindungseigenschaften auf wie Kohlenstoff.
Selbstreplizierende Moleküle ergeben aber allein noch keine neue Fertigungstechnologie. Die Moleküle müssen sich von selbst zu Strukturen, Überstrukturen, Über-Überstrukturen… organisieren. Deshalb wurde kurz nach dem Aufkommen der Replionik die Schwesterdisziplin der Auxonik (Wachstums- und Gestaltbildungs-Chemotechnik) begründet. Wegbereiter für diese „neue Chemie“ wurde die Morphobionik, deren Ziel es ist, die gestaltbildenden Prinzipien des ontogenetischen Wachstums für die technische Form- und Funktionsgebung einzusetzen. Replionik und Auxonik bilden Ende des 21. Jahrhunderts die Schüsseltechnologien für eine bionische Fertigungstechnik.
Zur Wende in das anstehende 22. Jahrhundert wird eine weitere revolutionierende Fertigungstechnik diskutiert: Die skalierte Selbstorganisation. Was in der Welt der Biologie möglich ist, dass Hormone ontogenetische Selbstorganisationsphasen zum richtigen Zeitpunkt an- und abschalten und so die Proportionen des Phänotyps bestimmen, sollte auch technisch (diesmal extrem gesteigert) machbar sein. Dann könnten technische Objekte im handlichen Maßstab konstruiert, funktionell erprobt und dann durch Zugabe von Skalierungsstoffen z. B. 1000-fach vergrößert oder verkleinert gefertigt werden.
Materialien und Funktionswerkstoffe
Werkstofftechnik und Fertigungstechnik gehen 2099 Hand in Hand. Es ist primär der Werkstoff, der durch seine speziellen Eigenschaften und den ihm innewohnenden Selbstorganisationszwang, gekennzeichnet durch Selbstreplikation, molekulare Erkennung und Wachstum, die stoffliche Welt des Menschen im Jahr 2099 entstehen lässt.
Hoch beanspruchte Konstruktionen werden vornehmlich aus Ossit hergestellt. Ossit ist ein biomimetischer Werkstoff, der Eigenschaften der Spongiosa (Knochenbälkchen) in den Knochen der Wirbeltiere nachbildet. Brechen wir uns z. B. einen Schenkelknochen und wachsen die Bruchstücke etwas verdreht wieder zusammen, so richten sich in einem Selbstorganisationsprozess die Knochenbälkchen in Richtung der Hauptspannungsflüsse aus. Das Geheimnis von Ossit sind metallische Nano-Stabkristalle, die in einer dem Knochenmaterial nachgebildeten supramolekularen Matrix eingelagert sind. Wird Ossit belastet, entsteht in dieser Matrix ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien den Spannungstrajektorien folgen. Wie Elementarmagnete richten sich nun die Stabkriställchen von Ossit nach diesen Feldlinien aus. Die trajektorien-orientierten Whiskers führen zu einer enormen Festigkeitszunahme des betreffenden Werkstücks unter der gegebenen Belastung.
Die Weiterentwicklung von Ossit, das Novo-Ossit, imitiert zusätzlich die biologische Eigenschaft der Selbstheilung. Mikrorisse in Materialien verschwinden durch eine sofort einsetzende trajektorien-orientierte Rekristallisierung des Materials. Novo-Ossit ist ein Verkaufsschlager im Jahre 2099.
Ein weiteres biomimetisches Material im Jahr 2099 ist Resilinex (Resilin extended). Resilin ist ein Gummiprotein, das von Insekten als kurzeitiger potentieller Energiespeicher eingesetzt wird. Sagenhafte 97% beträgt der elastische Wirkungsgrad des Rückschnell-Resilins in den Flügelgelenken der Heuschrecke. Das Studium des funktionellen Aufbaus von natürlichem Resilin hat die Chemiker befähigt, den Wirkungsgrad von synhetischem Resilin auf 99% zu steigern.
Wie sich Prof. Rechenberg unsere bionische Zukunft weiter vorstellt, kann im Internet unter http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/bionik2099/bibu13ex.htm nachgelesen werden. (br)
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