Vertiefende Informationen zur Bionik

Definition der Bionik

Die in den folgenden Abschnitten aufgeführten Informationen stehen Ihnen auch als Dokument zum Download zur Verfügung:

Bionik - Was ist das?

Detaillierte Informationen zur Bionik finden Sie in den folgenden Abschnitten

Was ist das Besondere an der Bionik?

Bionischer Entwicklungsprozess - Vom natürlichen Vorbild zum Produkt

Es gibt keine einheitliche, verbindliche Definition der Bionik. Allen Definitionen ist aber gemeinsam, dass Bionik eine Übertragung von Prinzipien aus der belebten Natur in technische Kontruktionen oder Verfahren ist.

Auf der Homepage des BIOKON e.V. (Bionik-Kompetenznetz) wird Bionik folgendermaßen beschrieben:

"Entschlüsselung von 'Erfindungen der belebten Natur' und ihre innovative Umsetzung in die Technik."

Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) definierte 2007 die Bionik folgendermaßen:

„Bionik verbindet Biologie und Technik mit dem Ziel durch Abstraktion, Über­tragung und Anwendung von Erkenntnissen, die durch interdisziplinäre Zusammen­arbeit an biologischen Vorbildern gewonnenen werden, technische Fragestellungen zu lösen“

Das bedeutet, dass

  • Bionik eine Abstraktion vom biologischen Vorbild voraussetzt
  • Natur weder nachgebaut noch Organismen oder Teile von ihnen direkt verwendet werden.
  • etwas Technisches am Ende des bionischen Handlungs- und Entwicklungsprozesses steht. Das kann eine technische Konstruktion, ein Verfahren oder auch ein Computeralgorithmus sein.

Der Organismus dient dem Ingenieur nicht als direkte Vorlage, sondern als Ideengeber für eine eigenständige kreative Entwicklung.

Mehr dazu im Abschnitt Bionischer Entwicklungsprozess.

Bekannte Beispiele für Bionik sind der Lotus-Effekt, der Klettverschluss, der Haihaut-Effekt zur Reibungsminderung oder die Wärmedämmung nach Art des Eisbären. Eine hohe praktische Bedeutung in der Industrie haben computerbasierte Optimierungsverfahren wie Evolutionäre Algorithmen, Formoptimierungen von Bauteilen (CAO, SKO) oder so genannte Ameisenalgorithmen zur Optimierung logistischer Prozesse.

Was ist das Besondere an der Bionik?

Bionik ist weniger eine abgrenzbare Wissenschaftsdisziplin, sondern vor allem eine Methode, um technische Probleme zu lösen oder neue, innovative Technik zu entwickeln.

Die Bionik zeichnet sich vor allem durch folgende Eigenschaften aus

  • Interdisziplinarität
  • Kommunikation
  • Kreativität
  • Nutzung von Optimierungsprozessen der Evolution
  • Nutzung von Lösungsansätzen, die unabhängig von menschlichem Denken entstanden sind

Interdisziplinarität

In der Bionik gestalten Biologen und Ingenieure ein gemeinsames Projekt. Das ist ansonsten sowohl in der industriellen Praxis als auch in der Forschung selten der Fall. Weiterhin sind je nach Aufgabenstellung häufig auch Wissenschafter anderer Disziplinen wie Chemiker, Materialwissenschaftler, Mathematiker oder Informatiker beteiligt. Die Bionik ist also hochgradig interdisziplinär aufgebaut. Durch die unterschiedlichen Wissenshorizonte der jeweiligen Fachwissenschaftler ist die Chance groß, dass sich neue, innovative Lösungsansätze ergeben.

Kommunikation

Das Arbeiten in einem interdisziplinären Team erfordert natürlich ein hohes Maß an Kommunikation. Dabei geht es nicht nur um reinen Daten- oder Faktenaustausch. Biologen und Ingenieure unterscheiden sich meist Sichtweisen, Vorgehensweisen und auch ihrer Fachsprache. Ein erfolgreiches Bionik-Projekt erfordert auch das Finden einer gemeinsamen Sprache und einen Austausch "über den eigenen Tellerrand hinaus".

Kreativität

Bionik fordert und fördert Kreativität. Sie ist sowohl bei der Suche nach geeigneten biologischen Vorbildern für ein technisches Problem erforderlich als auch bei der Suche nach einer geeigneten technischen Übertragung des biologischen Prinzips.

Nutzung von Optimierungsprozessen der Evolution

Alle Tier- und Pflanzenarten haben im Laufe der Evolution Strategien des Überlebens entwickelt. Man kann hier von einem über Jahrmillionen Jahre dauernden Optimierungsprozess sprechen. Dieser ist allerdings nicht linaer zu betrachten, also dass heutige Arten grundsätzlich höher entwickelt seien als ihre Vorfahren früherer Erdzeitalter. Im Prinzip war jede Art in ihrem Lebensraum zumindest zeitweise erfolgreich, sonst hätte sie gar nicht erst entstehen können. Klima, Lage der Kontinente, verfügbare Nahrungsquellen und Konkurrenten veränderten sich im Laufe der Erdgeschichte, so dass immer wieder andere Fähigkeiten von Vorteil waren. 

Allen Lebewesen ist jedoch gemeinsam, dass für sie die gleichen Naturgesetze gelten wie für technische Konstruktionen. Das macht eine Übertragung auf die Technik erst zumindest theoretisch möglich!

Jede biologische Art kann somit aus Sicht der Bionik als eine Strategie des Überlebens aufgefasst werden, die sich durch spezielle Eigenschaften von anderen Arten unterscheidet. Ein fast unerschöpfliches Potential von Ideen!

Nutzung von Lösungsansätzen, die unabhängig von menschlichem Denken enstanden sind

Bei der Suche nach Problemlösungen greifen wir in der Regel auf unsere eigenen Erfahrungen zurück oder die Erfahrungen unserer Mitmenschen. Damit sind wir jedoch auch in gewissen Denkschienen gefangen. So beruhen viele wichtige Erfindungen der Menschheit auf Zufallsbeobachtungen, ja sogar Missgeschicken. Dann erfordert es jedoch einen offenen Geist und viel Arbeit, das Potential dieser Zufallsentdeckung technisch nutzbar zu machen.

Die Bionik greift auf Lösungsmöglichkeiten zurück, die unabhängig von menschlichem Denken und menschlicher Erfahrung entstanden sind. So bieten sich viele Chancen, technische Lösungen zu finden, auf die der Mensch bei systematischem Nachdenken kaum gekommen wäre. Dies gilt vor allem für den Bottom-Up-Prozess.

Bionischer Entwicklungsprozess

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Vorgehensweisen beim bionischen Arbeiten:

  1. Bottom-Up-Prozess
  2. Top-Down-Prozess

1. Bottom-Up-Prozess

Beim Bottom-Up-Prozess wird an einem Organismus eine Eigenschaft entdeckt, die auch für die Technik interessant ist. Der Bottom-Up-Prozess wird also von der Biologie aus initiiert.

Die entdeckte Eigenschaft wird analysiert und abstrahiert, so dass ein allgemeines Funktionsprinzip beschrieben wird, das theoretisch auch unabhängig vom biologischen System Gültigkeit hat. Erst durch die Loslösung des Prinzips vom Organismus ist eine Übertragung in die Technik möglich. 

Eignet sich das Prinzip für eine technische Anwendung, so muss dafür eine geeignete Möglichkeit gefunden werden. Dieser Prozessabschnitt wird schwerpunktmäßig von Ingenieuren gestaltet. Ist er erfolgreich, so mündet er in einen Prototyp, der zeigt, dass eine Übertragung des biologischen Funktionsprinzips auf die Technik möglich ist (Demonstrator).

Klassisches Beispiel für den Bottom-Up-Prozess ist der Lotus-Effekt, also selbstreinigende Oberflächen nach Vorbild des Lotusblattes. Die superhydrophoben Eigenschaften der Lotusblätter (und einer ganzen Reihe anderer Pflanzen) sind bei der rasterelektronischen Untersuchung von Blattoberflächen entdeckt worden, die eigentlich einen Beitrag zur Systematik von Pflanzen leisten sollte. Das an den Pflanzenoberflächen entdeckte Prinzip war vorher den Physikern noch unbekannt.

Die Abbildung der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg zeigt den Bottom-Up-Prozess anhand der Entwicklung eines Technischen Pflanzenhalmes, eine stabile, schwingungsdämpfende Leichtbaukonstruktion, die die biomechanischen Eigenschaften verschiedener Pflanzenhalme in sich vereinigt.

Die Farbintensität des oberen (Biologe) und unteren Balkens (Ingenieur) gibt den Anteil der Fachdisziplinen an den verschiedenen Abschnitten des Forschungs- und Entwicklungsprozess wieder.

Top-Down-Prozess

Beim Top-Down-Prozess tritt der Ingenieur mit einer technischen Fragestellung an den Biologen heran. Ausgangspunkt sind bereits auf dem Markt befindliche Produkte, bei denen durch neue Lösungsstrategien technische Probleme gelöst werden sollen.

Der Biologe stellt fest, ob das technische Problem auch in der belebten Natur vorkommt und wenn ja, wie es dort gelöst wird. Es wird also nach einem geeigneten biologischen Analogieobjekt gesucht. Wie beim Bottom-Up-Prozess muss die Funktionsweise des Analogieobjektes untersucht  und das Funktionsprinzip abstrahiert werden.

Die Abbildung zeigt einen Top-Down-Prozess der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg, bei der nach Vorbild der mechanischen Eigenschaften von Tierstacheln (Igel, Stachelschwein) schockabsorbierende Paletten entwickelt wurden.