Kapitel 2 : Bionik

Die Vorbilder, Prozesse und Komponenten der Natur nachzuahmen, um Lösungen für schwierige menschliche Probleme zu finden, ist genau das, worum es in der Biomimetik, auch Biomimikry genannt, geht. Sowohl die "Biomimetik" als auch die "Biomimikry" haben ihren Ursprung im Altgriechischen: ß?o? (bios), was Leben bedeutet, und µ?µ?s?? (mimesis), was Nachahmung bedeutet. Diese Namen stammen von den griechischen Wörtern µ?µe?s?a? (mimeisthai), was "nachahmen" bedeutet, und µ?µ?? (mimos), was "Schauspieler" bedeutet. Die Bionik ist ein Bereich, der eng mit diesem verbunden ist.

Im Laufe der 3,8 Milliarden Jahre, die vergangen sind, seit man annimmt, dass sich das Leben auf der Erde zum ersten Mal entwickelt hat, hat die Natur einen Evolutionsprozess durchlaufen. Es hat Arten entwickelt, die durch die Nutzung leicht verfügbarer Ressourcen hochwirksam sind. Die Eigenschaften von Materialien leiten sich aus den Wechselwirkungen ab, die zwischen den Oberflächen von Festkörpern und anderen Oberflächen sowie der Umgebung stattfinden. Die Organisation biologischer Materialien ist äußerst komplex und reicht von der molekularen über die Nano-, Mikro- und Makrodimension. Diese Materialien sind häufig hierarchisch angeordnet und ihre Nanoarchitektur ist ausgefeilt. Am Ende setzen sie sich aus den unterschiedlichsten Funktionskomponenten zusammen. Materialien und Oberflächen weisen Eigenschaften auf, die die Folge einer komplexen Wechselwirkung zwischen der Struktur und Morphologie der Oberfläche sowie den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials sind. Eine Vielzahl von Materialien, Oberflächen und Objekten im Allgemeinen sind in der Lage, viele Funktionen zu erfüllen.

Eine breite Palette von Materialien, Strukturen und Geräten wurde von Ingenieuren, Materialwissenschaftlern, Chemikern und Biologen für kommerzielle Zwecke hergestellt. Darüber hinaus haben Künstler und Architekten diese Dinge durch ihre Arbeit um der Schönheit, Struktur und des Designs willen geschaffen. Selbstheilungsfähigkeiten, Toleranz und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse, Hydrophobie, Selbstorganisation und die Fähigkeit, Sonnenenergie einzufangen, sind nur einige der technischen Schwierigkeiten, mit denen die Natur zu kämpfen hatte. Der Einfluss, den bioinspirierte Materialien und Oberflächen auf die Wirtschaft haben, ist beträchtlich: Schätzungen reichen von mehreren hundert Milliarden Dollar pro Jahr im Rest der Welt.

Eines der ersten Beispiele für Biomimikry bezieht sich auf die Erforschung von Vögeln, um Flugfähigkeiten für den Menschen zu entwickeln. Leonardo da Vinci (1452-1519) war ein genauer Beobachter der Anatomie und des Fluges der Vögel. Er fertigte mehrere Notizen und Skizzen zu seinen Beobachtungen an, sowie Skizzen von "Flugmaschinen". Obwohl es ihm nie gelang, eine "Flugmaschine" zu entwickeln, schuf er zahlreiche Skizzen von Flugmaschinen. Beobachtungen von Tauben im Flug sollen als Inspirationsquelle für die Gebrüder Wright gedient haben, denen es im Jahr 1903 gelang, das erste Flugzeug zu fliegen, das schwerer als Luft war.

Otto Schmitt, einem amerikanischen Biophysiker und Universalgelehrten, wird die Entwicklung der Idee der "Bionik" in den 1950er Jahren zugeschrieben. Seine Dissertationsforschung führte zur Entwicklung des Schmitt-Auslösers, den er durch die Analyse der im Tintenfisch gefundenen Nerven entwickelte. Er versuchte, ein Gerät zu entwickeln, das das biologische System imitiert, das für die Ausbreitung der Nerven verantwortlich ist. Er konzentrierte sich weiterhin auf die Entwicklung von Maschinen, die in der Lage sind, natürliche Prozesse nachzuahmen, und erkannte im Jahr 1957 eine Alternative zur damals üblichen Sichtweise der Biophysik, die er später als Biomimetik bezeichnete.

Es ist richtiger zu sagen, dass die Biophysik ein Standpunkt ist, als eine Sammlung von Fakten. Mit anderen Worten, es handelt sich um eine Methode, die die Theorie und Technologie der physikalischen Wissenschaften auf die Schwierigkeiten anwendet, die auf dem Gebiet der biologischen Forschung auftreten. Auf der anderen Seite ist die Biophysik auch eine Methode, die ein Biologe auf Probleme anwendet, die mit der Physik und den Ingenieurwissenschaften verbunden sind, obwohl dieses Element im Allgemeinen ignoriert wird.

Im Jahr 1960 erfand Jack E. Steele, der auf der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio, arbeitete, einen Begriff, der der Bionik sehr ähnlich war. Auch Otto Schmitt war damals dort beschäftigt. Steele charakterisierte die Bionik als "die Wissenschaft von Systemen, die eine von der Natur kopierte Funktion haben oder die Eigenschaften natürlicher Systeme oder ihrer Analoga darstellen". Bei einem späteren Treffen im Jahr 1963 gab Schmitt folgende Erklärung ab:

Um das technische Know-how von Wissenschaftlern, die sich auf dieses Forschungsgebiet spezialisiert haben, oder besser gesagt, sich darauf zu spezialisieren, effektiv zu nutzen, sollten wir uns vor Augen führen, was der Begriff "Bionik" in Bezug auf seine operationale Bedeutung bedeutet und was er oder ein ihm ähnliches Wort (ich bevorzuge Biomimetik) bedeuten sollte.

Der Begriff "biomimetisch" wurde erstmals 1969 von Schmitt im Titel eines seiner Artikel verwendet, und 1974 hatte er seinen Weg in Webster's Dictionary gefunden. Im selben Lexikon wurde die Bionik erstmals im Jahr 1960 als "eine Wissenschaft, die sich mit der Anwendung von Daten über die Funktionsweise biologischer Systeme zur Lösung technischer Probleme befasst" beschrieben. Der Begriff "bionisch" erhielt eine neue Bedeutung, nachdem Martin Caidin eine Anspielung auf Jack Steele und seine Arbeit in dem Roman Cyborg machte, der dann 1974 in der Fernsehserie Der Sechs-Millionen-Dollar-Mann und ihren Spin-offs adaptiert wurde. "die Verwendung elektronisch betriebener künstlicher Körperteile" und "die Vermehrung der gewöhnlichen menschlichen Kräfte durch oder wie mit Hilfe solcher Geräte" sind zwei der Definitionen, die mit dem Begriff "bionisch" in Verbindung gebracht werden. Aufgrund der Tatsache, dass der Begriff "bionisch" mit übernatürlichen Kräften in Verbindung gebracht wurde, gab die wissenschaftliche Gemeinschaft in Ländern, in denen Englisch die Hauptsprache ist, ihn größtenteils auf.

Die Biomimikry wurde erstmals im Jahr 1982 der Öffentlichkeit vorgestellt. In ihrem 1997 veröffentlichten Buch mit dem Titel "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature" wird der Wissenschaftlerin und Autorin Janine Benyus die Popularisierung des Konzepts der Biomimikry zugeschrieben. Biomimikry wird beschrieben als eine "neue Wissenschaft, die die Modelle der Natur studiert und dann diese Designs und Prozesse nachahmt oder sich von ihnen inspirieren lässt, um menschliche Probleme zu lösen", so die Definition des Buches. Das Konzept, die Natur als "Modell, Maß und Mentor" zu betrachten, wird von Benyus unterstützt, der auch die Bedeutung von Nachhaltigkeit als Ziel der Biomimikry hervorhebt.

Eine Beschreibung von "managemANT" wurde von Johannes-Paul Fladerer und Ernst Kurzmann entwickelt und gilt als eines der jüngsten Beispiele für Biomimikry. Der Ausdruck "Management" ist eine Kombination aus den Wörtern "Ameise" und "Management" und bezieht sich auf die Nutzung der Verhaltensmethoden von Ameisen in Wirtschafts- und Managementstrategien. Die Quantifizierung der möglichen Langzeitwirkungen von Biomimikry wurde in einem Bericht aufgenommen, der 2013 vom San Diego Zoo in Auftrag gegeben und vom Fermanian Business & Economic Institute veröffentlicht wurde. Die Ergebnisse lieferten einen Beleg für den potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Nutzen der Biomimikry, der sich auch in der von Johannes-Paul Fladerer und Ernst Kurzmann entwickelten "managemANT"-Strategie beobachten lässt. Die Wirtschafts- und Managementtaktiken, die bei diesem Ansatz verwendet werden, basieren auf den Verhaltensstrategien, die Ameisen anwenden.

In der Tat hat die Biomimikry das Potenzial, in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt zu werden. Es gibt eine Vielzahl von Eigenschaften, die aufgrund der Vielfalt und Komplexität dieser Systeme in biologischen Systemen nachgeahmt werden könnten. Es gibt verschiedene Entwicklungsstadien, in denen sich biomimetische Anwendungen befinden, die von Innovationen, die möglicherweise kommerziell nutzbar werden könnten, bis hin zu Prototypen reichen. Es wurde neu abgeleitet, um einfache Formeln für den Rohrdurchmesser bereitzustellen, was ein technisches System mit minimaler Masse ergibt. Das Murraysche Gesetz, das in seiner üblichen Form den optimalen Durchmesser von Blutgefäßen bestimmte, wurde neu abgeleitet.

Vögel und Fledermäuse dienen als Inspirationsquelle für die Gestaltung von Flugzeugflügeln und Flugtechniken. Es war der Schnabel des Eisvogels, der als Inspiration für die Aerodynamik des stromlinienförmigen Designs der Shinkansen 500-Serie diente, einem verbesserten japanischen Hochgeschwindigkeitszug.

Zu den Biorobotern, die auf der Physiologie und den Fortbewegungsmethoden von Tieren basieren, gehören: BionicKangaroo, das sich wie ein Känguru bewegt, Energie von einem Sprung spart und sie auf den nächsten Sprung überträgt; Kamigami Robots, ein Kinderspielzeug, ahmt die Fortbewegung von Kakerlaken nach, um schnell und effizient über Innen- und Außenflächen zu laufen. und Pleobot, ein von Garnelen inspirierter Roboter, der zur Untersuchung des metachronen Schwimmens und der ökologischen Auswirkungen dieses Antriebs auf die Umwelt eingesetzt wird.

Beispiele von fliegenden Säugetieren, Vögeln oder Insekten dienen als Inspirationsquelle für BFRs. BFRs können entweder mit Propellern betrieben werden oder über Flügel verfügen, die flattern und für die Erzeugung von Auftrieb und Schub...