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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.
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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.

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