Bionik - Ein Grenzgebiet zwischen Technik und Biologie

(Auszug aus der Publikation "Einsatz und Produktpotentiale der Technischen Biologie und Bionik" von Professor em. Dr. Werner Nachtigall)

Lernen von der Natur?

„Von der Natur lernen!“ Diesen Slogan hört und liest man heutzutage immer häufiger. Schon gibt es Forderungen nach Lehrstühlen für „Ökologisches Konstruieren“! Sind dies Wünsche, und werden sie es bleiben? Die belebte Welt, von der man gerne lernen will, wird von den biologischen Disziplinen erforscht und beschrieben, unsere zivilisatorische Welt von den technischen Disziplinen. Von der Natur lernen bedeutet, Wissen von den Konstruktionen und Verfahrensweisen der Natur auf die Technik zu übertragen. Da liegt denn auch der Hase im Pfeffer. Es kommt entscheidend darauf an, wie man das macht, wie man vorgeht, wie man von dem vorwissenschaftlichen Schritt der bloßen Naturkopie wegkommen und das tatsächlich unendlich große Reich der „Natürlichen Konstruktionen“ für die Technik nutzbar machen kann.

Keine Blaupausen für die Technik!

Gleich eingangs sei es gesagt: Die bloße Kopie, die Meinung, die Natur würde Blaupausen für die Technik bereitstellen, die man nur ausführen müßte, führt in die Sackgasse. Was man übernehmen kann, ist eine Fülle von Anregungen, die auf ihre Übertragungsmöglichkeiten untersucht werden müssen. Sie können entscheidende Impulse für technisches Gestalten geben, doch das Letztere muß lege artis nach den Gesichtspunkten der Ingenieurwissenschaften erfolgen. Es hat einer langen Entwicklung bedurft, bis diese im Grunde selbstverständlichen Aspekte klar erkannt worden sind, doch haben bereits frühe Beispiele der Wissenschaftsgeschichte den richtigen Weg gewiesen. Eines der ersten - und wissenschaftshistorisch bekanntesten - geht auf Leonardo da Vinci zurück. Er hat den Flügelschlag der Vögel untersucht und danach - mit den Mitteln seiner Zeit - Schlagflügel vorgeschlagen. Damit hat er bereits "Technische Biologie" betrieben (nämlich biologische Grundlagenforschung unter physikalischen Gesichtspunkten) und Bionik (nämlich Übertragung des Gefundenen in die Technik).

Technische Biologie als Basiswissenschaft

"Technische Biologie" betreiben bedeutet also, die Natur erforschen und beschreiben unter Einbringung der technischen Wissenschaften, insbesondere der Technischen Physik. Wenn man - um das Leonardo’sche Beispiel weiterzuführen - erforschen will, wie ein Vogel fliegt, bedient man sich mit großem Vorteil des technischen Knowhows der Aerodynamik. Wer analysiert, warum ein Oberschenkelknochen beim Abfedern nach einem Hochsprung nicht bricht, wird Kräfteverteilungen im Knochen betrachten müssen und damit auf die Kenntnisse der Technischen Statik zurückgreifen und so fort. Es gibt eine Fülle von biologischen Fragestellungen, die durch Einbringung technisch-physikalischer Kenntnisse adäquat formulierbar, erforschbar und beschreibbar werden. Die Erforschung fordert also unabdingbar eine Grenzüberschreitung. Würde man diese nicht durchführen, ergäbe sich eine Todsünde der naturwissenschaftlichen Forschung, nämlich bewusster Wissensverzicht. Hiermit ist die Frage nach der Grenzüberschreitung zwischen den Disziplinen bereits beantwortet: "Technische Biologie" kennt solche Grenzen nicht, lebt geradezu von deren Überschreitung.

Bionik als weiterführende Disziplin

Der Begriff "Bionik" wurde auf einem Kongress 1960 in Dayton/Ohio von dem amerikanischen Luftwaffenmajor J. E. Steele geprägt. Gemeint war damit sinngemäß ein "Lernen aus der Natur für die Technik". Der Begriff war neu, nicht aber die Verfahrensweise. Vom 16. Jahrhundert bis in unsere Zeit zieht sich eine Kette von Versuchen, gerade diesen Weg zu gehen. Selten haben diese Versuche zum direkten Erfolg geführt. Ein Kopieren der Natur im Extremfall ein Nachbau im 1:1-Verhältnis, kann eben nicht funktionieren. Das hat im übrigen auch mit Wissenschaft nichts zu tun. Nimmt man die Natur dagegen zur Anregung für technologisch eigenständige Entwicklungen, so können sich erstaunliche Ergebnisse zeigen.

Bionik ist keine Naturkopie

So hat E. Reif vom Paläontologischen Institut der Universität Tübingen eigenartig geriefte Schuppen bei Haien beschrieben. Strömungsmechanisch wurden die aneinanderschließenden Mikroriefen als Grenzschichtdukte interpretiert. D.W. Bechert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt/Berlin und Mitarbeiter haben solche Rillenoberflächen im Strömungskanal untersucht und Reibungswiderstands-Verminderungen um bis zu 10 % gemessen. Die Firma 3M hat unabhängig von dem bionischen Ansatz zusammen mit der NASA eine widerstandsvermindernde Rillenstruktur entwickelt, die als Klebefolien auf Flugzeuge und Schiffe aufgebracht werden kann. Die Airbus/Toulouse hatte einen Airbus A 320 mit solchen Folien beklebt und fand im Flugversuch Gesamtwiderstands-Verminderungen um rund 1,5 %; bis zu 3 % können im Idealfall erwartet werden. Dies ist ökonomisch und ökologisch äußerst bedeutsam. Es würde, umgerechnet auf mittlere Flugzeiten der Einzelmaschine und der gesamten Luftflotten, eine immense Menge an Flugtreibstoff einsparen und derjenigen Fluggesellschaft, die dieses Vorgehen technologisch weiterentwickelt und absichert, einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil bringen. Es handelt sich dabei um eine analoge Übertragung einer "Erfindung der Natur", nicht um Naturkopie: Bionisches Vorgehen par excellence, wie ich meine.

Bionik-Definitionen und Anregungen durch Bionik

Beispielen dieser Art folgend habe ich den Begriff der Bionik wie folgt definiert:

"Lernen von der Natur als Anregung für eigenständiges technologisches Gestalten"

Im Jahr 1993 hat das VDI Technologiezentrum "Physikalische Technologien" auf meine Anregung hin in seiner Reihe "Analysen und Bewertungen zukünftiger Technologien" eine Tagung veranstaltet, auf die die Relevanz der Bionik für zukünftige Technologien herausgearbeitet worden ist. Ihren publikatorischen Niederschlag hat die Tagung in einem Berichtsband "Technologieanalysen Bionik" gefunden. In diesem findet sich die folgende allgemeine Definition: 

"Bionik als wissenschaftliche Disziplin befaßt sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme"

Demnach ist die Bionik eine klar formulierbare Disziplin und Vorgehensweise. Sie führt die durch die Vorgehensweise der "Technischen Biologie" entdeckten und erforschten Aspekte der Biologie einer technischen Umsetzung und Anwendung zu. Dies kann sich auf drei Komplexe beziehen, nämlich auf Konstruktionen der Natur ("Konstruktionsbionik"), Vorgehensweisen oder Verfahren der Natur ("Verfahrensbionik") und deren Inforamtionsübertragungs-, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien ("Informationsbionik"). Bionische Vorgehensweise kann also in viele technische Ansätze mit hineinspielen, die zukünftige Technologien entscheidend beeinflussen werden. Dazu einige detaillierte Angaben.  Ansatzmöglichkeiten in der Bionik

Ansatzmöglichkeiten in der Bionik

Einige Ansatzmöglichkeiten zu bionischen Vorgehensweisen seien genannt, die den Einsatz und die Produktpotentiale der Technischen Biologie und Bionik kennzeichnen können. 

Materialbionik. Biologische Materialien entstehen entweder in einem einmaligen "Gußvorgang", etwa Diatomeen- und Radiolarienskelette oder in schichtenweisem Aufbau, wenn Substanzen von Zellen und Zellschichten (Epithelien) abgegeben werden. Sie sind sehr unterschiedlich zusammengesetzt, von den Silikatstrukturen der genannten Kleinlebewesen über biochemische Laminatsstrukturen bei horn- oder chitinartigen Substanzen bin hin zu hydroxylapatitbelegten elastischen Fasern beim Knochen. Dies und die Tatsache, daß die Materialien stets aufs feinste auf die mechanischen Anfordernisse abgestimmt sind, ergeben vielfältige Vorbilder für die Technik. Dazu kommt ihre bisher nicht oder kaum erreichte Autoreparabilität und ihre totale Rezyklierbarkeit. 

Werkstoffbionik. Materialien bilden die Basis für Werkstoffe, so daß auch das Studium biologischer Materialien zu neuartigen Werkstoffen führt, die sich durch die obengenannten Eigenschaften auszeichnen. Vor allem auch die Mehrkomponentenbauweise biologischer Materialien und Stoffe, in denen beispielsweise zug- und druckfeste Elemente trajektorisch angeordnet sind, können Vorbilder abgeben, wie überhaupt im makromolekularen und im Mikrobereich eine Vielzahl von Anregungen und Umsetzungsmöglichkeiten gegeben sind. 

Aus Werkstoffen werden Konstruktionen hergestellt. Die Konstruktionsbionik oder Strukturbionik untersucht, beschreibt und vergleicht biologische Strukturelemente. Sie betrachtet die Eignung vorgegebener Materialien für spezielle Zwecke. Formbildungsprozesse im biologischen Bereich bieten weiter unkonventionelle technische Vorbilder. 

Aus Konstruktionselementen setzen sich Geräte zusammen. Diesbezügliche bionische Ansätze führen zur Entwicklung von Gesamtkonstruktionen nach Vorbildern aus der Natur. Besonders im Bereiche der Pumpen- und Fördertechnik, der Hydraulik und Pneumatik finden sich vielfältige Anregungsmöglichkeiten. 

Bionische Prothetik. Die Entwicklung von Prothesen für den behinderten Menschen wird in Zukunft einen wesentlichen Teil der Medizintechnik ausmachen. Die Prothesen werden sich nicht auf mechanischen Gliedersatz beschränken, sondern beispielsweise als Seh- und Hörprothesen direkt in die Sensorik eingreifen. Entscheidend wichtig wird sein, inwieweit es gelingt, die Informationsleiter der Biologie und der Technik - Neurone und Kabel - zu verbinden; hierfür gibt es hoffnungsvolle Ansätze. Aber auch das Abgreifen von Potentialen an Muskeln von Extremitätenstümpfen und die Ansteuerung von muskelähnlichen Stellgliedern in der Prothese steckt erst in den Kinderschuhen. Die direkte Interaktion "Mensch" und "Maschine" (im weitesten Sinn) gehört hierzu. 

Bionische Robotik. Roboter arbeiten heute meistens mit Stellgliedern, die genau, aber ruckartig positionieren. Die Natur arbeitet ganz anders: Nichtlineare Stellglieder (Muskeln) positionieren die Extremitätenspitze nicht von Anfang an präzise, werden aber bis zum Erreichen des Kontaktpunkts in eigentümlicher Weise - an ihre Nichtliniaritäten angepaßt - nachgesteuert. Die Nachahmung dieser natürlichen Technologie in einer bionischen Robotik steht noch ganz am Anfang; sie könnte speziell im Zusammenhang mit dem vorhergenannten Punkt sehr wesentlich werden. 

Klima- und Energetobionik. Passive Lüftung, Kühlung und Heizung sind wesentliche Gesichtspunkte. Das Studium natürlicher Konstruktionen und die Analyse sogenannter primitiver Bauten beispielsweise in Zentralamerika und Nordafrika können zu unkonventionellen Anordnungen und Einrichtungen führen. Dazu gehört die Idealausrichtung zu Sonne und Wind, Dachformen, Einnischungen in die Erde, ideale Unterkellerung und Luftführung vom kühlen Erdreich in die sommerwarmen Räume, Luftumwälzung mit Gasaustausch unter Verwendung poröser Materialien, Energiespeicherung in wärmeaufnehmenden Systemen. Mit der Übernahme solcher natürlicher Prinzipien, wie sie beispielsweise die Termiten verwirklichen, können bis zu 80 % der elektrischen Energie zur sommerlichen Kühlung und 40 - 60 % der Energie zur Winterheizung gespart werden. 

Baubionik. "Natürliches Bauen" bedeutet zum einen eine Rückbesinnung auf traditionelle Baumaterialien, die auch in der Biologie verwendet werden (beispielsweise Tonmaterialien mit ihren baubiologisch interessanten Eigentümlichkeiten). Andererseits gewinnt man aus dem Studium biologischer Leichtbaukonstruktion Anregungen für temporäre technische Leichtbauten. Solche Anregungen können beispielsweise kommen von Seilkonstruktionen (Spinnenetzen), Membran- und Schalenkonstruktionen (biologischen Schalen und Panzern), schützenden Hüllen, die Gasaustausch erlauben (Eischalen, Etagenbauten, Integration abgehängter Einheiten, wandelbare Konstruktionen), Konstruktionen mit stärker rezyklierbaren Matrialien als die Technik das bisher kennt, ideale Flächendeckungen (Blattüberlagerungen) und Flächennutzungen (Wabenprinzip). Wichtig sind Abstimmungen von einzelnen Wohnelementen in der Gesamtfläche und in ihrer Ausrichtung zu Sonne und Wind in Analogie zu Blattüberdeckungen und Blütenkonstruktionen. 

Sensorbionik. Fragen der Monitorierung von physikalischen und chemischen Reizen, Ortung und Orientierung in der Umwelt gehören zu diesem Bereich. Das Problem, chemische Substanzen beispielsweise im Körper des Menschen (Stichwort: Zuckerkrankheit) oder bei großtechnischen Konvertern (Stichwort: Biotechnologie) zum monitorieren wird immer wichtiger. Sensoren der Natur, die für alle nur denkbaren chemischen und physikalischen Reize ausgelegt sind, werden verstärkt nach Übertragungsmöglichkeiten für die Technik abgetastet. 

Bionische Kinematik und Dynamik. Laufen, Schwimmen, Fliegen sind die Haupt-Lokomotionsformen im Tierreich. Fluidmechanisch interessante Interaktionen zwischen Bewegungsorganen und umgebenden Medien finden sich im Bereich kleiner bis mittlerer Reynoldszahlen (Mikroorganismen, Insekten) ebenso wie in der Region sehr hoher Reynoldszahlen, die an den Re-Bereich von Verkehrsflugzeugen heranreichen (Wale). Fragen der Strömungsanpassung bewegter Körper, des Antriebsmechanismus von Bewegungsorgangen und ihrer strömungsmechanischen Wirkungsgrade stehen im Vordergrund. Auch Fragen der funktionsmorphologischen Gestaltung beispielsweise von Flügeln oder Rümpfen können interessante Anregung geben. So ziehen beispielsweise die Oberflächenrauhigkeiten von Vogelflügeln infolge der Eigenrauhigkeit des Gefieders in bestimmten Bereichen positive Grenzschichteffekte nach sich. Man kann dies auch bei der Verbesserung der Wirkungsgrade und der Laufruhe sowie der Lärmreduktion von Lüftern und Pumpen einsetzen. 

Neurobionik. Datenanalyse und Informationsverarbeitung unter Benutzung intelligenter Schaltungen befinden sich in einer stürmischen Entwicklung. Insbesondere die Verschaltung von Parallelrechnern und die Entwicklung "neuronaler Netzwerke" können weiter Anregungen aus dem Bereich der Neurobiologie und der Biokybernetik bekommen. Da sich dieses Gebiet auch im Bezug auf die biologische Grundlagenforschung rasch weiterentwickelt, ist in den nächsten Jahren mit einer verstärkten Interaktion zum Nutzen beider Disziplinen zu rechnen. 

Evolutionsbionik. Evolutionstechnik und -strategie versucht, die Verfahren der natürlichen Evolution der Technik nutzbar zu machen. Insbesondere dann, wenn die mathematische Formulierung bei komplexen Systemen und Verfahren noch nicht so weit gediehen ist, daß rechnerische Simulierung möglich wäre, bleibt die experimentelle Versuchs-Irrtums-Entwicklung als interessante Alternative. Diese hat heute bereits selbstverständlichen Einzug in die Entwicklung beispielsweise von Schiffen und Flugzeugen, Verkehrsleitsystemen und im Maschinenbaubereich gehalten. 

Prozeßbionik. Nicht nur natürliche Konstruktionen kann man auf ihre technische Verwertbarkeit abklopfen, sondern mit besonderem Vorteil auch Verfahren, mit denen die Natur die Vorgänge und Umsätze steuert. Eines der wesentlichsten Vorbilder ist die Photosysthese im Hinblick auf eine zukünftige Wasserstofftechnologie. Weiter können Aspekte der ökologischen Umsatzforschung mit großem Gewinn untersucht werden im Hinblick auf die Steuerung komplexer industrieller und wirtschaftlicher Unternehmungen. Schließlich sind die natürlichen Methoden des praktisch totalen Rezyklierens, des - fast vollständigen - Vermeidens von Deponiematerial, wert, in allen Details auf eine Übertragbarkeit untersucht zu werden. 

Organisationsbionik. Komplexes Management ist heute immer noch nicht in der Lage, vorausschauend allen Anforderungen eines auch nur mittleren Industriebetriebs gerecht zu werden. Im Gegensatz dazu laufen Organisationsfragen im Bereich der belebten Welt, sei es im Einzelorganismus (die Gesamtkomplexität einer Fliege ist größer als die der gesamten deutschen Volkswirtschaft!) als auch in Organismensystemen und schließlich in ökologischen Systemen äußerst störungsarm ab. Die funktionellen Querbeziehungen von Ökosystemen, beispielsweise des Waldrands, sind bereits komplexer als die eines größeren Industriebetriebs. Aus der Art und Weise, wie die Natur Informationen organisatorisch benutzt, läßt sich in analoger Übertragung vieles für Technik und Verwaltung lernen. Dieser Punkt ist sehr zukunftsträchtig, wird aber zur Zeit erst zögernd aufgegriffen. 

Mir scheinen die Gesichtspunkte der Verfahrensbionik die wesentlichsten bionischen Ansätze überhaupt zu sein. Es sei deshalb gerade auf diesen Punkt noch etwas eingegangen.

Technikbestimmende Verfahrensbionik als wichtigste Facette

Woran unsere heutige Technik krankt, das sind ja ihre klassischen Verfahrensweisen, die nicht selten direkt zur Selbstzerstörung führen. Dem so uneleganten Prinzip der Resourcenentnahme und Abfallanhäufung hat die Natur das Prinzip der totalen Rezyklierung gegenüber gesetzt. Dem technischen Prinzip der Energieerzeugung unter Abfallanhäufung und Umweltzerstörung steht das Naturprinzip der zerstörungsfreien totalen Sonnenenergienutzung gegenüber: Photosynthese und alle darauf aufbauenden Sekundärschritte. Die in Volkswirtschaft wie Industrie nicht in den Griff zu bekommenden Schwierigkeiten beim Management komplexer Systeme sind in der Natur vollendet gelöst. 

Wenn Bionik tatsächlich technikbestimmend werden soll, darf man sich nicht auf Konstruktionsbionik alleine beziehen. Der Schlüssel des Überlebens liegt sicher in Aspekten der Verfahrensbionik. Lernen von der Natur, wie man Abfälle vermeidet, wie man die Sonnenenergie nutzt und komplexe Systeme managen kann: diese drei Komplexe der Verfahrensbionik enthalten den Schlüssel für das Überleben. Es sind gleichzeitig die drei größten Herausforderungen, denen sich die Menschheit jemals gegenüber gesehen hat. Sie anzugehen, umzusetzen und letztendlich einzubauen in eine Technologie, die unserer derzeitigen Steinzeittechnik eine bionisch orientierte Höchsttechnologie entgegensetzt, wäre von entscheidender Wichtigkeit. Der Weg dahin ist schwierig und erfordert mindestens die gleichen Anstrengungen, die die Menschheit bisher in das Zerstörungspotential der Kriege investiert hat.

Man sieht, daß bionisches Denken, Argumentieren, Forschen und Entwickeln mehr ist als gelegentliches Lernen von der Natur. Bionik ist darüberhinaus eine forscherisch-technische Lebenshaltung, die Technik und Biologie - die vom Menschen geschaffene Umwelt und die der Natur - zusammenkettet, nicht auseinanderbringt.

Zusammenspiel Technische Biologie - Bionik - Technik  

Technische Biologie allein zu betreiben bedeutet letztlich, Grundwissen anzuhäufen. Bionik kann man gar nicht allein betreiben, sie beruht auf diesem Grundwissen der Technischen Biologie. 

Die Technische Biologie hält den Kontakt zur Biologie, die Bionik den Kontakt zur Technik. Mit der Verzahnung der Technischen Biologie und Bionik verzahnen sich auch Biologie und Technik. 

Es besteht demnach heutzutage kein Grund mehr, Grenzen zwischen den Disziplinen weiter aufrecht zu erhalten. Die interessantesten Dinge geschehen im quirligen Grenzgebiet, in dem sich Disziplinen berühren und verzahnen. Oft sind solche Verzahnungen allerdings in der Praxis nicht leicht zu sehen. Häufig werden erst in einem mehrstufigen Prozeß Erkenntnisse herausgearbeitet. 

Bisher existierten die "Welt der Natur" und die "Welt der Technik" ohne sonderliche Querverbindungen parallel nebeneinander. In Zukunft kann und soll die Biologie nicht nur mit Hilfe der Technik lernen, ihre Teilsysteme besser zu verstehen ("Technische Biologie"), sondern sie soll und wird naturnahe Ideen in den Problemlösungsgang der Technik einspeisen ("Bionik"). Es bleibt zwar beim bewährten Entwicklungsgang lege artis der Ingenieurwissenschaften, doch wird dessen technisches Ergebnis anders ausfallen als ohne derartige Quereinflüsse.

Wege in eine Überlebenstrategie 

So clever unsere momentane Technologie aussieht: In vielen, jedenfalls in allen grundlegend wesentlichen Aspekten ist sie unausgereift, ja steinzeitartig unangemessen dem Potential, das in unseren Hirnen steckt. Ich spreche deshalb gerne von einer "Steinzeittechnologie", einem "technologischen Tal", aus dem man herauskommen muß. Dies geht aber nur dadurch, daß man diese Technologien (so komplex sie sein mögen und so stolz die heutigen Techniker darauf sind) durch noch bessere, noch intelligentere Techniken ersetzt: Der Weg aus dem Technologietal führt nur über Höchsttechnologien, und dazu gehört auch die Biostrategie! (Das schließt "low tech" dort, wo sie sinnvoll ist, natürlich nicht aus.) 

Höchsttechnologien bedürfen aber dreierlei Basen: der Ideenreichtum und das Forschungspotential unserer Gehirne muß gekoppelt werden mit den Möglichkeiten einer hochentwickelten Industrie; der gemeinsame Kitt muß politischer Wille sein. Gegen die Industrie kommen wir überhaupt nicht weiter und damit auch aus dem momentanen Engpaß nicht heraus, wohl aber mit einer Industrie, die ihr gesamtes Potential in eine Technologie der Umweltverträglichkeit und der Menschlichkeit steckt. Auch und gerade damit ist viel umzusetzen und viel zu verdienen, wie die steigenden Umsatzzahlen der sich entwickelten Umwelttechniken zeigen. Wo aber politischer Wille nicht die Zielrichtungen und Maßstäbe setzt, wird kein Umdenken möglich sein, die Zwangsläufigkeiten des Eingefahrenen sind zu stark.