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Dienstag, 21 September 2021 11:59

Bionik: Lernen aus der Natur – auch ohne Biologie-Kenntnisse – Teil 1 – Start-Up für Innovationen in der Oberflächentechnik

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Geschätzte Lesezeit: 7 - 13 Minuten

Der Beitrag will deutlich machen, dass man auch ohne biologische Vorkenntnisse Innovationen in der Oberflächentechnik machen kann, wenn man den klassischen und in der VDI 2221 [15–17] beschriebenen Methoden einen kleinen ergänzenden Bestandteil hinzufügt: nämlich wo es das Funktionsprinzip oder die Funktionsanalogie in der Natur gibt. An Beispielen aus der Metallbiologie wird erklärt, wie man bionisch einen biologischen Entroster entwickelt hat und wie man bionisch entwickelt natürlicherweise Eisen aus Spülbädern nach Eisenbeizen selektiv entfernen kann, ohne dass man dazu Fällungsmittel braucht.

1 Hintergründe

Bionik gilt inzwischen bei den Medien-Schaffenden weithin als bekannt, seit Frank Elstner und Ranga Yogeshwar Samstag abends nach der Tagesschau zu Spielshows zur Bionik eingeladen hatten. In den Schulen, Hochschulen und den meisten Unternehmen ist Bionik jedoch bis heute so gut wie nicht angekommen.

Das hat seine Hintergründe: Das Wissensgebiet „Biologie und Technik“ erschließt sich – vermeintlich – nicht so einfach: Biologin wurde Frau (man konnte ich hier nicht korrekt schreiben), weil Frauen eher Natur-affin sind. Weiterhin pauschalisierend sind Männer eher Technik-affin, weil ihnen biologische Themen zu wenig berechenbar scheinen (außer dem 1 + 1 gibt meistens 3, vielleicht auch 4, wenn es Zwillinge werden, ist in der Natur keine Sicherheit für das Ergebnis gegeben; auch der Chemiker wird kein Bio-Chemiker, weil ihm stöchiometrische Gleichgewichtsbeziehungen wichtiger sind als Fließgleichgewichte, die man nicht vorhersagen kann). Damit ist das Überlappungsfeld – scheinbar – nur waghalsigen Biologinnen und Technikern offen. Hinzu kommt im Schul- und Ausbildungsbereich, dass viele Dozenten nun in einem Alter angekommen sind, wo es sich „einfach nicht mehr lohnt“, seine Curricula zu überarbeiten:

  1. weil es zusätzliche Zeit kostet, die man nicht hat
  2. weil man fürchtet, sich auf ein Terrain zu begeben, das nur aus Glatteis besteht
  3. und man kein „Esel“ sein oder werden will
  4. und man von „Biologie“ keine wirkliche Ahnung zu haben glaubt bzw. Frau von „Technik“.

Für Innovationen, die bionisch entwickelt wurden, gibt es etliche Literatur. Sie sind aber immer so dargestellt, als ob nur ein Bionik-Experte sie im Zusammenspiel mit Kollegen in interdisziplinären Teams habe finden können. Dabei ist eines der schönsten Beispiele der Klettverschluss, den jeder kennt und vielfach im Gebrauch hat.

Er ist typischerweise von einem Natur-Beobachter gelegentlich „gefunden“ worden, den es zunächst geärgert haben soll, dass sein langhaariger Hund durch Kletten-Gebüsche gestreift war und er nun mühsam die Kletten aus dem Fell einzeln herausdrehen musste. Diese lästig angemutete Zeit hatte er genutzt, um sich die Kletten genauer bzw. deren Verharkens-Mechanismus im Detail anzuschauen. Das Ergebnis ist Ihnen bekannt: aus der Natur gelernt und mit einem Mineralöl-basierten Kunststoff realisiert: Millionen Gewinne gemacht.

2 Bionik begreifen

Der Begriff Bionik schreibt BIOKON e.V., die Dachorganisation der Bionik in Deutschland, auf seiner Website [27], setzt sich zusammen aus Biologie und Technik. Er beschreibt das kreative Umsetzen von Anregungen aus der Biologie in die Technik. Dazu arbeiten Biologen eng mit Ingenieuren, Architekten, Physikern, Chemikern und Materialforschern zusammen.

Bionik ist in der VDI 6220 [19] wie folgt definiert: 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 Fragestellungen zu lösen. Biologische Vorbilder im Sinne dieser Definition sind biologische Prozesse, Materialien, Strukturen, Funktionen, Organismen und Erfolgsprinzipien sowie der Prozess der Evolution.

Bionik ist also eine Methode, wie man – top down – technische Fragestellungen einer innovativen Lösung zuführen kann, die evolutiv optimierte Strukturen und Prozesse aus der Natur nutzt. Es geht dabei nicht um die einfache Kopie natürlicher Vorbilder, sondern um die Identifizierung von Prinzipien und/oder Funktionsanalogien sowohl der technischen Fragestellung als auch der systematischen Auswertung des Fächers prinzipieller Lösungen, wie sie in der Natur zu beobachten sind.

In der VDI 6220 Blatt 1 [20–22], die in Kürze als Gründruck erscheinen wird, wird deutlicher noch als zuvor auf diesen wichtigen Unterschied hingewiesen: Leonardo da Vinci war nicht der erste Bioniker, Otto Lilienthal hingegen schon, weil er seinen Gleitflug-Apparat dem Gleitflug der Vögel im Funktionsprinzip, nämlich die „Umsetzung von Lageenergie in Auftrieb und Vortrieb“, nachgebaut hatte. Er hatte an Vögeln studiert, wie Körper, die schwerer als Luft sind gleitend fliegen können. Bei den bekannten „Winglets“ an Flugzeugen wurde eine Funktionsanalogie aus der Natur übernommen, wie die Flügelenden stabilisiert werden können (und im Nebeneffekt der Kerosin-Verbrauch gesenkt wird).

In der VDI 6220 sind zwei bionische Herangehensweisen skizziert, die dem Wesen der Bionik entsprechen (für das Jahrbuch Oberflächentechnik wird der Schwerpunkt auf „Top down“ gelegt, weil es dem Autor ja darum geht, bei technischen Fragestellungen in der Natur nach Lösungen zu suchen); zunächst zum Verständnis aber zu den:

Bottom-up Entwicklungen

Einleuchtende Beispiele für Bottom-up sind der oben dargestellte „Klett-Verschluss“ und die in der Oberflächentechnik sicherlich gut bekannten Oberflächenstrukturen, die von der Lotus-Blattoberfläche abgeschaut wurden. Bottom-up steht also dafür, dass bei der Natur-Beobachtung Phänomene gesehen wurden, die zu funktionsanalogen technischen Produkten geführt haben. Diese müssen nicht notwendigerweise „biologischer Natur“ sein. Es geht um ein Prinzip, das in der Natur beobachtet und daraus gelernt wurde, das Prinzip technisch nutzbar zu machen.

Top-down Entwicklungen

sind beispielsweise die „Gecko-Tapes“ – also Produkte, die ähnlich wie beim Klettverschluss eine mehrfach wiederlösbare, haftende Verbindung herstellen. Hier wurde nämlich vom Problem herkommend (also Top-down) die Frage gestellt: wo in der Natur gibt es haftende Strukturen, die auf allen Materialien, insbesondere solchen mit glatten Oberflächen haften (und kein Gegenstoffband wie beim Klettverschluss brauchen) und gut und schnell und rückstandsfrei wiederlösbar sind? Der Gecko war eines der Vorbilder: Millionen von „Härchen“ stellen über Millionen-fach kleine van der Waals Kräfte Beziehungen zu jedem Untergrund (bspw. auch Glas) her, dass ein viele 100 Gramm schwerer Gecko noch unter einer (Glas-)Decke laufen kann (übrigens ist das ein Beispiel aus dem Bereich der molekularen Bionik, siehe weiter hinten).

Ein ebenso schönes Beispiel ist die Entwicklung geräuschloser Lüfter, die heute u.a. in Konzertsälen weltweit in Scheinwerfen eingebaut sind: Die Firma Ziehl-Abegg aus Künzelsau suchte im Jahr 2013 nach einem Vorbild in der Natur und fand die Eule, untersuchte mit allen modernen Methoden das Wesen des Eulen-Flügels, bildete es technisch nach: so wird man zum Weltmarktführer.

Bionik kann man vielfach in die Hand nehmen, haptisch begreifen: Bionik ist nicht so abstrakt, wie das Kunstwort aus Biologie und Technik vermittelt:

  • eine Klette kann man im Frühjahr in die Hand nehmen und sehen, wie sie sich auf einem Stoff verharkt
  • es muss keine Lotospflanze sein, auch die bei uns wachsende Kapuzinerkresse nutzt den Effekt der Abreinigung der Blattoberfläche, wenn (Regen-)Wassertropfen auf der Oberfläche ablaufen
  • einen Eulenflügel kann man vielleicht nicht anfassen, aber z. B. im TECHNOSEUM, Mannheim, in Verbindung mit einem Lüfterrad oder in vielen Naturkundemuseen aus einer gewissen Entfernung studieren
  • für molekularbionische Bionik braucht es manches Mal Mikroskopier-Techniken mit denen man sich Oberflächen-Strukturen bis hin zu deren molekularen Aufbau anschauen kann, um sie zu begreifen. Faszinierend ist zum Beispiel für einen Oberflächentechniker die Frage, weshalb ein Regenwurm „sauber“ aus der feuchten, klebrigen Erde herauskommt [26].

3 Bionik ist vielschichtig

BIOKON e.V. (die Dachorganisation von Menschen, die sich mit Bionik beruflich beschäftigen) hat 10 interdisziplinär zusammengesetzte Fachgruppen, in denen sich vorwiegend Naturwissenschaftler und Ingenieure aus Hochschulen und der Industrie thematisch zusammengefunden haben:

  • FG1 Architektur und Design
  • FG2 Leichtbau und Materialien  
  • FG3 Oberflächen und Grenzflächen
  • FG4 Fluiddynamik
  • FG5 Robotik und Produktionstechnik
  • FG6 Sensorik und Informationsverarbeitung
  • FG7 Bionische Optimierungsmethoden  
  • FG8 Organisation und Management
  • FG9 Aus- und Weiterbildung
  • FG10 Bionische Medizintechnik

Der VDI greift in seinem Statusreport [18] zu „Life Sciences – Trends und Perspektiven“ Themengebiete heraus:

  • Werkstoffe und Materialien
  • Oberflächenfunktionalisierung
  • Molekularisierung
  • Sichere Mensch-Maschine-Interaktion
  • Automatisierung / Sensorik

Schließlich hat der Autor auf dem 4. Bionik-Kongress Baden-Württemberg zum Thema „Automobil- und Maschinenbau“ [6] – neben dem Thema „molekulare Bionik“ – in 5 Foren den Fokus gesetzt auf:

  • Aerodynamik
  • Bauteil-Design und -Optimierung
  • Leichtbau
  • Haften und nicht Haften
  • Robotik

Der Themenauszug zeigt, dass man auf allen Gebieten der Oberflächentechnik schon nach natürlichen Lösungen gesucht und für etliche Fragestellungen auch gefunden hat.

So kann sich der Oberflächentechniker an bereits gemachten bionischen Entwicklungen orientieren, wie beispielsweise im Jahrbuch Oberflächentechnik Band 70 zum bionisch entwickelten „biologischen Entroster“ oder zum „enzymatischen Reiniger von Polier-Rückständen“ [7] beschrieben, oder in dicken Bänden von Werner Nachtigall, insbesondere „Bionik in Beispielen: 250 illustrierte Ansätze [12] nachlesen und sich inspirieren lassen.

Oder man kann selbst in der Natur nach Lösungen von Fragestellungen suchen gehen.

4 Start-up für Innovationen in der Oberflächentechnik

Intention dieses Beitrages ist es, Hinweise zu geben, wie man ohne Biologie- oder Zoologie-Kenntnisse selbst in der Natur zu Lösungen für technische Fragestellungen fündig werden kann. Sicherlich mit großem Spaß, wenn man im Team gemeinsam die Aufgabenstellungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachten kann. Dem Autor ist es wichtig, zu vermitteln, dass die Methode der Herangehensweise an eine Fragestellung das „A und O“ ist. Die Natur, sprich die Biologie oder Zoologie oder andere Wissensgebiete, die sich mit den Ergebnissen evolutiver Entwicklungen beschäftigen, kommt erst sehr viel später ins Spiel. Vielleicht ist dem Leser bereits aufgefallen, dass hier immer von „Fragestellungen“ und nicht von „Problemstellung“ geschrieben wird? Grund dafür ist, obwohl meistens Probleme Auslöser für Prozessverbesserungen bis hin zu neuen, verbesserten Produkten sind, dass i.d.R. ein Problem aus vielen Teilproblemen besteht, die man in einzelne Fragestellungen zerlegen muss, von denen es eine entscheidende Fragestellung gibt: und auf diese eine muss eine Antwort gefunden werden, gegebenenfalls hat die Antwort die Natur evolutiv optimiert bereits parat.

Herangehensweise des Autors bei bionisch-inspirierten Entwicklungen ist also:

  • zum Ersten: grundsätzlich Ergebnis-offen sein!
  • zum Zweiten: solange zu hinterfragen, bis des „Pudels Kern“, also die entscheidende Kernfrage schriftlich formuliert wurde.
  • zum Dritten: die Kernfrage in ein Prinzip bzw. eine Funktion zu abstrahieren (positiv formuliert) und ein Modell dazu zu skizzieren.

Grundsätzlich ist dieses Prinzip in der VDI 2221 [15–17] zum „Konstruieren“ schon beschrieben: bei „Problemstellungen wird es in der Praxis meistens nicht angewendet, weil ‚schnell' ein Problem gelöst werden muss. In Entwicklungsabteilungen schon eher, aber dort fehlt es ‚meistens' am „Ergebnis-offen sein“ und man „konstruiert so, wie man es eben an der Hochschule gelernt hat“.

Gorb und Voigt [2] haben die Strukturen/Funktionen und Wirkungsprinzipen diverser Oberflächen in Tabelle 1 zusammengestellt und nennen biologische Beispiele, wo sie zu finden sind, bzw. Beispiele, wo diese in technischen Anwendungen zu finden sind.

  • zum Vierten (jetzt erst wird es bionisch): die Suche – ggf. unter Herbeiziehung eines aufgeschlossenen Biologie-Lehrers aus der Schule seiner Kinder – beginnt damit das Prinzip bzw. die Funktion in Analogie in der Natur zu identifizieren und herauszuarbeiten, wo es der Kernfrage am nächsten kommt und das natürliche Analogon Vorlage für die Lösung der Kernfrage war. Man kann heute ja ganz einfach im Internet recherchieren: Stichwort(e)
  • zur „Funktionsanalogie (Pudels Kern)“ plus
  • „in der Natur“
  • Der Autor bekam jüngst bei der Recherche zu möglichen Vortragenden in der Automobil-Industrie für den 4. Bionik-Kongress Baden-Württemberg mehrfach zu hören, dass man es ja bionisch versucht habe, aber gescheitert sei. Auf die Nachfrage, zu welcher Funktionsanalogie in der Natur gesucht worden wäre, lautete die Antwort immer: „Funktionsanalogie? noch nie gehört!“
  • zum Fünften: ist die Vorgehensweise nun wieder klassisch, in dem das natürliche Vorbild auseinander genommen und mit klassischen Methoden der Mess- und Analysentechnik analysiert wird, bis man die natürliche Lösung des „abstrahierten Modells“ entschlüsselt hat.
  • zum Sechsten konstruiert man Prototypen oder formuliert neue Produkt-Gemische, untersucht sie, ob sie vom Prinzip geeignet sind und optimiert sie im positiven Fall (ggf. mit bionischen Methoden der CAO (Computer Aided Optimization), der SKO (Soft Kill Option, besser bekannt und vielfach angewendet unter dem Stichwort: Topologieoptimierung) oder dem ELiSE (Evolutionary Light Structure Engineering).

Tab. 1: Strukturen/Funktionen und Wirkungsprinzipen diverser OberflächenTab. 1: Strukturen/Funktionen und Wirkungsprinzipen diverser Oberflächen

wird fortgesetzt

Literatur

[1] Christen, H.R.: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie, Verlag Sauerländer, Aarau, Diesterweg, Salle, Frankfurt am Main, 1973
[2] Gorb, S.N.; Voigt, D.: Funktionale biologische Oberflächen als Vorbilder für die Technik, Performance Doppelausgabe, 2009, 68–77
[3] Hardmann, D.J.: Pollution: Ecology and Biotreatment, Longman Group UK Limited, 1993
[4] Hollemann, A.F.; Wieberg, E.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 56. Auflage, Walter de Gryter & Co, Berlin, 1960
[5] Kolditz, L. [Hrsg.]: Anorganikum, 13. neu bearbeitete Auflage, Johann Ambrosius Barth, Leipzig, Berlin, Heidelberg, 1993
[6] Kunz, P.M.: 4. Bionik-Kongress Baden-Württemberg – aus der Natur lernen, John Deere Forum, Mannheim, 2019
[7] Kunz, P.M.; Sommer, I: Bionische Entwicklungen in der Oberflächentechnik, Jahrbuch Oberflächentechnik Band 70, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2014
[8] Kunz, P.M.; Monzel, M.: Biosorptive Entfernung von Eisenverbindungen aus Spülbädern der Metallindustrie, Projekt- Abschlussbericht Innovatives Projekt des Landes Baden-Württemberg, Hochschule Mannheim, 2002
[9] Kunz, P.M.: Umwelt-Bio-Verfahrenstechnik, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1992
[10] Kunz, P.M.; Frietsch, G.: Mikrobizide Stoffe in biologischen Kläranlagen – Immissionen und Prozessstabilität, Springer Verlag, Berlin, 1986
[11] McEldowney, S.: Microbial biosorption of radionuclides in liquid effluent treatment, Appl. Biochem. Biotechnol.; 26, 1990, 159–180
[12] Nachtigall, W.; Wisser, A.: Bionik in Beispielen: 250 illustrierte Ansätze, Springer Spektrum Verlag, 2013
[13] Puranik, P.R.; Paknikar, K.M.: Biosorption of lead and zinc from solutions using Streptoverticillium cinnamoneum waste biomass, Journal of Biotechnology 55, 1997, 113–124
[14] Schlegel, H.G.: Allgemeine Mikrobiologie, Thieme Verlag, 1985
[15] VDI 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Mai 1993
[16] VDI 2221 Blatt 1: Entwicklung technischer Produkte und Systeme – Modell der Produktentwicklung, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, März 2018
[17] VDI 2221 Blatt 2: Entwicklung technischer Produkte und Systeme – Gestaltung individueller Produktentwicklungsprozesse, Entwurf, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, März 2018
[18] VDI Statusreport: Life Sciences – Trends und Perspektiven, [1] VDI Statusreport Verein Deutscher Ingenieure, Oktober 2018
[19] VDI 6220: Bionik – Konzeption und Strategie, Abgrenzung zwischen bionischen und konventionellen Verfahren/Produkten, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Dezember 2012, 2013
[20] VDI 6220 Blatt 1: Bionik – Grundlagen, Konzeption und Strategie, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Gründruck 2019
[21] VDI 6221: Bionik – Bionische Oberflächen, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, September 2013
[22] VDI 6223: Bionik – Bionische Materialien, Strukturen und Bauteile, Verein Deutscher Ingenieure, Beuth-Verlag, Juni 2013
[23] Volesky, B.; May Phillips H.A.: Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae, J. Appl. Microbiol Biotechnol. 42, 5, 1995, 797–806
[24] Volesky, B.; Niu, H.; Xu, X.S.; Wang, J.H.: Removal of lead from aqueous solutions by Penicillium biomass, Biotechnol. Bioeng. 42, 1993, 785–787
[25] Yakubu, N.A.; Dudeney, A.W.L.: Immobilization of Ions by Biosorption, Hydrometallurgy, 1986
[26] Zhao, H.; Sun, Q.; Deng, X.; Cui, J.: Earthworm-Inspired Rough Polymer Coatigs with Self-Replenishing Lubrication for Adaptive Friction-Reduction and Antifouling Surfaces, Advanced Materials 30, 29, 2018, 1802141
[27] http://www.biokon.de/bionik/was-ist-bionik/ 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 9
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Peter M. Kunz Bio-Logik-Control, Mannheim

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