Bionik bei Bienen & Co: Natur lehrt Technik

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Um unter schwierigsten Bedingungen zu überleben, haben Tiere und Pflanzen geniale Eigenschaften und Fähigkeiten entwickelt. Von selbstreinigenden Oberflächen,  über energiesparende Fortbewegung bis hin zur Koordination hochpräziser Flugmanöver. Flora und Fauna demonstrieren vorbildlich, wie bestimmte Herausforderungen am einfachsten und effizientesten zu bewältigen sind. Was läge da näher, als diese natürlichen Phänomene unter die Lupe zu nehmen und von ihnen zu lernen? Genau das tut die Bionik. Als Symbiose von Biologie und Technik ist die Wissenschaft auf der Suche nach biologischen Vorbildern für raffinierte Erfindungen.

 

Eine reiche Artenvielfalt hilft der Bionik, Antworten auf die Fragen der Wissenschaft zu finden. Blühendes Österreich setzt sich für mehr Biodiversität ein, damit die Forschung aus dem Vollen schöpfen kann – sodass die Lösungen, die die Natur preisgibt, nicht mit dem voranschreitenden Artensterben verschwinden.

Credits: Wolfilser / shutterstock

Bionik Beispiele: Die Natur ist ein Genie

Die mit Häkchen besetzten Borsten der Klettenfrucht lieferten die Vorlage für einen der bekanntesten Geniestreiche der Natur. Dieser verhindert nämlich in Form des Klettverschlusses, dass Kinder weltweit ihre Schuhe verlieren oder Outdoor-Bekleidung kalten Wind durchlässt. Auch die selbstreinigende, oder vielmehr schmutzabweisende Oberfläche der Lotuspflanze (Nelumbo nucifera) sorgt seit geraumer Zeit für florierende Geschäfte.  Den sogenannten Lotuseffekt findet man mittlerweile in vielen Produkten wie  Wandfarben, Dachziegeln oder Aufbewahrungsboxen.
Dank der Bionik stehen Vorbilder aus der Natur seit geraumer Zeit auch Modell für technische Entwicklungen in der Industrie.

Das Automatisierungsunternehmen Festo beschäftigt sich seit Beginn der 90er Jahre mit diesem Thema und gründete 2006 das Bionic Learning Network.  Diesem Forschungsverbund ist es gelungen typische Aufgaben wie das Greifen, Bewegen und Positionieren von Gütern sowie das Steuern und Regeln von Prozessen anhand natürlicher Vorbilder zu optimieren.

Klare Spielregeln: Ameisen liefern die Vorlage für produktive Regelalgorithmen

Für die BionicANTs hat sich Festo nicht nur die filigrane Anatomie der natürlichen Ameise zum Vorbild genommen. Erstmals wurde auch das kooperative Verhalten der Tiere mittels komplexer Regelalgorithmen in die Welt der Technik übertragen. Wie ihre natürlichen Vorbilder arbeiten die BionicANTs nach klaren Regeln zusammen. Sie kommunizieren miteinander und stimmen ihre Handlungen und Bewegungen aufeinander ab. Damit zeigen die künstlichen Ameisen, wie autonome Einzelkomponenten als vernetztes Gesamtsystem gemeinsam eine komplexe Aufgabe lösen können.

Hart im Nehmen: Flügel von Bienen und Wespen als Vorbilder für "Insekten-Drohne"

Auch im französischen Lausanne wird der Traum vom Fliegen gerade zur automatisierten Wirklichkeit. Forscher des École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) haben erst kürzlich eine neuartige Drohne entwickelt, die aufgrund ihrer spezifischen Konstruktion auch heftigere Unfälle und Zusammenstöße ohne größere Schäden übersteht. Dabei haben sich die Konstrukteure von Bienen und Wespen inspirieren lassen. Diese Insekten haben Flügel, die dank eines speziellen Exoskeletts einerseits gerade hart genug sind, um ihnen gute Flugeigenschaften zu verleihen, aber andererseits auch flexibel genug, um beim harten Aufprallen den Druck abzufangen. „Wenn Sie eine Drohne lange genug steuern, ist es früher oder später sehr wahrscheinlich, dass Sie sie irgendwann einmal in ein Gebäude, eine Wand, einen Baum oder auf den Boden krachen lassen“, zitiert „LiveScience“ Stefano Mintchev, Projektmitarbeiter am Laboratory of Intelligent Systems des EPFL. Oft genug sei das Fluggerät danach kaputt und nicht mehr zu gebrauchen. „Fluginsekten wie Bienen oder Wespen stoßen ständig gegen Pflanzen, Wände oder Fensterscheiben. Aber solange sie nicht zerquetscht werden oder vom Kühlergrill eines fahrenden Autos erschlagen werden, geht es ihnen gut“, schildert der Wissenschaftler. Genau deshalb haben sich Mintchev und seine Teamkollegen auch an Insektenvorbildern orientiert, um einen flexiblen, aber gleichzeitig auch besonders robusten Rahmen für Drohnen zu konstruieren. „Das Ergebnis ist ein Prototyp, der während des Fluges in der Luft steif bleibt, aber im Fall einer Kollision sicher nachgibt. Das ist die Lösung, die wir uns von Insektenflügeln abgeschaut haben. Wespen und Bienen wenden genau dieselbe interessante biomechanische Strategie an, um Verletzungen zu vermeiden“, so der EPFL-Experte.

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Saubere Verbindung: Der Gecko als nachhaltiges Vorbild für die Automobilindustrie

Sogar der weltweit fünftgrößte Autohersteller ließ sich für die Forschung nach innovativen Lösungen von der Natur inspirieren. Auf der Suche nach alternativen Klebeverbindungen stieß der Ford-Konzern nämlich auf den Gecko. Diese kleinen bis mittelgroßen Echsen faszinieren mit bemerkenswerten Klettereigenschaften: Selbst auf senkrechten, spiegelglatten Oberflächen und sogar überkopf finden sie mit ihren klebrigen Zehen sicheren Halt, ohne Kraft auszuüben oder spezielle Sekrete abzusondern. Und wenn sie sich auf diesen Oberflächen scheinbar mühelos fortbewegen, hinterlassen sie zudem keinerlei Spuren oder Rückstände. Ein für Automobilhersteller höchst interessantes Phänomen, denn im Fahrzeugbau müssen bis heute unterschiedliche Materialien wie Kunststoffe, Schäume und Metalle miteinander verklebt werden, damit sie ausreichend steife Einheiten ergeben – was aber den Recyclingprozess am Ende der Einsatzdauer des Autos und eine sortenreine Trennung der eingesetzten Werkstoffe vor nahezu unüberwindbare Hürden stellt. „Der Gecko zeigt uns den Weg zu fortschrittlichen Verbindungstechnologien, mit denen wir weltweit die unterschiedlichsten Aufgaben lösen können“, erläutert Debbie Mielewski, Technische Leiterin für die Entwicklung nachhaltiger Kunststoffe bei der Ford Motor Company. „Dies reduziert die Kosten und schont die Umwelt, denn je mehr Kunststoffe und Plastikteile wir rezyklieren können, umso kleiner fällt unser ökologischer Fußabdruck aus“.

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Credits: Fred Kamphues / shutterstock

Das Ende der bionischen Fahnenstange ist noch längst nicht erreicht. Wissenschaftler weltweit sind unentwegt auf der Suche nach innovativen Einsatzgebieten für praktische Naturphänomene. Sei es in der Medizin oder zur Vorhersage von Erdbeben – es gibt kaum ein Problem, das mit einem beherzten Griff in die Trickkiste der Natur nicht zu lösen wäre. In diesem Sinne: Halten wir die Augen offen und werfen wir öfter einen Blick über den menschlichen Tellerrand, es lohnt sich!

 

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