Wenn die Natur mit gutem Beispiel vorangeht

An der FHWS spielt die Bionik eine zunehmend wichtige Rolle

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Wissen Technikerinnen und Techniker nicht weiter, lohnt sich oft ein Blick in die biologische Umwelt. Mit dem Wissen, wie Flora und Fauna funktionieren, können viele technische Hürden überwunden und Probleme gelöst werden. Das Stichwort lautet Bionik. An der FHWS werden verschiedene Projekte in diesem Forschungsbereich verfolgt – zum Beispiel bei der Schalldämmung und zukünftig auch in der Robotik.

Die Bezeichnung Bionik ist eine Wortzusammensetzung aus den Begriffen Biologie und Technik. Als solche beschäftigt sie sich mit der „Erforschung der Errungenschaften biologischer Evolution, deren Überprüfung auf Umsetzbarkeit im technischen Bereich, mit dem Ziel der Entwicklung neuer Konzepte und Produkte“, wie es die Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik definiert. Kurz gefragt: Wie nutze ich die Natur, um Technik weiterzuentwickeln?

Bionik an der FHWS

An der FHWS greifen Mitarbeitende verschiedener Labore der Fakultät Maschinenbau diese Frage auf. Bionik findet Eingang in Forschung und Lehre. Im Labor für experimentelle Spannungsanalyse etwa werden Dämpfmechanismen für technische Systeme nach biologischem Vorbild erforscht.

Für diese Dämpfmechanismen erarbeitet Prof. Dr. Stefanie Retka seit einem Jahr ein sogenanntes Bottom-up-Modell zu „smarten Strukturen mit angepassten Dämpfungseigenschaften nach biologischem Vorbild“. Vorbild ist der menschliche Vokaltrakt. Von dessen Aufbau lässt sich ableiten, wie Materialien für den Maschinenbau möglichst schalldämpfend konstruiert werden können und dabei weiterhin die Kriterien für Leichtbaumaterialien erfüllen. Der Vokaltrakt ist durch die Schleimhäute, die ihn überziehen, stark gedämpft. Aus mechanischer Sicht also ein perfektes Vorbild für Dämpfmechanismen. Die Umsetzung im Labor geschieht allerdings rein rechnerisch. „Wir bearbeiten das Thema numerisch. Das heißt, wir bilden den Vokaltrakt am Computer ab und stellen ihn als Fluid-Strukturmodell dar“, erklärt Retka ihre Methodik. „Ändert man dann im Modell die Geometrie und analysiert, welche Faktoren den Klang in welcher Form beeinflussen, können wir das auf technische Systeme übertragen.“ 

Auch im neuen Bachelorstudiengang Robotik der FHWS lernen Studierende, auf welchen bionischen Ansätzen humanoide und Service-Roboter basieren.

Profilbild Prof. Dr. Stefanie Retka
Prof. Dr. Stefanie Retka (© Prof. Dr. Stefanie Retka)
Abbildung des Finite Elemente Netz des menschlichen Vokaltrakt-Modells
Smarte Strukturen an der FHWS. Die Abbildung zeigt das Finite Elemente Netz des menschlichen Vokaltrakt-Modells. Zu sehen ist, bei welcher Frequenz die Luft im Inneren des Vokaltrakts wie schwingt. (© Prof. Dr. Stefanie Retka)

Top-down oder Bottom-up

Doch sind viele dieser Dienste nur Spielereien? „Wir sehen ja heute im Haushaltsbereich zum Beispiel Kaffeemaschinen oder Ventilatoren mit App-Unterstützung. Der Sinn mag sich da vielleicht noch nicht erschließen“, sagt Engelmann. „Aber vielleicht erkennt man später einen Sinn, der erst durch die Verfügbarkeit der Technologie ermöglicht wird.“ Nicht nur im privaten Umfeld können Mehrwerte generiert werden, sondern auch in den verschiedensten Unternehmensfeldern. So werden durch das Internet of Things gänzlich neue Anwendungen in der Produktion, in der Logistik, in der Medizin, in der Landwirtschaft oder im Handel ermöglicht. Fern-OPs, intelligente Verkehrsführung und vollautomatisierte Produktionen sind dabei nur einige Ideen, an deren Realisierung bereits gearbeitet wird.

Je nachdem was der Auslöser für die bionische Forschung ist ‒ die Natur als unerschöpfliche Inspirationsquelle für Forschung und Wissenschaft oder ein technisches Problem ‒ gibt es zwei Herangehensweisen: Bei der Top-down-Methode werden zur Lösung eines technischen Problems analoge Situationen aus der Natur herangezogen. Hat man die biologische Grundlage verstanden, werden davon losgelöst aus dem Analyseergebnis eigene Modelle oder Baupläne entwickelt. Bei der Bottom-up-Methode werden natürliche Formen, Strukturen und Funktionen untersucht und aus den Regelmäßigkeiten technische Modelle entwickelt. Diese können dann unabhängig von ihrem biologischen Vorbild in technischen bzw. maschinellen Prozessen verwendet werden.

In beiden Fällen wird die Natur aber nicht einfach kopiert. Um die eigenen Probleme zu lösen, muss die Natur sozusagen neu erfunden und den eigenen Herausforderungen angepasst werden. Genauso wie es die Natur im Laufe der Evolution immer wieder getan hat. Der Verband Deutscher Ingenieure (VDI) legt fest, dass ein Produkt dann als „bionisch“ bezeichnet werden darf, wenn zuvor die Funktionsweise des zugrundeliegenden biologischen Systems analysiert und in ein Modell übersetzt wurde, welches dann zur Entwicklung eines Produkts dient.

Für Retkas Projekt liefert die „Analyse der Funktionsweise des biologischen Systems“ die Charité in Berlin, die den Vokaltrakt bereits umfassend erforscht hat. Die Biologie in der Entwicklung innovativer Technik nicht aus den Augen zu verlieren, ist immer Grundpfeiler der bionischen Forschung, weiß auch Prof. Dr. Jean Meyer, Leiter des Studiengangs Robotik an der FHWS. Die Abstraktion von der Biologie falle vielen Ingenieurinnen und Ingenieuren jedoch schwer: „Biologie und Technik sind als fachliche Disziplinen sehr verschieden. Deshalb gibt es noch viele Möglichkeiten, die bisher nicht gesehen wurden.“

Zitat von Prof. Dr. Jean Meyer: Der Brückenschlag von der Natur zur Technik ist eine Sache. Das Ganze auch noch in Produkte zu übertragen und dabei wirtschaftlich zu bleiben, die andere.

Bionik bei kinematischen Robotern

Bei Robotern findet die Biologie besonders in der Konstruktion ihren Einsatz. Roboterskelette sind denen von Tieren nachempfunden, Sensoren oder Kameras den Facettenaugen von Insekten. Greifsysteme haben inzwischen so flexible Finger, dass sie Dinge umschließen können wie Oktopus-Tentakel oder Elefantenrüssel.

Neben dem Aufbau wird auch die Verhaltensweise von Robotern nach Vorlage biologischer Phänomene optimiert. Systematiken der Schwarmintelligenz von Bienen und Ameisen beispielsweise könnten Bewegungsabläufe von ganzen Roboter-Arbeitsgruppen autonom und eigenständig machen.

Meyer selbst forscht zum Thema Robotik und autonome Systeme. „Der Brückenschlag von der Natur zur Technik ist eine Sache. Das Ganze auch noch in Produkte zu übertragen und dabei wirtschaftlich zu bleiben, die andere.“ Die Zukunft der Bionik in der Robotik liegt in der bisher noch recht kleinen Nische der humanoiden und Service-Roboter. In fünf bis zehn Jahren sieht Meyer hier aber das größte wirtschaftliche Potenzial.

Bionik braucht Vernetzung

Damit dieses Potenzial auch in konkrete Umsetzungen resultiert, braucht es einen weiteren Brückenschlag zwischen Hochschulen und der Industrie. Das Bionik-Kompetenznetz e. V. BIOKON setzt sich genau dafür ein. Bereits vor einigen Jahren wies BIOKON-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr. Antonia Kesel in einem Artikel der Wirtschaftswoche auf die vielen guten Ideen hin, die in den Laboren deutscher Hochschulen aktuell brachliegen. BIOKON hat es sich zur Aufgabe gemacht, Hochschulen, Forschungsinstitute und Unternehmen zu vernetzen und Auftragsforschung zu stärken.

Die Arbeit von Prof. Dr. Retka zum Beispiel könnte Industriepartnerinnen und -partner mit Problemen im akustischen Bereich Lösungen bieten. Das Projekt kooperiert deshalb mit dem Autohersteller Schaeffler Technologies AG & Co. KG. In Autos ist wenig Platz übrig, um weitere große Dämpfmechanismen für Lautstärke und Schall einzubauen. Deshalb können solche Entwicklungen besonders im Fahrzeug- und Flugzeugbau von Nutzen sein.

Eine solche Zusammenarbeit mit der Industrie macht es möglich, dass, so Retka, „nach den ersten, vielversprechenden Forschungsergebnissen auch ein stärkerer Fokus auf deren Interessen gelegt werden kann.“ Für die Unternehmen könnten dabei verwertbare Ergebnisse entstehen. Retka denkt da direkt weiter: „Auch interessant sind Mittelohr und Innenohr, mit dem Trommelfell als Membran, das schwingend auf Druckwellen reagiert. Das könnte man sich auch für platzsparende Konstruktionen in Fahrzeugen vorstellen!“

Das Potenzial der Natur ist noch lange nicht erschöpft. „Flora und Fauna haben sich über Jahrmillionen immer weiter optimiert und an ihre Umgebung angepasst“, sagt Prof. Dr. Meyer. „Deshalb ist es bei technischen Problemen oft hilfreich, die Natur zu beobachten und zu schauen, wie sie das Problem gelöst hat, anstatt sich im Labor lange den Kopf zu zerbrechen.“ Meyer empfiehlt, nicht zu sehr in den eigenen Schemata und Sichtweisen festzustecken ‒ sondern auf Zusammenarbeit und Austausch zu setzen.

Zitat von Prof. Dr. Jean Meyer: -	„Flora und Fauna haben sich über Jahrmillionen immer weiter optimiert und an ihre Umgebung angepasst. Deshalb ist es bei technischen Problemen oft hilfreich, die Natur zu beobachten und zu schauen, wie sie das Problem gelöst hat, anstatt sich im Labor lange den Kopf zu zerbrechen.“

Weitere Beispiele für Bionik:

  • Solarpanels, deren Speichermodule Blättern nachempfunden sind
  • Sonnensegel in der Raumfahrt nach Vorbild der Falttechnik von Blättern und Käferflügeln
  • Windturbinen und Hubschrauber gebaut nach der Form der Buckelwalflosse
  • Gebäude mit Klimasystemen, die klimatischen Begebenheiten in Termitenhügeln nachempfunden sind
  • Kleber, entwickelt nach dem Vorbild von Miesmuschel-Sekreten
  • Glasfassaden, die wie ein Spinnennetz UV-Strahlen reflektieren, sodass Vögel sie wahrnehmen können und nicht kollidieren
  • Schiffe, die nach Art der Delphine kommunizieren und kabellos Daten übertragen 
  • Roboter, die sich wie fleischfressende Pflanzen selbst von Insekten ernähren sollen
  • Befestigungssysteme wie Dübel für ein Fixieren in der Wand nach dem Aufbau des Mundwerkzeugs von Zikaden
  • Autoreifen mit einem an Geparden-Pfoten orientierten Profil 

 

Portraitfoto Dana Jansen

Ein Artikel von 
Dana Jansen