Wie die Möwe fliegt...

Trend

Bionik – Die Bionik ist seit langem Triebfeder für erstaunliche Lösungen in industriellen Anwendungen. So segelt zum Beispiel die Möwe zu neuen Erkenntnissen rund um die Aerodynamik.

18. April 2011

Bionik ein Trendthema? Das ist doch kalter Kaffee, werden viele sagen. Tatsächlich ist dieser Einwand berechtigt. Den Begriff »Bionics«, zu Deutsch Bionik oder auch Biomimetik, verwendete nämlich erstmals der amerikanische Luftwaffenmajor Jack E. Steele schon 1960. Er fand damit ein griffiges Wort für das Zusammenspiel von Biologie und Technik, also für technische Lösungen, die auf Phänomen in der Natur basieren. Bionik ist laut Steele systematisches Lernen von der Natur.

Ein Vorreiter in Deutschland ist Ingo Rechenberg, Inhaber des Lehrstuhls Bionik und Evolutionstechnik an der Technischen Universität Berlin. Seinen Vortrag »Kybernetische Lösungsansteuerung einer experimentellen Forschungsaufgabe« im September 1964 in Berlin sehen Experten als Meilenstein der Bionik an.

Reschenberg führte dort auch das Darwin-im-Windkanal-Experiment vor, in dem eine zur Zickzackform gefaltete Gelenkplatte sich evolutionär zur ebenen Form mit dem geringsten Widerstand entwickelt.

Bionische Inspirationen sind aber noch Jahrhunderte älter. Schon bei den Flugapparaten von Leonardo da Vinci stand der Vogelflügel Pate, darum gilt das Florentiner Universalgenie auch als historischer Begründer der Bionik. 1505 fanden erste Versuche mit einem Segelfluggerät statt. Da Leonardo seiner Zeit aber zu weit voraus war und sich sein Assistent schwer verletzte, blieb es beim Versuch.

Ähnlich erging es dem »Steinhuder Hecht«, dem vom gleichnamigen Fisch inspirierten ersten U-Boot der Geschichte. Die Eichenholzkonstruktion in Fischform mit flossenartigen Segeln und beweglicher Schwanzflosse, entworfen von Jakob Chrysostomus Praetorius, tauchte 1772 zwölf Minuten im Steinhuder Meer. Und dann nie wieder.

Motor für Entwicklungen

Heute ist die Bionik ein wichtiges und etabliertes Forschungsgebiet und Motor für viele Erfindungen und Entwicklungen. Es gibt erfolgreiche Beispiele aus dem Automobilsektor, aus Automatisierungstechnik und Maschinenbau sowie aus Biomedizintechnik, Chemie und Bau. Zu den Klassikern gehören Klettverschluss und Lotus-Effekt. Grundlage sind immer bessere Simulationsprogramme dank steigender Rechenleistung und verbesserte Produktionsprozesse.

Eine treibende Kraft in der Bionik ist dabei sicher Festo. Das Unternehmen engagiert sich seit 15 Jahren auf diesem Gebiet und hat mit dem Bionic Learning Network sogar eine interdisziplinäre Entwicklungsplattform geschaffen. Auf Messen überraschen die Esslinger immer wieder mit bionischen Studien und Modellen: Einmal waren es Pinguine, dann wieder Quallen, ob in lernfähigen Schwärmen unter Wasser oder als überdimensionale lautlose Luftqualle.

Einige Festo-Lösungen sind aber handfester Natur und durchaus industrietauglich: Wie der Bionische Handling-Assistent, bei dem sich die Konstrukteure den Elefantenrüssel zum Vorbild genommen haben. Das Gerät überträgt hohe Kräfte, dient als »dritter Arm« zur Unterstützung von Menschen und ermöglicht den direkten, sicheren Kontakt zwischen Mensch und Maschine: Bei einer Kollision mit dem Menschen gibt es sofort nach und nimmt dann seine Bewegung wieder auf – wie es der Elefant mit seinem Rüssel auch tut. Der hier eingesetzte Greifer ist ebenfalls bionischer Natur: »Fin Gripper« basiert auf den Erkenntnissen des Funktionsprinzips einer Fischflosse. Anstatt bei Druck auszuweichen, passen sich die biegsamen Greifelemente aus speziellem Kunststoff behutsam und genau dem Bauteil an.

Und weil der Bionische Handling-Assistent sehr sanft mit Menschen umgeht, hat ihn Festo in seinen Lernroboter Robotino integriert: Die neu entstandene Version Robotino XT ist geeignet für die Arbeit mit Schülern, sie kann auf engstem Raum manövrieren und sich mit insgesamt zwölf Freiheitsgraden flexibel bewegen.

Der kluge Vogel

Bionik erfindet sich immer wieder neu. Festo hat sich im aktuellen Projekt mit der Silbermöwe beschäftigt. Dazu Markus Fischer, Leiter des Festo Bionic Learning Network: »Der Knochenbau von Vögeln ist sehr leicht und gleichzeitig stabil konstruiert. Die Flügel passen sich dem Wind problemlos an und das im Flug.« Ergebnis der Forschung ist der »Smart Bird«, eine mit 450 Gramm und zwei Meter Spannweite extrem leichte Struktur, die ausschließlich durch den Flügelschlag angetrieben wird. Fischer: »Der Flügelschlag erfolgt über einen aktiven Gelenktorsionsantrieb mit aerodynamischen Wirkungsgraden bis zu 80 Prozent.«

Smart Bird ist ein mechatronischer und kybernetischer Gesamtentwurf. Er integriert intelligente Mechanik, elektrische Antriebstechnik und Erkenntnisse aus Strömungslehre, Steuerungs- und Regelungstechnik. Condition Monitoring, wissenschaftliche Validierung und der Transfer in die Praxis machten das Projekt möglich.

Markus Fischer zum Condition Monitoring: »Während des Flugs erfassen wir permanent die Daten von Flügelposition und -torsion des künstlichen Vogels. Wir können die Steuerparameter der Torsion in Echtzeit einstellen und somit optimieren. Das gewährleistet Flugstabilität und somit Betriebssicherheit.« So ist es möglich, die Mechanik sehr schnell an neue Situationen zu adaptieren, und das Vogelmodell ist einfacher, effizienter, leichter für den Flugbetrieb optimiert.

Nicht ganz so attraktiv und anmutig wie eine Möwe ist die Zecke. Trotzdem dient auch sie als Keim einer bionischen Entwicklung: Zwei Absolventen des Bremer Studiengangs für Bionik, Markus Hollermann und Felix Förster, setzten sich über den Ekel hinweg, den eine Zecke normalerweise auslöst, und waren fasziniert von den Bissqualitäten des Blutsaugers.

Und so diente die Zecke als Vorbild eines neuen Befestigungselements. Hollermann und Förster beschäftigten sich während ihres Studiums intensiv damit, wie sich Zecken mit ihren Mundwerkzeugen in der Haut fixieren. Für den Menschen ist das unangenehm, für die beiden Erfinder die Grundlage für einen neuen Dübel: »Viele Wände sind heute aus weichen Gipskartonplatten, und da finden herkömmliche Dübel schwer Halt«, erklärt Markus Hollermann.

Um die verblüffende Idee zu realisieren, haben die beiden Ingenieure ihr eigenes Unternehmen »Die Bioniker« gegründet. Sie finden zudem Unterstützung beim bekannten Dübel-Produzenten Fischer. »Wir wollen zusammen mit diesem Unternehmen einen Dübel entwickeln, der sich wie eine Zecke in der Haut in der Wärmedämmschicht fixieren kann«, ergänzt Felix Förster.

Die Bioniker sind Mitglied der gemeinnützigen Forschungsgemeinschaft Biokon, die Aktivitäten und Expertenwissen von mehr als 90 Universitäten, Forschungsinstituten, Unternehmen und Personen in Deutschland und Europa vernetzt. So sollen biologische Problemlösungen und Optimierungsstrategien zielgerichtet in neuartige Produkte und Technologien münden.

»Wir wollen Patenlösungen aus der Natur für Technik, Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar machen«, erklärt Geschäftsführer Dr. Rainer Erb die Aufgabe von Biokon. Eine Plattform dafür bot im März 2011 in Berlin der Kongress »International Industrial Convention on Biomimetics«. Dort hatte auch der »Zecken-Dübel« seinen Auftritt.

Genauso wie Martin Raak von Igus. Er hielt einen Vortrag zum Thema »Modularer Robotergelenk-Baukasten – Leistungssteigerung durch Zugseile«. Hauptgedanke bei diesem »Robolink« genannten System ist, bewegte Massen zu reduzieren und die Antriebstechnik davon zu entkoppeln. Dies spart Energie. Martin Raak: »In der Natur findet sich das Prinzip im Fuß von Kranichen oder Flamingos. Die Muskeln sitzen hier nicht im Fuß, sondern im Körper, und die Kraft wird über Sehnen übertragen.«

Genau diese Sehnen entsprechen den Zugseilen im Robolink. Eine Entsprechung gibt es auch im menschlichen Körper und zwar im Ellenbogen. Anders als beim herkömmlichen Robotergelenk gibt es hier zwei Freiheitsgrade – Schwenken und Drehen.

Urheber dieser Technologie ist Evologics. Das deutsche Unternehmen hat sich vollkommen der Entwicklung bionisch inspirierter Lösungen verschrieben. Leif Kniese von Evologics hat die Entwicklung der Zugseile initiiert und ist nebenbei auch der Erfinder des Fin-Ray-Effekts, der Grundlage der beschriebenen Festo-Greifer. Er kennt ein weiteres Argument für die Zugseilkonstruktion: »Durch die räumliche Trennung von Aktuator und Bewegung lässt sich das System besser gegen äußere Einflüsse wie Nässe und Zerstörung schützen.«

Selbstheilende Kunststoffe

Bionik erstreckt sich auch auf Werkstoffe: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik »Umsicht« in Oberhausen haben eine Methode gefunden, wie sich Kunststoffe bei plötzlichen Schäden durch Mikrorisse helfen können: Sie heilen sich selbst!

Ergebnis des Projekts »Osiris« sind selbstheilende Elastomere. Sie können Risse wie zum Beispiel in Dichtungsringen autonom reparieren. Inspirationsquellen waren der Kautschukbaum Hevea brasiliensis und milchsaftführende Pflanzen wie die Birkenfeige. Der Milchsaft enthält Kapseln, die bei Verletzungen aufbrechen und das Protein Hevein freisetzen, welches seinerseits einen Wundverschluss bewirkt. Dieses Prinzip übertrugen die Wissenschaftler auf Elastomere. »Nur ist es dabei nicht ein Protein, sondern ein spezielles klebendes Material«, erläutert Dr. Anke Nellesen vom Umsicht. Das Prinzip zeitigt Erfolg: Nach einer Heildauer von 24 Stunden beträgt die wiederhergestellte Zugdehnung 40 Prozent.

Bionik findet sich also überall im Maschinen- und Anlagenbau und in der gesamten Industrie. Es wird nicht lange dauern, bis ein weiteres Tier oder eine weitere Pflanze Vorbild einer neuen Technologie sein wird, die neuen Fortschritt bringt.

Auf einen Blick

Bionik

- In der Bionik, auch Biomimetik genannt, nehmen sich Forscher und Wissenschaftler Phänomene aus der Natur zum Vorbild für technische Entwicklungen.

- Erster Bioniker war Leonardo da Vinci mit seinen vom Vogel inspirierten Fluggeräten.

- Bekannte Studien kommen oft vom Esslinger Unternehmen Festo, wie Quallen oder Pinguine, aktuelles Festo-Projekt ist der Smart Bird.

- Weitere Entwicklungen sind der Robolink von Igus oder der Zecken-Dübel von den Bionikern.

Erschienen in Ausgabe: 03/2011