Technische Prinzipien aus der Natur ableiten

Der Mensch schaut sich von der Natur ab, wie er seine Produkte effizienter gestalten kann – über die ersten Nachahmungs-Versuche ist die Bionik natürlich längst hinweg. Sie findet Anwendung in vielen medizintechnischen Bereichen, um die Technik besser und effizienter zu gestalten. Wie hat die Bionik sich in den letzten Jahren entwickelt und wie steht es um sie in Bezug auf die Nachhaltigkeit?

Der Begriff der Bionik ist im kollektiven Gedächtnis eng verwoben mit positiven Assoziationen. Die vorherrschende Meinung ist, dass etwas, das sich an der Natur orientiert, nur gut sein kann. Dass Bionik nur positive Eigenschaften hat, ist aber mitnichten so, im Gegenteil, die Forscher müssen einige Kriterien erfüllen.

Damit eine bionische Erfindung als nachhaltig bezeichnet werden kann, sollten die Forscher sich am bionischen Versprechen orientieren, das diese Kriterien grob erfasst: Das Produkt sollte naturnah sein, und zwar nicht nur im Sinne von "abgeschaut von der Natur", sondern eben auch ressourcenschonend und im besten Falle auch ökologisch nachhaltig. Schaut man in die Natur, so lässt sich schnell feststellen: Würde der Mensch sich nicht einmischen, wäre sie eine Kreislauf-Wirtschaft. Alles, was an mancher Stelle als Abfallprodukt aussortiert wird, beispielsweise verwelkte Blätter, wird an andere Stelle weiter verwertet – die Blätter würden spätestens als Humus eine neue Aufgabe finden. Eine reine Kreislaufwirtschaft ist für technische Produkte nicht ohne Weiteres anwendbar. Dennoch können Forscher sich bemühen, einige andere Kriterien zu erfüllen.

Ein Ansatz, der zur Nachhaltigkeit beiträgt, heißt "Optimierung statt Maximierung". Die Natur macht es vor: Ein Nutzen muss nicht immer maximal sein, das Rad nicht immer neu erfunden werden. Stattdessen hilft es, den aktuellen Nutzen weiter zu verbessern. Dadurch bleiben Produkte an ihr Umfeld angepasst und bringen trotzdem den gewünschten Ertrag, statt zwar einen maximalen Zweck zu erfüllen, aber gegebenenfalls gar nicht richtig an das Umfeld angepasst zu sein.

Ein gutes Beispiel dafür ist die Erfindung von Dr. Radwanul Hasan Siddique vom California Institute of Technology (Caltech), Yidenekechaw J. Donie sowie Dr. Guillaume Gomard vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT): Sie haben das Prinzip Photovoltaik weiterentwickelt, in dem sie sich an einem Schmetterling orientiert haben. "Gewöhnliche Rose" heißt der Schmetterling, dessen Flügel pechschwarz sind: Durch die dunklen Flügel kann er Sonnenlicht besonders gut absorbieren – eine Eigenschaft, die auch für Photovoltaikanlagen interessant ist. Dem Forscherteam gelang es 2018, die Nanostrukturen der Schmetterlingsflügel auf Solarzellen zu übertragen und so deren Licht-Absorbtionsrate um 200 Prozent zu steigern. Mit ihrer Erfindung gewann das Forscherteam 2018 den Bionic Award der Schauenburg Stiftung. Der Award wird alle zwei Jahre für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Bionik vergeben.

Diese Erfindung ist geradezu ein Paradebeispiel dafür, wie bereits vorhandene Erfindungen weiter durch Bionik optimiert werden und so in Folge dessen ihr Nutzen maximiert werden kann.

Ein revolutionärer Forschungsbereich in Bezug auf Bionik ist sicherlich der 3D-Druck. Durch ihn ergeben sich neue Möglichkeiten, Produkte zu gestalten. Einerseits können sie im Produktionsprogramm leichter angepasst werden, sind flexibler zu gestalten und kostengünstiger zu produzieren. Da ihre Nachbildung sich noch eher am Original orientieren können (man denke an die komplexen Waben der Bienen), sind sie entsprechend widerstandfähiger und langlebiger. Auch so kann das Thema angegangen werden: Was langlebiger ist, ist nachhaltiger.

Wir haben zum Thema 3D-Druck in der Bionik mit Professor Tobias Seidl vom Westfälischen Institut für Bionik gesprochen. Wie bionische Produkte und Ideen im Allgemeinen entstehen und welche Chancen sich durch den 3D-Druck für diese Produkte ergeben, erfahren Sie im Interview.

Ein weiterer interessanter Anspruch an die Bionik ist die Adaptivität. Prof. Dr. Arnim von Gleich, Leiter des Fachgebiets Technikgestaltung und Technologieentwicklung an der Universität Bremen, abstrahiert dazu Darwins Aussage "Survival of the fittest": "Unsere derzeitigen technischen Lösungen sind meist auf hoch definierte Randbedingungen ausgelegt. Ändern sich die Randbedingungen, versagen die technischen Lösungen." ¹

Dass Produkte auch auf mehreren Gebieten anwendbar sein können, zeigt ein zweites Beispiel aus der Bionik. Forscher des Fraunhofer Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) wollten folgendes Problem lösen: Wird heutzutage eine Hüftprothese implantiert, muss der zuständige Chirurg ein dreieckiges Loch in den Knochen des Patienten bohren – ein aufwändiges und anstrengendes Verfahren. Betrachtet man nun die Natur genauer, so sieht man, dass die Holzwespe genau das auch macht, um ihre Eier abzulegen. Nur fällt es ihr eben sehr viel leichter.

In Anlehnung an die Holzwespe erfanden die Forscher des Fraunhofer IPA einen Bohrer. Er funktioniert nach dem rotationsfreien Pendelhubprinzip und kann neben runden auch Löcher mit drei- oder mehreckigem Querschnitt bohren. Bei der Wespe funktioniert das wie folgt: Ihr Legestachel besteht aus drei Raspeln, die sie unabhängig voneinander bewegen kann. Eine dieser Raspeln hält sich am Material fest, während die anderen Material abtragen.

Der bionische Sirex-Bohrer gewann 2017 zahlreiche Preise. Auf die mehrdimensionale Optimierung bezogen wurde der Bohrer zwar für den OP erfunden, kann aber in seiner Wirkungsweise beispielsweise auch bei Handwerker-Arbeiten zum Einsatz kommen. Ganz abstrakt ist auch der Gedanke nicht, den Bohrer bei Arbeiten im Weltall einzusetzen – hier bräuchte ein normaler Bohrer einen Anpressdruck, der in der Schwerelosigkeit aber nicht existiert. Der neue Bohrer hält sich mit seiner dritten Raspel einfach an dem zu bohrenden Material fest.

Hilfreich in Bezug auf Nachhaltigkeit ist es auch, wenn die Grundidee hinter einem Produkt auf mehrere Nutzungs-Felder anwendbar ist, wie bei dem Produkt des Bionic-Award-Preisträgers von 2020, Julien Dupeyroux von der Universität Aix-Marseille. Sein Roboter, der sich an der Wüstenameise orientiert, ist in der Lage, auch ohne GPS in einem ihm unbekannten Raum zu navigieren. Mit diesem bio-inspirierten Navigationssystem kann er sich auch auf kleinstem Raum zurechtfinden. Daraus ergeben sich "vielfältige Anwendungsbereiche für Klein- und Kleinstrobotern", sagt Prof. Dr. Antonia B. Kesel von der Hochschule Bremen und Vorsitzende des VDI-Fachbereichs Bionik. ²

Das alles sind Beispiele, wie Bionik zumindest einen richtigen und wichtigen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit unternehmen kann. Grundsätzlich ist es aber so, dass die Entwicklungen, Anpassungen und Optimierungen der Natur dort am besten gelingen, wo sie möglichst frei in ihrer Gestaltung sind. Angewandt auf die Bionik würde das für den Menschen bedeuten, er sollte sich so wenige Grenzen wie möglich setzen. Auf der anderen Seite unterliegt er aber weiterhin den Schranken bzw. Grundsätzen der Nachhaltigkeit. Mithilfe des bionischen Versprechens, an dessen Grenzen und Möglichkeiten man sich bestmöglichst halten kann und sollte, kann ein Mindestmaß an Nachhaltigkeit erreicht werden. 


¹ Ökologisches Wirtschaften, 01/2006, S. 46, www.oekologisches-wirtschaften.de; 25.01.2021
² www.automationspraxis.industrie.de/wuestenameise-als-vorbild-fuer-autonomen-roboter; 25.01.2021