apa.at
Thema

Lehr­meis­te­rin Natur

Die Evolution macht es vor, der Mensch baut es nach: Wenn die Biologie für die Technik Pate steht, spricht man von Bionik. Doch nicht überall, wo Bionik drinsteckt, steht auch Bionik drauf.
Foto: picturedesk.com
Überblick Mehr zum Thema Gastbeiträge

Schon Leonardo da Vinci hat sich für seine Flugmaschinen an der Natur orientiert, indem er sich den Flug von Vögeln zum Vorbild genommen hat. Sich von Pflanzen, Organismen und Ökosystemen inspirieren zu lassen und davon für Architektur, Kunst, Technologie und Naturwissenschaften zu lernen, ist die Philosophie hinter der interdisziplinären Wissenschaft Bionik. Nicht umsonst setzt sich das Wort auf Deutsch aus BIOlogie und TechNIK zusammen. Im englischen Sprachraum dagegen versteht man unter dem von dem amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele 1960 eingeführten Terminus „Bionics“ dagegen eher eine Kombination aus Biologie und Elektronik.

„Deswegen hat sich im wissenschaftlichen Kontext Biomimetik eingebürgert als deutsches Wort und Biomimetics als englisches. Aber Bionik und Biomimetik im Deutschen ist dasselbe“, erklärt dazu die Bionik-Expertin Ille Gebeshuber im Gespräch mit APA-Science. Die Physikerin ist am Institut für Angewandte Physik an der Technischen Universität Wien tätig und beschäftigt sich mit Nanophysik und Biomimetik (siehe auch Bionik, kinderleicht erklärt bzw. Interview zum Nachhören).

Bottom-Up

Grundsätzlich gibt es in der Bionik einen problem- und eine lösungsbasierten Zugang. Beim lösungsbasierten Ansatz (Bottom-Up) wird Grundlagenforschung betrieben und ein biologisches System auf mögliche technische Anwendungen hin untersucht. „Ein Beispiel dafür ist der Lotusblatt-Effekt, den ein Botaniker aus Deutschland, Professor Wilhelm Barthlott aus Bonn, entdeckt hat“, sagt Gebeshuber. Der Effekt bezeichnet die Eigenschaft von Lotusblättern, dass Wasser aufgrund ihrer speziellen Oberflächenstruktur in Tropfen an ihnen abperlt und dabei Schmutzpartikel mitnimmt. Das Prinzip der Selbstreinigungsfähigkeit wasserabweisender mikro- und nanostrukturierter Oberflächen wurde seit den 1990er-Jahren in bionische Anwendungen wie etwa Fassadenfarben übertragen.

Top-Down

Beim problembasierten Ansatz (Top-Down) dagegen stellt man bei einem bereits definierten technischen Problem quasi eine „Frage an die Natur“, wie etwa: „Wie lässt sich die Tragfläche eines Flugzeugs so optimieren, dass der Treibstoffverbrauch sinkt?“ Davon ausgehend sieht man sich in der Natur um, in diesem Fall bei großen gleitenden Vögeln, erklärt Gebeshuber: „Man sieht zum Beispiel, dass da am Ende der Flügelspitzen diese Federn abgehoben werden und transferiert das als die sogenannten Winglets oder vielleicht auch Spiroide in die Technik.“

Lotus-Effekt, Winglets oder auch der vom Schweizer Wissenschafter Georges de Mestral 1948 nach Vorbild der Klette entwickelte Klettverschluss sind häufig genannte, schon klassische Beispiele für bionische Anwendungen. Ihnen ist aber gemein, dass sie alle schon einige Jahre auf dem Buckel haben. Aber ist Bionik deshalb kein Thema mehr? Vorweg: Heute wird zwar noch immer bionische Forschung betrieben, nur nicht mehr zwangsläufig unter diesem Namen.

Spurensuche in Österreich

Man muss nicht das Wort Hype bemühen, aber vor gut zehn bis 15 Jahren war das Thema Bionik wohl weit präsenter als heute. Bereits 2006 untersuchte das Institut für Technikfolgenabschätzung (ITA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Auftrag des Technologieministeriums (BMVIT; heute: BMK) das „Bionik-Potenzial in Österreich“. Resümee: Außer verstreuten Einzelinitiativen gebe es keinen nennenswerten österreichweiten Austausch oder eine sichtbare Darstellung von Bionik, wohl aber seien hohes Potenzial und Kompetenz vorhanden.

Eine Folgestudie kam 2010 zu einem ähnlichen Ergebnis, nur setzte sich das Ministerium im Geleitwort zum Ziel, „den Beitrag der Bionik im österreichischen Innovationssystem substantiell zu erhöhen“. Kurz, Bionik wurde zu dieser Zeit offiziell zum In-Thema und auf verschiedene Arten sichtbarer. An der TU Wien wurde 2008 das Kooperationszentrum für Bionik/Biomimetics „TU BIONIK“ gegründet, die Wirtschaftskammer veranstaltete 2012 einen „InnovationsDialog“ Bionik, und an der FH Kärnten (Villach) gab es einen Masterstudiengang Bionik/Biomimetics in Energy Systems. Heute ist von solchen Initiativen oder Lehrgängen mit „Bionik“ im Namen nicht mehr viel übrig, zumindest ist ein eigenes Studium dazu vorerst nicht in Sicht („Der Traum von einem Bionik-Studium“).

Auf einen Blick
  • Bionik und Biomimetik als Thema weniger präsent als vor zehn bis 15 Jahren
  • Keine eigenen Ausbildungen an Hochschulen, aber vereinzelte Lehrveranstaltungen
  • Zahlreiche Forschungsprojekte und technische Lösungen, aber oft nicht als "bionisch" deklariert
Facts

Eine Statistik, wie viele Projekte in Österreich zu den Themen Bionik/Biomimetik gefördert oder patentiert wurden, kann keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben. Dazu sind die Projekte wegen der uneinheitlichen Terminologie nicht eindeutig genug zuordenbar. Die Zahlen geben nur Treffer wieder, die unter einschlägigen Stichworten aufscheinen.

Eigene Programmschienen gibt es in den beiden wichtigsten für Forschungsförderung zuständigen Institutionen keine. In den Datenbanken von Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) und Wissenschaftsfonds (FWF) finden sich aber sehr wohl einschlägige Projekte. In der Projektdatenbank der FFG scheinen seit 2011 acht Projekte unter den Stichworten (bioni*, biomime* oder bioinspir*) auf.

Mit leicht erweiterten Suchbegriffen registrierte der FWF von 2011 bis 2020 207 Anträge und 46 geförderte Projekte. Die beantragte Fördersumme beläuft sich auf 87 Mio. Euro, die geförderte Summe auf 13,9 Mio. Euro. Nach Wissenschaftsdisziplinen gereiht entfällt der Großteil der Projekte auf Chemie (38,7 Prozent) und Biologie (23,1 Prozent), mit großem Respektabstand folgen Physik, Astronomie (8,7) und Informatik (4,4). Die restlichen 25 Prozent verteilen sich auf eine breit gestreute Gruppe von Land- und Forstwirtschaft bis Kunstwissenschaften.

Podcast
Die Bionik als Schatzkiste: Ille Gebeshuber im Interview mit APA-Science

Leute, die Probleme lösen

Ob es nun eigene Studienrichtungen für Bionik gibt oder nicht, ist für Bionik-Experten aber ohnehin zweitrangig. „Eigentlich braucht man in der Industrie keine Bioniker per se, sondern Leute die imstande sind Probleme zu lösen und die auch das massive theoretische Fundament haben, das wirklich solide richtig und gut anzugehen“, sagt Ille Gebeshuber. Wer an Bionik interessiert ist, sollte eine solide Grundausbildung in einem Gebiet machen und sich erst später entsprechende Spezialisierungen aneignen. Der österreichische Physiker und Materialwissenschafter Peter Fratzl sieht das ähnlich: „Ich behaupte, die Bionik ist ein Forschungsthema und kein Lehrfach. Eine Vorlesung dazu macht Sinn, aber ein ganzes Studium wäre zu schmalspurig. Das ist ein intrinsisch interdisziplinäres Thema.“

Durch die Interdisziplinarität sei es auch bedeutend, die Schnittstellen zwischen den Disziplinen wieder herzustellen. „Wir brauchen nicht ein Bionikstudium, sondern Bauingenieure die in der Lage sind, mit Biologen zusammenzuarbeiten. Und wir brauchen Molekularbiologen, die nicht wegrennen, wenn ihnen ein Techniker eine Formel auf die Tafel schreibt“, so Fratzl, der seit 2003 die Abteilung „Biomaterialien“ am Max Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam leitet, im Gespräch mit APA-Science.

"Die Bionik ist ein Forschungsthema und kein Lehrfach." Peter Fratzl, Leiter der Abteilung "Biomaterialien" am Max Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam
Streifzug durch die Forschung

Die Forschung rund um Bionik und Biomimetik hat in Österreich faszinierende Projekte hervorgebracht. APA-Science hat einen ausgedehnten Streifzug unternommen, von Architektur über Robotik bis Materialwissenschaft:

  • Naturprinzipien in die (Bau-)Technik - das „bionische Multitalent“ Baum, der Glasschwamm als Vorbild für Bauelemente von Wolkenkratzern und selbstheilender Beton
  • Was machen Wanderheuschrecken im 3D-Kino? Was Drohnen von Heuschrecken lernen können, Muscheln mit den Wiener Linien zu tun haben und welche tierischen Formen Roboter annehmen können
  • Die Natur als Werkstoff-Ingeneur - Reaktionsholz und Knochen als Vorlage für bessere Faserverbundwerkstoffe; vom Sandfisch für Oberflächenbeschichtungen lernen; Kanus mit Flossentechnik oder ein vom Lurch inspirierter Bio-Superkleber

Der bionische Status quo

Stellenwert und Status quo der Bionik-Forschung erscheinen heute ambivalent. „Ich glaube, hier gibt es das Problem, dass wir im Moment zwischen den Sesseln sitzen“, sagt Gebeshuber. Zum einen seien die einfach abschaubaren Lösungen bereits transferiert worden und in manchen Bereichen schon Klassiker. Zum anderen seien die „absolut genialen Selbstregelungsmechanismen der Natur“ mit Millionen Jahren Entwicklungsvorsprung mit unserem derzeitigen Wissen nur sehr schwer zu begreifen. „Was auch nicht geholfen hat, ist, dass die Bionik in den letzten Jahren keinen wirklichen Hit gelandet hat.“

Falsche Erwartungshaltung

Peter Fratzl ortet hier eine falsche Erwartungshaltung an die Bionik: „Ein wesentlicher Aspekt in dem Kontext ist folgender: Die Bionik in ihrer ursprünglichen Konzeption ist davon ausgegangen, dass man Strukturen oder Lösungen in der Natur kopieren kann und dass man sich damit Entwicklungskosten spart. Und das funktioniert nicht, aus einem einfachen Grund: Wenn Sie ein vernünftiges technisches Prinzip anwenden, dann wird das, was am Ende als Lösung herauskommt, immer von den Rahmenbedingungen abhängen, in denen Sie diese Lösungen suchen.“

Die Konsequenz aus dieser Überlegung sei, dass es sich lohne, die Lösungen aus der Natur zu studieren und zu verstehen, und dann in den technischen Entwicklungsprozess einzubinden. Dabei komme auch die amerikanisch geprägte Tendenz zum Tragen, den Prozess nicht Bionik oder Biomimetik zu nennen, sondern Bioinspiration: „Die Inspiration ist auch ein seltsamer Begriff. Aber damit gemeint ist, dass es eben nicht ums Kopieren geht.“

Lotus-Effekt oder Superhydrophobizität

Fratzl verdeutlicht das anhand des berühmtesten bionischen Prinzips, des Lotus-Effekts (siehe auch Gastbeitrag „Materialwissenschaft - von der Biomimese zur Bioinspiration“): „Der technische Begriff für den Lotus-Effekt ist Superhydrophobizität. Man wusste schon in den 1920er-Jahren, dass Strukturen quasi dazu führen könnten, dass Wasser nicht mehr die Oberfläche benetzen kann. Und dann kam der Nachweis des Lotus-Effekts. Dann ist das in die Technik zurückgeflossen und kein Mensch mehr redet über die Lotusblume. Trotzdem verwendet jeder dieses Prinzip.“

Denn ob „biologisch inspiriert“, von der Natur inspiriert, „bionisch“ oder „biomimetisch“, letztlich spielen die Begriffe keine Rolle. Davon ist Fratzl überzeugt: „Am Ende ist es egal, wo die Idee herkommt. Ob die aus der Natur kommt oder Sie die in der Dusche gekriegt haben, sondern am Ende ist entscheidend, dass sie da ist. Da entsteht ein technisches, physikalisches oder chemisches Prinzip. Und das Prinzip ist dann das, was umgesetzt wird. So muss man über diese Sachen denken.“

Erfindung versus Entdeckung

Warum zumindest in Österreich praktisch keine Patenteintragungen unter Bionik, Biomimetik und verwandten Schlagworten zu finden sind, erklärt der technische Vizepräsident des Österreichischen Patentamtes, Dietmar Trattner, auf Anfrage von APA-Science so: „Ich kann mir schon vorstellen, dass es da relativ viele Patente gibt, nur sind die so nicht auffindbar.“

Bei technischen Problemen gehe es eher um die Lösung, und nicht darum, ob die Inspiration dafür aus der Natur kommt oder nicht. Zudem müsse man zwischen Erfindungen und Entdeckungen unterscheiden, betont Trattner: „Patente bekommt man auf Erfindungen.“ Darum sei es auch durchaus naheliegend, die Assoziation mit einer Entdeckung in der Natur bei einer Patenteinreichung zu vermeiden, sondern das Augenmerk auf die eigene Erfindung zu legen.

Fazit und Ausblick

Der Hype um die Bionik hat sich etwas verflacht. Ob das daran liegt, dass die Bionik seit längerer Zeit keinen „Hit“ gelandet hat, wie es Ille Gebeshuber formuliert, oder an der langen Entwicklungsdauer, wodurch die geweckten Erwartungen nicht zeitnah genug erfüllt konnten (siehe Christian Teissl, in: Der Traum von einem Bionik-Studium), ist schwer zu sagen. Zumindest in den Materialwissenschaften ist die Bionik jedoch präsenter denn je, wie eine deutsche Studie („Materialforschung: Impulsgeber Natur“) unter Beteiligung von Peter Fratzl gezeigt hat. „Wir haben in etwa ein exponentielles Wachstum von Publikationen festgestellt, mit einer Verdoppelung alle drei Jahre. Das heißt, im Jahr 2000 gab es ganz wenig dazu und jetzt liegen wir bei Tausenden Publikationen pro Jahr“, so Fratzl: „Größter Treiber in dem Feld ist Asien, besonders China ist wahnsinnig aktiv. Da gibt es viel mehr als in Europa, wir müssen uns wirklich warm anziehen.“

Nicht zuletzt gehe es auch weniger um Strukturen als um Prozesse, mit besonderem Augenmerk auf Nachhaltigkeit, wie der Wissenschafter in seinem Gastbeitrag bilanziert: „Eine nachhaltige Materialentwicklung möglichst ohne Abfall, mit sich selbst reparierenden Strukturen, die sich an Umweltbedingungen anpassen: Für diesen Zukunftstraum kann am besten die Natur als Impulsgeber wirken. Einiges wird schon Realität, aber diese Forschung wird uns noch viele Jahre beschäftigen.“

Einen ökologischeren Blickwinkel auf Bionik und den Planeten insgesamt wünscht sich auch Ille Gebeshuber. „Viele Menschen sehen die Bionik als Schatzkiste und verstehen unter diesem Forschungsgebiet vor allem die Suche nach kommerziell erfolgreichen Lösungen. Das hat natürlich seine Berechtigung, aber ich denke, wir dürfen das große Ganze nicht aus den Augen verlieren.“

Die Produkte der Natur seien auf dem aufgebaut, was gerade verfügbar ist und gliedern sich nach ihrer Nutzung wieder vollständig in den Kreislauf der Natur ein. Die Wissenschafterin zeigt sich langfristig optimistisch, dass es zu einem Umdenken im besten Sinne der Bionik kommen wird: „Ich bin mir sicher, dass die Industrie und auch die Gesellschaft der Zukunft eine ganz andere Produktion und Produktphilosophie verfolgen wird.“

Im Dschungel der Inspiration

Ille Gebeshuber forschte und arbeitete sieben Jahre lang in Malaysia und ließ sich dort von Flora und Fauna inspirieren.

Formen der Natur...

...haben sich über Millionen von Jahren...

...an die Umwelt angepasst und sich nach und nach optimiert.

Mehr zum Thema

Thema

Mehr zum Thema

Was machen Wanderheuschrecken im 3D-Kino?

Das Vorbild „Natur“ ist für die Industrie ein heißes Thema – da geht es um „smarte“ Materialien, Oberflächen mit besonderen Eigenschaften oder Komponenten, die robust und leicht zugleich sind. Was etwa Drohnen von Heuschrecken lernen können, zeigt ein Streifzug durch heimische Forschungsprojekte.

mehr
Thema

Mehr zum Thema

Die Natur als Werkstoff-Ingenieur

So gewieft und kreativ die menschlichen Ingenieure auch sind, wenn sie Materialien und Gerätschaften konstruieren – von der Natur können sie noch vieles lernen. Forscher studieren deshalb die Natur bis ins kleinste Detail und analysieren, wie ihre Moleküle und Strukturen diverse Aufgaben mit größtmö

mehr
Thema

Mehr zum Thema

Die Welt wieder begreifbar machen

Bei der Entwicklung von Prothesen kommt der bionische Gedanke in seiner ureigensten Form zur Geltung, dienen doch die menschlichen Gliedmaßen nicht nur als Inspirationsvorlage für ihr technisches Pendant, sondern als fast unerreichbares Ideal.

mehr
Thema

Mehr zum Thema

Naturprinzipien in die (Bau)-Technik

Ein florales Muster auf einer Fassade oder ein Stadion in Form eines Vogelnestes ist noch nicht Bionik in der Architektur. In der klassischen Bionik geht vielmehr darum, Prinzipien aus der Biologie in technische Lösungen umzusetzen. Darin stimmen Petra Gruber, Architektin mit dem Spezialgebiet Bioni

mehr
Thema

Mehr zum Thema

Ille Gebeshuber: Bionik, kinderleicht erklärt

Kindgerecht vermittelt Bionikerin Ille Gebeshuber ihren jungen Zusehern bei der 80. Wiener Kindervorlesung des ZOOM Kindermuseum die Grundlagen der Bionik.

mehr
Thema

Mehr zum Thema

Der Traum von einem Bionik-Studium

Wer wie APA-Science Physiker Christian Teissl von der Destination Wattens Regionalentwicklung GmbH fragt, was man für eine Karriere in der Bionik können muss, erhält eine schier endlose Liste: Biologie ist wichtig, aber Physik auch. Chemie spielt viel mit. Auf die mechanische und technische Seite dü

mehr
Stichwörter