Bienenstachel und Elefantenrüssel als Inspiration


Wie kann man ein Produkt entwickeln oder es besser machen? Welche Fragen muss ich stellen, um eine Lösung für ein Problem zu finden und was kann ich mir zum Vorbild nehmen? Diese Fragen beschäftigen nicht nur die moderne Wissenschaft, sondern forderten schon Jahrhunderte zuvor viele Erfinder heraus. Eine Methode, die zum Ziel führte, war es, sich die belebte Natur als Vorbild zu nehmen.

So betrachteten schon Leonardo da Vinci oder die Gebrüder Wright Vögel, um Flugmaschinen zu konstruieren, die den Menschen in die Lüfte tragen sollten. Heute spricht man von dieser technischen Umsetzung von Anleihen aus der Natur von der Bionik. Im Unterschied zu den frühen Anfängen schauen die Wissenschaftler von heute – dank modernster Technik – jedoch ganz genau hin. Denn das Einzigartige vieler Entwicklungen von Mutter Natur liegt im Detail.

Auf die Fragestellung kommt es an

Doch zunächst muss man sich über die Fragestellung im Klaren sein. Professor Werner Baumgartner vom Lehrstuhl für Zelluläre Neurobionik der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen fasst es folgendermaßen zusammen: „Es gibt zwei Ansätze. Den Top-down- und den Bottom-up-Ansatz. Top-down-Ansatz bedeutet ein Ingenieur hat ein konkretes Problem. Er möchte etwa eine Effizienzsteigerung erreichen oder eine neue Form für die Umströmung einer Oberfläche kreieren. Deshalb fragt er den Biologen: Gibt es in der Natur dazu Analoges? Hatte die Natur dieses Problem schon einmal und hat sie es im Laufe der Evolution gelöst? Beim Bottom-up-Prozess wird hingegen biologische Grundlagenforschung betrieben. Man fragt etwa, warum ein Tier oder eine Pflanze dieses oder jenes macht. Zunächst einfach um es zu wissen. Dabei hat der Forscher natürlich die Frage im Hinterkopf, ob es möglich ist, daraus ein interessantes Produkt zu entwickeln.“

Interessant sind dabei vor allem die Dinge, die nicht sofort durch einen Zusammenhang auffallen. Denn die Bionik kopiert die Natur nicht: „Bionik heißt auf gar keinen Fall etwas eins zu eins zu kopieren. Sondern für eine entsprechende Anwendung etwas zu entwickeln“, so Baumgartner. Zwar scheinen manche Zusammenhänge offenkundig zu sein, etwa wenn man an die Injektionsnadel einer Spritze und einen Bienenstachel denkt. Doch der Experte betont: „Die Biene ist zum Beispiel nicht dafür optimiert, einen Menschen ein Pharmakon möglichst steril und schmerzfrei zu injizieren. Sondern sie macht etwas Ähnliches und hat für ihre Anwendung eine Optimierung erreicht. Man überträgt in der Bionik das Prinzip.“

 
 


 
 

Elefantenrüssel in der Reha

Nach diesem Verfahren arbeiteten auch die Forscher des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, die am 01. Dezember den Deutschen Zukunftspreis 2010 für die Entwicklung eines Roboterarms erhielten, der nach dem Vorbild eines Elefantenrüssels konstruiert wurde und auch als bionischer Handling-Assistent bezeichnet wird. Er soll sowohl für die Industrie als auch für den Rehabilitationsmarkt oder den Haushalt nützlich sein. Die einzelnen Bauteile des Roboterarms wurden generativ gefertigt und werden durch Druckluft – ähnlich wie bei einer Ziehharmonika – bewegt. Am Ende des Rüssels befindet sich eine „Greifhand“ mit drei Fingern.

Und auch wenn diese so sanft wie ein Elefantenrüssel zugreifen kann, so beruht sie doch auf einem anderen Prinzip: einer Forellenschwanzflosse. Genau wie diese knicken die Finger nämlich nicht weg, wenn ein Gegenstand sie berührt, sondern umschließen diesen. Eine gelungene Kombination verschiedener Techniken also, die für die Bionik nicht untypisch ist. Professor Antonia Kesel, Leiterin des Internationalen Studiengangs Bionik (ISB) an der Hochschule Bremen: „Man kann sich theoretisch alle Kombinationen vorstellen. Es gibt circa 20 Millionen Spezies, die Bakterien noch nicht mitgerechnet. Und jede dieser Spezies verfügt über Fähigkeiten, die für die Bionik potenziell interessant sind. Und hat man zum Beispiel ein Mehrkomponentenproblem, für das man nach möglichen Lösungen sucht, kann man auf die unterschiedlichsten Spezies zurückgreifen – das kann einen bunten Strauß an Vorlageorganismen geben.“

 
 


 
 

Gesucht: Der perfekte Werkstoff

Wichtig für die Umsetzung einer bionischen Vision ist über die Idee hinaus natürlich auch der Werkstoff, mit dem man arbeitet. So werden etwa Endoprothesen für die Hüfte heute vielfach aus chirurgischem Stahl oder Titan gefertigt. Beide Materialien überzeugen durch ihre besondere Belastungsfähigkeit. Doch es gibt ein Problem: der Körper erkennt sie als Fremdkörper. Aus diesem Grund wachsen sie unter Umständen nicht richtig ein und können dann ihren Zweck nicht erfüllen. Forscher möchten deshalb eine Möglichkeit finden, Endoprothesen biokompatibel zu machen. Baumgartner erklärt: „Der Körper soll eine Endoprothese nach Möglichkeit nicht als körperfremd erkennen, denn Zellen sollen an der Oberfläche anwachsen. Auch hier schaut man deshalb, was es in der Natur gibt. Wir fragen: Wie macht die Natur das, dass sie Oberflächen zum Beispiel so überzieht, dass dort Gewebe gut anwächst? Das etwas adhäriert, also dass das Gewebe anhaftet.“ Gäbe es zum Beispiel die Möglichkeit die Prothesenoberfläche so zu beschichten, dass das umliegende Gewebe sie „mag“, könnte die Standzeit von Implantaten sicherlich noch erhöht werden. Auch Baumgartner sieht noch viele Forschungsmöglichkeiten in diesem Gebiet: „Gerade an den Schnittstellen zwischen Mensch und technischer Oberfläche gibt es noch viel zu tun, da findet sehr viel Forschung statt.“

Leider dauert es darüber hinaus seine Zeit, bis die Forschungsergebnisse Eingang in die Produktion der Unternehmen finden – wenn überhaupt. Denn so manche gute Idee lässt sich weniger gut umsetzen als erhofft. Spannende Forschungsthemen im Bereich der Endoprothetik betreffen derzeit Biomaterialien. Sie sind unserem Körpergewebe ähnlicher als etwa Titan und sollen deswegen besser mit dem körpereigenen Gewebe harmonieren.

Erforscht werden auch Perlmuttbeschichtungen für Kniegelenks- oder Hüftprothesen. Da Perlmutt ähnlich wie eine Ziegelmauer aufgebaut ist, soll der Werkstoff darüber hinaus im Implantat für längere Haltbarkeit sorgen. Ein langer Riss, wie er bei herkömmlichen Prothesen vorkommt, soll im Perlmutt aufgrund der geschichteten Struktur kaum mehr möglich sein. Seit 2008 forschen Wissenschaftler an der Medizinischen Hochschule Hannover an der Umsetzung.

Simone Ernst
COMPAMED.de