Bionik: Tierwelt beflügelt neue Technologien

Bionik ist ein ziemliches In-Thema, wenn es darum geht, technische Lösungen für knifflige Aufgaben zu finden. Der Begriff vereint Biologie und Technik und steht für das Extrahieren von Funktionsprinzipien aus der Natur und die Anwendung dieser auf technische Probleme. Die Disziplin hat in der Vergangenheit Dinge wie den Klettverschluss hervorgebracht oder Schwimmanzüge, deren Oberfläche mit Hai-Haut vergleichbar ist. Die österreichische Wirtschaftskammer hat das große Potential der Bionik erkannt und will mit dem Thema internationale Kooperationen forcieren. Gemeinsam mit der InnovationsAllianz der Hochschulen von Nordrhein-Westfalen wurde deshalb vergangene Woche zum InnovationsDialog Bionik geladen.

Im bevölkerungsreichsten deutschen Bundesland betreiben mehrere Hochschulen eigene Bionik-Bereiche. Für Forschung und Entwicklung (FuE) werden Partner aus der Industrie gesucht, auch in Österreich. Das Interesse an dem Thema ist groß. Unternehmen suchen im Konkurrenzkampf nach ungewöhnlichen Ideen, schildert Herwig Haunschmid von der Voestalpine Finaltechnik beim InnovationsDialog. Von FuE-Abteilungen werde oft erwartet, "mit unerwarteten Lösungsansätzen" daherzukommen. Bionik komme da genau richtig. Aus dem ausgeprägten Arsenal der Natur zu schöpfen, welches aus Millionen Jahren Evolution hervorgeht, bedeute auch "von den Besten zu lernen", meint Michael Love von der Außenwirtschaft Österreich.

Bionik und Nicht-Bionik
Was genau Bionik eigentlich beinhaltet und was nicht, wurde beim InnovationsDialog durch Werner Baumgartner präzisiert. Der Österreicher ist seit 2004 Professor für zelluläre Neurobionik an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen. Der fachlich Korrekte Ausdruck für Bionik sei eigentlich "Biomimetik", stellt Baumgartner klar. Das bezeichne das Übertragen von Prinzipien aus der Natur auf die Technik. Es handle sich nicht um ein Nachbauen. Neben "echter" Bionik werde oftmals "weiche Bionik" gebraucht, was aber nur natürlich inspiriertem Design entspricht. Manchmal findet man in Natur und Technik aber auch ähnliche Prinzipien, die unabhängig voneinander entwickelt wurden.

Bei der Bionik wird prinzipiell auf zwei Arten vorgegangen. Beim Top-Down-Prinzip macht ein technisches Problem den Anfang, für das Analogien in der Natur gesucht werden. Beim Bottom-Up-Prinzip entwickelt man aus den Erkenntnissen biologischer Grundlagenforschung mögliche technische Anwendungen.

Haftfähigkeit durch Stabheuschrecken-Anatomie

Baumgartner selbst erforscht biologische Oberflächen mit besonderen Eigenschaften. Besondere Kratzfestigkeit weist etwa die Schuppen-Haut des Sandfischs auf. Die Wüstenechse ist mit einem speziellen Zucker überzogen, der die Reibung mit dem Sand reduziert. Als technische Anwendung ließe sich etwa eine Spezialbeschichtung daraus ableiten. Die Krötenechse wiederum besitzt eine unglaublich hydrophile Haut. An ihrer gezackten Haut kondensiert das Wasser und wird durch ein Kapillarsystem zum Mund des Tieres geführt - eine äußerst effektive Art der Wassergewinnung.

Als handfesten Beweis bionischer Forschung zeigt Baumgartner eine Art Stempel, der dem Haftorgan von Stabheuschrecken nachempfunden ist. Eine Kombination von Materialien unterschiedlicher Elastizität macht den Stempel fest und maximiert die Kontaktfläche zur Oberfläche. Ohne Klebstoff kann Baumgartner damit selbst poröses Papier hochheben. Während des InnovationsDialogs wurden aber noch weitere faszinierende Projekte vorgestellt, die das Potential, das in Bionik steckt, verdeutlichen können.

Leiser Fliegen mit Flügeln im Eulen-Design

Flugzeuge verursachen jede Menge Lärm. Beim Start wird ein Großteil davon notgedrungen durch die Triebwerke verursacht. Bei der Landung hingegen ist die Flugzeug-Hülle zu 50 Prozent für erzeugten Lärm verantwortlich. Um Tragflächen leiser zu machen, hat die RWTH Aachen ein Tier unter die Lupe genommen, das für ihr geräuschloses Anschleichen in der Luft bekannt ist: Die Schleiereule. Ziel der Forscher an der RWTH Aachen war die Erstellung eines Flügeldesigns, das bei niedrigen Geschwindigkeiten hohen Auftrieb erzeugt, ohne einen Strömungsabriss zu verursachen, erklärte beim InnovationsDialog Bioniker Marcus Wirth. Eine eigene Eulenzucht brachte 30 Tiere hervor, die mittels Fotografien, Computertomographie und 3D-Scans genauestens analysiert wurden. Aus den Ergebnissen formte man zunächst ein virtuelles Schnittmodell, dann ein reales und testete dieses im Windkanal.

Die Erkenntnisse: Eulenflügel zeichnen sich durch mehrere Faktoren aus. Im Vergleich zum Körpergewicht (rund 500 Gramm) besitzen Eulen sehr große Flügel. An der Vorderkante eines Eulenflügels zieht sich ein so genannter Hakenkamm entlang. Der Hakenkamm erzeugt Turbulenzen über dem Flügel, der einen steileren Anstellwinkel ermöglicht und einen Strömungsabriss bei niedrigen Geschwindigkeiten verhindert. Die Flügeloberfläche ist wiederum mit samtigen Federn überzogen. Die Luft kann dadurch besser am Flügel entlanggleiten, ohne sich davon zu lösen.

Das Eulen-Design wird bereits in der Praxis eingesetzt. Beispielsweise wurde daraus ein geräuscharmer Ventilator hergestellt. Auch die Stromabnehmer des japanischen Hochgeschwindigkeitzugs Shinkansen sind nach Eulen-Vorbild gestaltet. Die RWTH Aachen sieht Potential vor allem in der zivilen Luftfahrt, wie Marcus Wirth erklärt. Ein Problem bei der Umsetzung des Eulen-Designs ist die Skalierung. Eulen-Flügel können nicht einfach vergrößert und an eine Flugzeugkabine geschnallt werden. Flugzeuge sollten doch deutlich höhere Geschwindigkeiten als ein Vogel erzielen. Die Flügelform lässt sich also nicht eins zu eins übernehmen.

Navigation von Ameisen

Tobias Seidl von der Westfälischen Hochschule Bocholt stellte ein Bionik-Projekt vor, bei dem es um "egozentrische Navigation" geht. Damit ist nicht rücksichtsloses Spazierengehen gemeint, sondern das Navigieren ohne externe Hilfen, wie etwa Satelliten. Als Vorbild aus der Natur dient hier die Ameise. Genauer gesagt wurde die Wüstenameise Cataglyphis fortis untersucht. Diese streift auf Futtersuche über lange Distanzen im Zick-Zack-Kurs durch die Landschaft. Sobald sie Futter gefunden hat, schlägt sie aber einen direkten, schnurgeraden Weg Richtung Nest ein.

Cataglyphis fortis bringt dieses Kunststück unter anderem durch einen integrierten Sonnenkompass zustande. Was die Forscher allerdings mehr interessiert, sind strukturintegrierte Kraftsensoriken in den Beinen der Ameise. Die Tiere können sich zurückgelegte Wege und Richtungen genau merken. Entfernungen, Steigungen, Landmarken, Düfte und Bodenbeschaffenheit werden im winzigen Ameisenhirn verzeichnet. Die Ameise merkt sich durch diese Anhaltspunkte den Weg.

Wie genau die Ameisen-Navigation funktioniert, wird noch untersucht. Potentielle Einsatzgebiete für eine daraus entwickelte technische Lösung gibt es bereits zuhauf. Autonome Roboter, die mit hoher Präzision rollen oder laufen sollen, wären eines davon. Dem ehemligen ESA-Mitarbeiter Tobias Seidl schweben aber auch Weltraum-Anwendungen vor. Explorationsroboter auf dem Mars könnten etwa in Zukunft von der Ameise profitieren. Eine große Herausforderung stellt allerdings die Schlankheit eines solchen Konzepts dar. Die Ameise benötigt kein großes Hirn, um komplexe Wege zu erfassen. Ihre Art der Navigation setzt äußerst schlanke Datenverarbeitungsstrategien voraus.

Infrarotsensoren von feurigen Käfern

Ein gutes Beispiel für eine Bottom-Up-Herangehensweise in der Bionik ist die Erforschung der Infrarotsensoren eines Insekts an der Universität Bonn. Helmut Schmitz und Kollegen gehen dort der Funktionsweise des Infrarotorgans des Schwarzen Kiefernprachtkäfers auf den Grund. Dieser Käfer brütet in der Borke verbrannter Bäume und ist daher natürlicherweise mit der Fähigkeit ausgestattet, Waldbrände über eine Entfernung von über hundert Kilometer wahrzunehmen.

Die Leistungsfähigkeit der Käfer-Infrarotsensoren übertrifft heutige vom Menschen hergestellte Lösungen bei weitem. Die Uni Bonn will das Prinzip dahinter verstehen und daraus Anwendungen entwickeln, die etwa zur frühzeitigen Erkennung von Waldbränden beitragen. Auch hochsensible Nachtsichtgeräte oder Anwendungen in der Medizin könnten ein mögliches Ziel der Forschungen darstellen. Um dahinterzukommen, wie genau das Infrarotorgan eines Schwarzen Kiefernprachtkäfers aufgebaut ist, bewegt man sich im mikroskopischen Bereich.

Bisher fand man heraus, dass das Käfer-Organ aus bis zu 100 kugelförmigen Einzelsensoren besteht. Diese Kügelchen besitzen eine harte Schale und einen verformbaren Kern aus einer Art Gel. Dieses Gel drückt bei Infraroteinstrahlung auf einen Nerv, in dem Impulse ausgelöst werden. Die Präzision dieses mechanischen Verfahrens ist für das Tier absolut überlebenswichtig. Nur in verbranntem Holz legt der Käfer seine Eier ab. Findet er ein solches Ziel nicht, gibt es auch keinen Nachwuchs.

Seitenliniensystem von Fischen

Am Institut für Zoologie der Universität Bonn wird das Seitenliniensystem von Fischen näher untersucht. Das Seitenlinienorgan ermöglicht es Fischen, geringste Druckveränderungen im Umkreis wahrzunehmen, Kollisionen zu vermeiden oder ihrem Schwarm zu folgen. Auch die Bewegungen von Räuber oder Beute werden mit dem Seitenlinienorgan registriert. Aufgebaut ist das Organ relativ simpel: Über Öffnungen strömt Wasser in einen Kanal, in dem Sinneszellen in die eine oder andere Richtung gedrückt werden.

Wie Bioniker Adrian Klein beschreibt, wurde dieses Wirkprinzip auf einen artifiziellen Seitenlinien-Sensor umgelegt. Dieser funktioniert sowohl im Wasser als auch in der Luft oder anderen Fluiden. Da Wasser jedoch kaum komprimierbar ist, funktioniert das Prinzip dort am besten. Die Uni Bonn benutzt den Sensor um in Versuchen in Echtzeit hydrodynamische Ereignisse zu  beobachten und mit dem Verhalten von Fischen zu korrelieren. In weiterer Folge könnte ein Seitenliniensystem auch als Sensor für Unterwasserfahrzeuge eingesetzt werden.

Flossenantrieb

Marius Geller leitet an der Fachhochschule Dortmund den Forschungsschwerpunkt Computersimulation im Maschinenbau. Bei einem seiner Projekte ging es um das Auffinden eines möglichst effektiven Unterwasserantriebs. In einer ersten Phase wurde dabei eine Vielzahl von Geometrieformen in Simulationen auf ihre Effektivität getestet. Dabei ergab sich ohne aktive Steuerung eine Flosse bzw. Fluke als optimale Form.

Danach wurde die Flosse in Bewegung simuliert, wobei überraschend gute Wirkungsgrade erzielt wurden. Auf Schiffe umgesetzt, verspricht man sich von einem Flossenantrieb eine umweltverträglichere Fortbewegung als mit Schraubenantrieb. Die größten Probleme bei der Umsetzbarkeit sind die Regelung der Schlagfrequenz und die diskontinuierliche mechanische Beanspruchung. Bei kleineren Booten ist der Flossenantrieb jedoch bereits "vielversprechend" umgesetzt worden, so Geller.

Abgesehen vom Flossenantrieb simuliert die Fachhochschule Dortmund auch den Vogelflug oder künstliche Herzklappen. Im Grunde sollen ganze Maschinenteile mit Simulationen vollautomatisch optimiert werden. Ausgehend von einer Startgeometrie wird das Maschinendesign oder auch der Maschinenbetrieb iterativ solange verändert, bis sich ein Optimum ergibt.

Sensible Roboter

Neben den deutschen Hochschulen präsentierte beim InnovationsDialog auch das österreichische Unternehmen FerRobotics seine Erfahrungen am Gebiet Bionik. Wie CEO Ronald Naderer erklärt, geht es dem Spin-Off der Uni Linz darum, "Roboter mit Gefühl" zu konstruieren. FerRobotics stattet Roboter mit Kontaktgefühl aus. Mit dieser Eigenschaft werden Roboter-Arme flexibel und passen sich schneller an Werkstücke oder Menschen an.

Als Anwendungsformen wurden unter anderem ein aktiver Kontakt-Flansch vorgestellt, mit dem etwa unregelmäßig geformte, große Metallteile geschliffen werden können. Eine äußerst interessante Anwendung ergibt sich auch in der Mensch-Roboter-Kollaboration. Ein Roboter mit Kontaktgefühl könnte etwa in der Rehabilitation von Unfall-Patienten eingesetzt werden. Der Roboter-Arm kann etwa beim Bewegen von heilenden Schultergelenken genau an die Schmerzgrenze des Patienten gehen, aber nicht weiter und sich dem Körper exakt anpassen.