Die Bionik (auch: Biomimikry, Biomimetik, Biomimese) beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihrer innovativen Umsetzung in der Technik. Die Bionik ist ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure, sowie ggf. Vertreter anderer Disziplinen wie etwa Architekten und Designer zusammen arbeiten.
Der englische Begriff bionics wurde vom US-amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele 1960 auf einer Konferenz in der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio, geprägt. Das deutsche Kofferwort Bionik setzt sich aus Biologie und Technik zusammen und bringt damit zum Ausdruck, wie für technische Anwendungen Prinzipien verwendet werden können, die aus der Biologie abgeleitet wurden. Die Bionik ist systematisches Lernen von der Natur und steht damit in Abgrenzung zur reinen Naturinspiration.
2 Vorgehensweisen
2.1 Bionik als top-down-Prozess (Analogie-Bionik)
2.1.1 Beispiele
2.2 Bionik als bottom-up-Prozess (Abstraktions-Bionik)
3 Entsprechungen von technischen Entwicklungen und Natur
6.1 Studiengänge
Im englischen Sprachraum beschränkt sich die Bedeutung von „bionics“ zumeist auf die Konstruktion von Körperteilen oder allgemeiner einer Kombination von Biologie und Elektronik. Das, was im deutschsprachigen mit Bionik bezeichnet wird, entspricht im Englischen oft dem Begriff biomimetics oder manchmal auch biomimicry. Da viele Autoren sich der sprachlichen Problematik bewusst sind, werden mittlerweile die beiden Begriffe Bionik und Biomimetik meist als Synonyme verwendet.
In der Bionik werden für technische Probleme gezielt Lösungen in der Biologie gesucht (Bionik als top-down-Prozess, Analogie-Bionik). Alternativ werden Prinzipien von biologischen Modellsystemen Produkt-unabhängig abstrahiert (vom biologischen Vorbild losgelöst), die dann als Ideenvorlage für vorher nicht festgelegte technische Problemlösungen dienen können (Bionik als bottom-up-Prozess, Abstraktions-Bionik). Nachdem diese neuen Prinzipien in der Technik etabliert sind, können die Anwendungen in jedem geeigneten Bereich stattfinden. Diese Herangehensweisen werden auch dadurch begründet, dass im Laufe der Evolution viele biologische Lösungen optimiert wurden.
Als historischer Begründer der Bionik wird häufig Leonardo da Vinci angeführt, der beispielsweise den Vogelflug analysierte und versuchte, seine Erkenntnisse auf Flugmaschinen zu übertragen. Das erste deutsche Patent im Bereich Bionik wurde 1920 Raoul Heinrich Francé für einen „Neuen Streuer“ nach dem Vorbild einer Mohnkapsel erteilt (Dt. Patentamt, Nr. 723730). Kurz darauf entstand eine weitere nützliche Erfindung nach dem Vorbild der Klette. Das Prinzip wurde von dem Schweizer Wissenschaftler George de Mestral entdeckt. Er nutzte die Eigenschaft der Klettfrucht, um den Klettverschluss zu erfinden. Allerdings hat sich die Bionik erst in den letzten Jahrzehnten insbesondere aufgrund neuer und verbesserter Methoden (Rechnerleistung, Produktionsprozesse) zu einer etablierten Wissenschaftsdisziplin entwickelt.
Bei der Entwicklung technischer Funktionselemente waren parallele Entwicklungen in der Natur nicht immer bekannt. So wurde das Fachwerk ohne Kenntnis der Feinstruktur der Knochenbälkchen entwickelt. Da keinerlei Übertragung stattfand, spricht man bei solchen formellen oder funktionellen Übereinstimmungen von Entsprechungen und nicht von Bionik.
Biomimetik oder Bionik als Wissenschaftsdisziplin sucht dagegen gezielt nach Strukturen in der Natur, die technisch als Vorbilder von Bedeutung sein können.
Diese Vorgehensweise kann häufig als reine Analogien-Suche bezeichnet werden. Sie erlaubt allerdings meist nur kleinere Innovationssprünge, da die technische Anwendung bereits erkennbar sein muss.
Alternativ können durch biologische Grundlagenforschung bestimmte Struktur- oder Organisationsprinzipien beschrieben werden, die erst danach als geeignet für eine Übertragung in die Technik erkannt werden. So werden etwa anhand der Untersuchung des Knochenaufbaus neue Fachwerkskonstruktionen entwickelt. Auch führten die Erkenntnisse über die Unbenetzbarkeit und Selbstreinigung bestimmter pflanzlicher Oberflächen erst später zur Entwicklung so unterschiedlicher industrieller Produkte wie Fassadenfarbe, Dachziegel und Markisen mit dem so genannten Lotus-Effekt.
Als Meilenstein der Bionik gilt Ingo Rechenbergs Vortrag auf der gemeinsamen Jahrestagung der WGLR und DGRR im September 1964 in der Berliner Kongresshalle mit dem Titel: „Kybernetische Lösungsansteuerung einer experimentellen Forschungsaufgabe“. Hier führte er das mittlerweile berühmt gewordene Darwin-im-Windkanal-Experiment vor, in dem eine zur Zickzackform gefaltete Gelenkplatte sich evolutionär zur ebenen Form geringsten Widerstands entwickelt.
Bionik als top-down-Prozess (Analogie-Bionik)
Problem definieren
in der Natur Analogien suchen
Vorbilder aus der Natur analysieren
mit Erkenntnissen aus der Natur Ideen für das zu lösende Problem suchen
Flugzeug: Otto Lilienthal und die Gebrüder Wright beobachteten den Flug (Lokomotion) großer Vögel, bevor sie ihre Prototypen bauten.
Fallschirm: Frucht des Wiesenbocksbarts
Winglets an Flugzeugflügeln: Hoher Treibstoffverbrauch durch große Wirbel an den Flügelspitzen von Flugzeugen. Untersuchung von Flügeln segelnder/gleitender Vögel als Flugzeug-Analogie. Beschreibung der Handschwingen von bestimmten Vogelarten (etwa Bussard, Kondor und Adler), die statt eines großen Wirbels mehrere kleinere verursachen und damit insgesamt weniger Energie verbrauchen. Herstellung künstlicher Flügel mit mehreren Wirbelablösestrukturen (Winglets). Die Weiterentwicklung führte zu einem Schleifenprofil am Flügelende (Split-wing loop), der etwa zur selben Zeit parallel nicht-bionisch von einer Flugzeug-Entwicklungsfirma entwickelt wurde (Spiroid). Dieses Beispiel zeigt, dass am Ende einer Optimierung deren bionische Herleitung nicht mehr sichtbar sein muss.
Entwicklung neuartiger Profile von Autoreifen: Biologisches Vorbild waren etwa Katzenpfoten, die sich bei Richtungswechsel verbreitern und so mehr Kontaktfläche zum Untergrund haben.
Spinnenartige Roboter, deren Beine autonome Steuerungsfunktionen haben und die dadurch zentral gesteuerten Robotern überlegen sind.
Bionik als bottom-up-Prozess (Abstraktions-Bionik)
biologische Grundlagenforschung: Biomechanik und Funktionsmorpholgie von biologischen Systemen
Erkennen und Beschreiben eines zu Grunde liegenden Prinzips
Abstraktion dieses Prinzips (Loslösung vom biologischen Vorbild und Übersetzung in nicht-fachspezifische Sprache)
mögliche technische Anwendungen suchen
in Kooperation mit Ingenieuren, Technikern, Designern usw. eine technische Anwendung entwickeln
Unbenetzbarkeit und Selbstreinigung bestimmter biologischer Oberflächen: Die Beobachtung und nähere Untersuchung der Tatsache, dass von einem Blatt der Lotuspflanze praktisch alle wasserlöslichen Substanzen abperlen, führte zu Patenten für extrem schlecht benetzbare und selbstreinigende Oberflächenstrukturen (etwa für eine neue künstliche Oberfläche als Fassadenfarbe), dem Lotuseffekt. Siehe auch: Wachse auf Pflanzenblättern, beispielsweise von der Lotusblume, Kohlrabi usw.
Strukturoptimierung von Bauteilen (CAO und SKO): Wuchsformen von Bäumen oder Knochen
Riblet-Folien: Bei schnell schwimmenden Haien besteht die Hautoberfläche aus kleinen, dicht aneinander liegenden Schuppen. Auf diesen Schuppen befinden sich scharfkantige feine Rillen, die parallel zur Strömung ausgerichtet sind. Diese mikroskopisch kleinen Rillen bewirken eine Verminderung des Reibungswiderstands. Dieser widerstandsvermindernde Effekt ist in allen turbulenten Strömungen, also auch in Luft wirksam. Flugzeuge können mit einer speziellen Folie beklebt werden (so genannte Riblet-Folie), die auf ihrer Oberseite über eine ähnliche Struktur verfügt und so den Luftwiderstand des Flugzeugs senkt. Die wissenschaftliche Grundlage entstammt Untersuchungen an fossilen Haien und deren „Schuppen“.
Der Klettverschluss wurde nach dem Vorbild der Klettfrüchte entwickelt (George de Mestral, 1956).
Schwarmintelligenz und Ameisenalgorithmus übertragen Verhaltensweisen von Insekten und anderen, in Gemeinschaft oder größeren Gruppen lebenden Tieren in technische Bereiche.
Entsprechungen von technischen Entwicklungen und Natur
Saugnäpfe kommen auch beim Kraken und Käfern vor.
Sonar oder Echolot wurde, schon lange bevor der Mensch es kannte, von Delphinen und Fledermäusen benutzt.
Vorflügel der Flugzeuge: Daumenfittich des Vogelflügels
Propeller: Flügelfrucht des Ahorns
Spritzen: Giftstachel von Bienen oder Hornissen
Schwimmflosse: Schwimmhäute bei Fröschen oder Wasservögeln
Strahltriebwerk: Rückstoßprinzip bei Quallen und Tintenfischen
Atrapanieblas: Nebelnutzung des Nebeltrinker-Käfers
Lüftungssystem: Lüftungssystem in einem Termitenbau
Biosystemtechnik
Evolutionären Algorithmen/ Evolutionsstrategie
Mimese
Kreativitätstechnik-Methoden
Beispiel für Bionik im Alltag: Klettverschluss
Kurt G. Blüchel und Fredmund Malik (Hrsg.): Faszination Bionik, Die Intelligenz der Schöpfung, Mcb Verlag 2006, ISBN 3-939314-00-5
Kurt G. Blüchel: Bionik. Wie wir die geheimen Baupläne der Natur nutzen können, Goldmann 2006, ISBN 3-442-15409-X
Brickwedde/Erb/Lefevre/Schwake: Bionik und Nachhaltigkeit - Lernen von der Natur, Erich Schmidt Verlag, Berlin, 2007, ISBN 978-3-503-10325-6
Zdenek Cerman, Wilhelm Barthlott, Jürgen Nieder: Erfindungen der Natur. Rowohlt Reinbek bei Hamburg 2005, ISBN 3-499-62024-3
Doris Freudig: Faszination Biologie. Von Aristoteles bis zum Zebrafisch, Spektrum Akademischer Verlag 2005, ISBN 3-8274-1581-0
Antonia B. Kesel: Bionik, Fischer 2005, ISBN 978-3-596-16123-2
Helga Kleisny: Warum Fliegen sich im Kino langweilen. Bionische Methoden als Chance für die Zukunft , Kleisny 2000, ISBN 3-8311-0155-8
Werner Nachtigall, Kurt G. Blüchel: Das große Buch der Bionik. Neue Technologien nach dem Vorbild der Natur, DVA Stuttgart und München 2000, ISBN 3-421-05379-0, (Sonderausgabe 2003 unter ISBN 3-421-05801-6)
Werner Nachtigall: Natur macht erfinderisch. Das große Buch der Bionik, Ravensburger Buchverlag 2. Auflage 2001, ISBN 3-473-35890-8
Werner Nachtigall: Bionik, Springer Berlin 2. Auflage 2002, ISBN 3-540-43660-X
Werner Nachtigall: Bau-Bionik. Natur, Analogien, Technik, Springer Berlin 2003, ISBN 3-540-44336-3
Werner Nachtigall: Bionik - Was ist das? Was kann das? Was soll das?. (Audio-CD), supposé, Köln 2006, ISBN 978-3-932513-72-5
Ingo Rechenberg: Evolutionsstrategie. Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution, 1972, ISBN 3-7728-0374-1
Ingo Rechenberg: Evolutionsstrategie ′94, Frommann-Holzboog Stuttgart 1994, ISBN 3-7728-1642-8
Ingo Rechenberg: Photobiologische Wasserstoffproduktion in der Sahara, Frommann-Holzboog Stuttgart 1994, ISBN 3-7728-1643-6
T. Rossmann, C. Tropea: Bionik: Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- Und Geisteswissenschaft. Springer Berlin 2004, ISBN 3-540-21890-4
Wiktionary: Bionik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
Bionik-Kompetenz-Netz (BIOKON)
Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik Technische Universität Berlin
Bionik in Bonn
Kompetenznetz Biomimetik
Bionik an der TU Ilmenau
Bionik an der Universität des Saarlandes
Biotechnik Zentrum der TU Darmstadt
„Naturorientiertes Lernen“ an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster
Aktueller und allgemeinverständlicher Newsletter zu Bionik
Skript Bionik der TU Wien
Plattform Marine Bionik an der Hochschule Bremen
Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik
Expertennetz Bionik im Verein Deutscher Ingenieure (VDI)
Der Lotus-Effekt®
Die Natur als Vorbild für Technik und Organisation - Dienstleistung Bionik und Nanotechnologie
Bionik am Institut für Robotik und Mechatronik des DLR Oberpfaffenhofen
Internationaler Studiengang Bionik an der Hochschule Bremen
Biomechatronik an der TU Ilmenau
Bionik & Evolutionstechnik an der Technischen Universität Berlin