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Die Bionik als moderne Wissenschaftsdisziplin. Historische Wurzeln und Entwicklungswege

Studienarbeit 2019 40 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einführung in die Thematik
1.1 Relevanz und Problemstellung
1.2 Ziel und Aufbau dieser Arbeit

2 Theoretische Grundlagen zur Bionik

3 Historische Wurzeln der Bionik
3.1 Da Vincis Vogelflug
3.2 Baker-Galeone
3.3 Cayleys Wiesenbocksbart-Fallschirm

4 Gegenwärtige Entwicklungsfelder der Bionik
4.1 Spektrum
4.2 Verknüpfungen

5 Anwendungsbeispiele in der Bionik
5.1 Milliroboter
5.2 BionicSoftHand
5.3 AIRCOAT-Konzept
5.4 Aktuatoren – bewegt wie die Mittagsblume
5.5 Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik
5.6 Additive Fertigung durch ELiSE-Verfahren

6 Fazit und Ausblick

Anhang

Literaturverzeichnis

Anlagenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gegenüberstellung Lineare Kausalität und Systemvernetzte Kausalität

Abbildung 2: Entwurf eines Fluggerätes nach dem Hubschrauber-Prinzip

Abbildung 3: Baker-Galeone

Abbildung 4: Cayleys Wiesenbocksbart-Fallschirm

Abbildung 5: Wege der Bionik in Deutschland

Abbildung 6: Bionic-Car

Abbildung 7: Milliroboter

Abbildung 8: BionicSoftHand

Abbildung 9: AIRCOAT-Konzept

Abbildung 10: Wabenförmige Zellstruktur

Abbildung 11: Licht-Absorption beim Schmetterling

Abbildung 12: Showcar EDAG Light Cocoon

Abbildung 13: Biologische Transformation der Industriellen Wertschöpfung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einführung in die Thematik

1.1 Relevanz und Problemstellung

“I think the biggest innovations of the 21 s t century will be at the intersection of biology and technology. A new era is beginning“. 1

Mit diesem Zitat macht Steve Jobs ausdrücklich klar, dass die Bionik ein wesentlicher Innovationstreiber unserer heutigen Gesellschaft ist. Vor ca. vier Milliarden Jahren ist der Planet Erde entstanden. Bis zu dieser Zeit hat sich die Natur unzähligen Herausforderun- gen gegenübergestellt, wie bspw. die Nahrungssuche, die Fortbewegung oder die Part- nerfindung. Zu Beginn war der Mensch auch ein Teil der Natur. Im Laufe der Zeit entfernte sich der Mensch jedoch von dieser. Der Grund hierfür ist zum einen durch den evolutio- nären Wandel und zum anderen durch das steigende Bedürfnis nach technischer Vielfalt zurückzuführen. „ Je weiter der Mensch sich von der Natur entfremdete, umso erfolgrei- cher wurde er – auf Kosten des Planeten“. 2 Zu Beginn des dritten Jahrhunderts stellt sich der Mensch jedoch einer neuen Revolution gegenüber, der Bionik. Es ist der Wissen- schaftszweig, welches die Natur mit der Technik wieder zusammenführt.3 Der Begriff setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen und trägt zur interdisziplinä- ren Zusammenarbeit zwischen Biologen, Ingenieuren, Architekten, Physikern, Chemi- kern und Materialforschern bei. Aufgrund der unendlichen Vielfalt von Konstruktionen und Entwicklungen in der Natur, bietet die Bionik eine Bandbreite neuer Forschungsgebiete an, welche mittlerweile als etablierte Wissenschaftsdisziplin anzusehen ist.4

Die Natur ist aufgrund von immer knapper werdenden Ressourcen und drohenden Kli- maveränderungen in unserer heutigen Zeit interessanter denn je anzusehen.5 Das Ver- sprechen der Bionik zielt darauf ab, „…dass durch bionische Ansätze eine natürlichere, naturnähere oder besser angepasste Technik realisiert werden könne und dass damit bereits deswegen bessere Eigenschaften wie Einpassung in die natürlichen Kreisläufe, Risikoarmut, Fehlertoleranz und Umweltverträglichkeit möglich würden“. 6 Für viele Bioni- ker stellen diese Versprechen eine wesentliche Motivation dar, die gleichwohl mit Prob- lemen behaftet sind.

Die Problematik der Bionik lässt sich darin identifizieren, dass bspw. zahlreiche Bionik Lösungen keine ökonomische, ökologische und soziale Nützlichkeit im Wirtschaftsge- schehen darstellen. Weiterhin ist die Anzahl der Bionik Lösungen, die zugleich fehler- und folgetolerant sind, sehr gering. Ein wesentlicher Grund beinhaltet die bevorzugte Denkweise der Linear biologisch-technischen Kausalität. Hierbei wird das biologische Vorbild-Merkmal auf direktem Wege in eine technische Lösung umgesetzt. Dabei werden zum einen die natürlich vernetzten Gesamtzusammenhänge des biologischen Vorbildes kaum berücksichtigt, zum anderen wird das biologische Effizienzmerkmal nicht mit der technischen Vernetzung des Bionik Produktes gegenübergestellt und auf die bereits o.g. Versprechen der Bionik angepasst. Dies hat zur Folge, dass versuchte Bionik Lösung in einem Museum für verhinderte Bionik gelangen.7

Eine denkbare Problemlösung bietet die Systemvernetzte biologisch-technische Kausa- lität an. Hierbei handelt es sich um eine ganzheitliche Sichtweise von komplexen Proble- men, die aufgrund von fehlertoleranten Lösungen eine erfolgsversprechende Herange- hensweise darstellen. Die Gründe befinden sich zum einen in der evolutionären Adaption der Natur, da sie eine Vorbildfunktion von vernetzten Strategien und Prozessen für feh- lertolerante und nachhaltigen Lösungen in unserer heutigen Zeit darstellen. Zum anderen bietet nur das vernetzte Denken eine Herangehensweise für nachhaltige bionische Lö- sungen an, in denen bionische Probleme vorrausschauend betrachtet werden können und eine Nützlichkeit im Wirtschaftsgeschehen darstellen.8

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Gegenüberstellung Lineare Kausalität und Systemvernetzte Kausalität9

1.2 Ziel und Aufbau dieser Arbeit

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich im Wesentlichen auf die Entwicklung der Bionik, bei der die historischen Wurzeln aufgezeigt und die Entwicklungswege der Bionik mit aktuellen Beispielen beschrieben werden. Das Assignment gliedert sich in einen theore- tischen und praktischen Teil auf. Literaturgeleitet werden zunächst die Grundlangen der Bionik vorgestellt. Dabei werden auf die verschiedenen Definitionen des Bionik Begriffes eingegangen und eine Begriffserklärung vorgestellt, die als bestmöglicher Kompromiss aller Bionik Definitionen verstanden werden kann. Darauf aufbauend erfolgt eine Be- schreibung von den ersten bionischen Entwicklungen der Geschichte. Hierbei werden speziell die Entwicklungen Da Vinicis Vogelflug, Baker-Galone und Cayleys Wiesen- bocksbart-Fallschirm aufgezeigt und vorgestellt. Im Anschluss daran erfolgt eine Be- schreibung von gegenwärtigen Entwicklungsfeldern, die sowohl das Spektrum bionischer Forschung und Entwicklung als auch die Verknüpfungen untereinander aufzeigen. Hier- bei wird das Spektrum zunächst in die klassische Bionik und in die neue Bionik unterteilt und näher erläutert, da dieses besonders umfangreich aufgestellt ist. Nachfolgende An- hänge von Forschungs- und Industrieunternehmen ergänzen schließlich das breite Spektrum zu sämtlichen Teilgebieten der Bionik. In den jeweiligen Entwicklungsfeldern lassen sich Verknüpfungen feststellen, die anhand eines Beispiels dargestellt und be- schrieben werden. Im praktischen Teil werden die gegenwärtigen Entwicklungsfelder ebenfalls mittels eines Beispiels erläutert und grafisch dargestellt. Die Anwendungsbei- spiele der Bionik beziehen sich auf Milliroboter, BionicSoftHand, AIRCOAT-Konzept, Ak- tuatoren- bewegt wie die Mittagsblume, Schmetterlingsflüge inspiriert Photovoltaik und Additive Fertigung durch ELiSE-Verfahren. Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung von Analyseergebnissen sowie eine kritische Betrachtung dieser Arbeit. Ein Ausblick auf weitere Untersuchungen rundet die Arbeit ab.

2 Theoretische Grundlagen zur Bionik

Die wissenschaftlich-technische Seite der Bionik zielt auf die gewonnenen Erkenntnisse des biologischen Objektes ab, welche sich schließlich in eine technische Produktverwer- tung überführen lässt. Auf dieser Grundlage haben sich in der Vergangenheit zahlreiche Definitionen und Erklärungen zusammengefunden, die zum Wesen der Bionik beitra- gen10 (siehe Anhang 1). „Definitionen sind Festlegungen von Begriffen zur Realisierung von bestimmten Unterscheidungsabsichten“. 11 Sie beinhalten eine Zweckmäßigkeit, die darauf abzielt, Differenzierungen von gängigen Definitionen herauszuarbeiten, um auf diese Weise einen Eindruck zu erhalten, was Bionik ist und wofür der Begriff steht. Erst- malig wurde der Begriff von J.E. Steele im Jahre 1958 aufgegriffen. Hierbei handelte es sich um ein Projekt zur Erforschung der Arbeitsweise des menschlichen Gehirns, welches unter der Kurzbezeichnung Bionics begonnen wurde. Offiziell eröffnete sich der Begriff in einem Seminar unter dem Thema Living prototypes – the key to the new technology im Jahre 1960.12 Zu dieser Zeit definierte sich die Bionik wie folgt:

„Die Bionik entwickelt Systeme, deren Funktion natürlichen Systemen nachgebildet ist, die natürlichen Systemen in charakteristischen Eigenschaften gleichen oder ihnen analog sind“. 13

Wie die Abbildung im Anhang zeigt, haben sich im Laufe der Zeit viele Definitionen zum Begriff Bionik entwickelt. Demnach ist das Ziel der Bionik – hier stimmen die Definitionen zum größten Teil überein – die Entwicklung einer funktionsfähigen technischen Lösung, die sich durch das biologische Vorbild aufgrund einer konkreten technischen Fragestel- lung gegenüberstellt. Hierbei besteht die Aufgabe der Bionik vor allem darin, den Über- gang zwischen biologischer Grundlagenforschung und ingenieurswissenschaftlicher For- schung und Entwicklung zu gewährleisten. Zu heutiger Zeit lässt sich die Bionik zu den s.g. konvergenten Technologien zählen.14 Damit ist gemeint, dass sich technologische Trends in der Bionik nur durch das Zusammenwirken von Bio-, Nano- und Informations- technologien realisieren lassen.15 Mittlerweile haben sich diverse Schwerpunktsetzungen bzw. Bedeutungsunterschiede in anderen Regionen zum Begriff aufgezeigt. Hierbei wer- den u.a. die Begrifflichkeiten Biomimetik, Biomimese oder Biomimikry in Deutschland als Synonym in der Bionik verwendet, jedoch findet sich bspw. der Begriff Biomimetik ten- denziell in werkstofflichen Entwicklungen wider. Der englische Begriff bionics integriert auch Merkmale von Prothetik und Enhancement (Verbesserung menschlicher Fähigkei- ten), welche jedoch im deutschsprachigen Raum eher herausgedrängt wurden16 und die Biotechnologie grenzt sich insofern von der Bionik ab, dass diese nicht als Ideenpool, sondern als stoffliche Ressource genutzt wird. Auch zahlreich diskutiert wird bspw. die Formulierung über das Versprechen der Bionik, welche im Einführungsteil des Assign- ments aufgegriffen wurde. Hierbei wird eine Erwartungshaltung auferlegt, die sich mit einer sanfteren und umweltverträglicheren Technik auseinandersetzt. Zahlreiche Bemü- hungen über die Integration einer Definition der Bionik von Nachhaltigkeitsaspekten war bisher erfolglos. Hierbei wurden Maßnahmen eingeleitet (BIONA 2008 bis 2012), die sich mit Nachhaltigkeitsbeiträgen bionischer Innovationen beschäftigen. Als Orientierungs- hilfe hat der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) im Rahmen der Richtlinienarbeit eine Definition ausgearbeitet, die als bestmöglicher Kompromiss aller Definitionen verstanden werden kann.17

„ Bionik verbindet in interdisziplinärer Zusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellung zu lösen“. 18

3 Historische Wurzeln der Bionik

Zu Beginn hat die allgemeinformulierte Definition „Lernen von der Natur für technische Lösungen“ in der historischen Entwicklung der Bionik Anwendung gefunden. Sowohl die uneingeschränkte Begeisterung zahlreicher Leistungen der belebten Natur, als auch die Vielzahl der zur Verfügung stehenden Mittel sind heute wesentlicher Bestandteil der Bio- nik.19 Bis zu dieser Zeit sind die bionischen Anfänge aus dem Vergleich funktionsmor- phologischer Forschungsergebnisse mit Hilfe von technischen Konstruktionen entstan- den20 (siehe Anhang 2). Vor diesem Hintergrund haben sich erste bionische Entwicklun- gen gezeigt, die es in diesem Assignment näher zu beschreiben gilt. Exemplarisch wer- den drei Entwicklungen aufgezeigt und beschrieben.

3.1 Da Vincis Vogelflug

Leonardo da Vinci galt als der erste Bioniker in der Geschichte, welcher sich mit dem Traum vom Fliegen der Menschenheit beschäftigte. Dazu entwarf er eine Vielzahl von Flugapparaten, die aufgrund der nicht zur Verfügung stehenden Materialen zu dieser Zeit gescheitert sind. Der Fokus von Leonardo da Vinci lag in der Erforschung des Vogelflu- ges. Dabei bemerkte er, dass die Handschwingen des Vogelflügels beim Abschlag ge- spreizt und beim Aufschlag zusammengelegt werden. Die Untersuchungen von Vögeln und Menschen ergaben die Erkenntnis, dass die Flugmuskeln bei Vögeln ca. die Hälfte ihres Körpergewichtes ausmachen, während es bei den Menschen knapp 20-25 % sind. Auf dieser Erkenntnis aufbauend entwarf er eine Vogelflugmaschine (Orthopteren), in denen die Schlagflügel anhand der Arm- und Beinmuskeln der Menschen angetrieben werden. Diese Antriebskraft reichte allerdings aufgrund der fehlenden Muskelkraft nicht aus. Seine Erkenntnisse über den Vogelflug stellt Leonardo da Vinci in seinem Werk Sul Volo degli Ucelli dar.21

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Entwurf eines Fluggerätes nach dem Hubschrauber-Prinzip22

3.2 Baker-Galeone

Im Jahre 1576 entwarf der Schiffsbauer Matthew Baker nach den Vorstellungen von John Hawkins einen Galeonentyp, der sich sowohl mit der Reduzierung des Wasserwiderstan- des, als auch mit einer gesteigerten Schnelligkeit in Verbindung mit einer optimierten Wendigkeit und Kursstabilität beschäftigte. Hierfür studierte M. Baker die strömungsan- gepasste Form von Fischen für die Unterwasserrümpfe. Biologisch betrachtet sind die Rümpfe von schnell schwimmenden Fischen als strömungsoptimiert anzusehen. Bis zu dieser Zeit wusste man allerdings noch nicht, welche Rumpfform die idealste ist. Hierbei wurde schließlich die Fischform als Anregung geboten. Als Ergebnis lässt sich die Quer- schnittsverteilung eines Dorschkopfes und Makrelenschwanzes symbolisieren, die eine Abstraktion von großen und schnellschwimmenden Meeresfischen darstellen.23 Als die Umrüstung auf effiziente Kriegsgaleonen begonnen hatte, war England im Jahre 1573 noch keine maritime Macht. Dies änderte sich u.a. aufgrund der Galeonenkonstruktion, sodass die Bionik zu dieser Zeit die Weltgeschichte beeinflusst hat.24

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Baker-Galeone25

3.3 Cayleys Wiesenbocksbart-Fallschirm

Sir George Cayley ist Entdecker der Aeronautik (Flugphysik), der im Jahre 1829 eine autostabile Fallschirmform entworfen hat. Zuvor erforschte er eine Vielzahl von Naturfor- men, wie bspw. Delfin- und Spechtrümpfe, die als Vorbilder für lenkbare Ballons galten.

Dabei erlangte er die Erkenntnis zu hinterfragen, warum die Diasporen (Ausbreitungsein- heiten der Pflanzen) des Wiesenbocksbarts (A) autostabil fallen. Der Grund liegt zum einen darin, dass das Nüsschen des Wiesenbocksbarts weit von dem lang ausgezoge- nen Pappusträger entfernt liegt, was zu einer tiefen Schwerpunktsetzung führt.26 Zum anderen ist die tragende Fläche nicht ebenmäßig, sondern nach außen aufgerichtet. Durch einen Windstoß wird ein autostabiles Einschwenken hervorgerufen, wodurch das Schirmchen in Ruhelage versetzt wird. Diese Vorgehensweise wurde beim Cayleyschen Fallschirm angewandt, indem der Schwerpunkt gleichermaßen unten, und die Tuchflä- chen an den äußeren Rändern aufgerichtet wurden (B). Diese Übernahme entspricht der Vorgehensweise der modernen Bionik.27

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Cayleys Wiesenbocksbart-Fallschirm28

4 Gegenwärtige Entwicklungsfelder der Bionik

Die Bionik lässt einen unbegrenzten Ideenpool für neue Forschungsgebiete aufweisen, die seit Jahrmillionen Jahren optimiert und erprobt wurden. Aufgrund der Biodiversität und den evolutionären Wandel, welcher bereits im Einführungsteil des Assignments auf- gegriffen wurde, finden sich in der Natur unterschiedliche Lösungsansätze für neue For- schungsgebiete wieder. Hierbei kann bspw. eine konkrete Fragestellung auf der techni- schen Seite der Bionik hervorgerufen werden, die durch eine spezifische Antwort in der Natur gefunden wird (Technology-pull oder Top-down Prozess). Umgekehrt lassen sich im Bezug zur Grundlagenforschung neue Produkte und Innovationen entwickeln, die aus dem biologischen Vorbild in der Natur abgetragen werden, ohne eine konkrete technische Fragestellung hervorzurufen (Biology-push oder Bottom-up Prozess).29

Aus diesen Entwicklungen haben sich eine Vielzahl marktfähiger Produkte etabliert, die aus heutiger Sicht nicht mehr wegzudenken sind. Erste Anregungen hierfür bieten bspw. der Klettverschluss oder der Lotus-Effekt. Letzteres wurde von dem Wissenschaftler Prof. Wilhelm Barthlott entdeckt und hat zu einem neuen Verständnis von Oberflächenbeschaf- fenheit beigetragen. Aus diesen Innovationen haben sich inzwischen eine Vielzahl von Nebeninnovationen und Förderprogrammen in Deutschland identifiziert, welche als Über- sicht in der nachfolgenden Grafik dargestellt wird.30

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Wege der Bionik in Deutschland31

[...]


1 Biokon - Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e.V., Best Practices (2013), (Zugriff am 12.07.2019).

2 Eschenbacher, W. (2013), (Zugriff am 06.07.2019).

3 Vgl. Eschenbacher, W. (2013).

4 Vgl. Biokon - Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e.V., Definition (2013), (Zugriff am 06.07.2019).

5 Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung (2019), (Zugriff am 16.07.2019).

6 Vgl. Oertel, D., Grunwald, A. (2006), S. 5, (Zugriff am 10.07.2019).

7 Vgl. Küppers, Dr.-Ing. E.W.U. (2015), S. 5 f.

8 Vgl. Küppers, Dr.-Ing. E.W.U. (2015), S. 6 f.

9 Küppers, Dr.-Ing. E.W.U. (2015), S. 8.

10 Vgl. Bertling, J. (2014), S.150.

11 Oertel, D., Grunwald, A. (2006), S. 22.

12 Vgl. Oertel, D., Grunwald, A. (2006), S. 22 f.

13 Oertel, D., Grunwald, A. (2006), S. 24.

14 Vgl. Bertling, J. (2014), S.152 f.

15 Vgl. von Gleich, A., Pade, C., Pissaroskoi, E. (2007), S. 46, (Zugriff am 25.07.2019).

16 Ausführliche Begründung über die Verdrängung der Begriffe Prothetik und Enhancement im deutsch- sprachigen Raum in: Bertling, J.: Bionik als Innovationsstrategie, S. 144, in: Herstatt, C., Kalogerakis, K., Schulthess, M. (Hrsg.) (2014): Innovationen durch Wissenstransfer – Mit Analogien schneller und kreati- ver Lösungen entwickeln, Wiesbaden.

17 Vgl. Bertling, J. (2014), S.152 f.

18 Bertling, J. (2014), S.153.

19 Vgl. Oertel, D., Grunwald, A. (2006), S. 19.

20 Vgl. Nachtigall, W., Pohl, G. (2013), S. 2.

21 Vgl. Universität Freiburg und Kompetenznetz Biomimetik (2008), (Zugriff am 12.07.2019).

22 Scinexx (2014), (Zugriff am 25.07.2019).

23 Vgl. Nachtigall, W., Wisser, A. (2013), S. 4.

24 Vgl. Nachtigall, W. (2008), S. 17.

25 Biokon - Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e.V., Geschichte (2013), (Zugriff am 12.07.2019).

26 Vgl. Nachtigall, W., Wisser, A. (2013), S. 6.

27 Vgl. Nachtigall, W. (2008), S. 14.

28 Nachtigall, W., Wisser, A. (2013), S. 6.

29 Vgl. VDI (2012), S. 2, (Zugriff am 30.07.2019).

30 Vgl. VDI (2012), S. 3.

Details

Seiten
40
Jahr
2019
ISBN (eBook)
9783346030061
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v499645
Institution / Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,0
Schlagworte
Bionik Biomimikry Biomimese Biologie Technik

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