Das Schönste, was wir entdecken können, ist das Geheimnisvolle.
Albert Einstein, Physiker
Bionik ist das anwendungsorientierte Zusammenspiel von Wissenschaft und forschenden Unternehmen. Ihre Ergebnisse zielen auf Innovationen nach dem Vorbild der Natur. Sie sollen immer das Potenzial haben, Ideengeber für ein besseres Morgen zu sein. Solchen erfolgreichen Lösungen schaffen Nachrichten mit Nachhaltigkeit.
Die schneebesenartigen Haarstrukturen einer Wasserpflanze könnten den weltweiten Rohölverbrauch künftig um bis zu ein Prozent senken. Das zumindest ist das Ziel eines Bionik-Projektes des Nees-Institutes für Biodiversität der Pflanzen an der Universität Bonn in Zusammenarbeit mit der Universität Rostock, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und hochkarätigen Partnern aus der Wirtschaft.
Dabei soll der sogenannte Salvinia-Effekt®, die Fähigkeit eines Schwimmfarnes, dauerhaft eine Luftschicht unter Wasser zu halten, als Vorbild für die Entwicklung eines speziellen Schiffsanstrichs dienen. Der Großteil der Güter wird heutzutage mit Schiffen rund um den Globus transportiert.
In der Schifffahrt gehen bis zu 70 Prozent der Antriebsenergie durch die Reibung des Wassers am Schiffsrumpf verloren. Dieser Energieverlust lässt sich um etwa zehn Prozent reduzieren, wenn Rumpf und Wasser durch eine Luftschicht voneinander getrennt sind. Um diesen Effekt nutzbar zu machen, muss die Luftschicht dauerhaft auf der Rumpfoberfläche erhalten bleiben.
Helfen sollen nun Mutter Natur und die Bionik. Die Querschnittswissenschaft vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
Bei diesem Vorhaben wollen die Projektpartner die Fähigkeit zahlreicher Pflanzen und Tiere nutzen, die beim Untertauchen von einer Luftschicht überzogen, die dafür sorgt, dass diese beim Auftauchen absolut trocken sind. Verantwortlich für die Lufthaltung sind meist feine Haarstrukturen, die je nach Pflanzen- oder Tierart sehr unterschiedlich beschaffen sind.
Im Projekt sollen die komplexen Strukturen der Luft haltenden Oberflächen untersucht und die zugrunde liegenden Funktionsprinzipien aufgeklärt werden. Neben der morphologischen und biomechanischen Charakterisierung spielt die strömungsmechanische Untersuchung mittels hochauflösender Micro Particle Image Velocimetry eine zentrale Rolle.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll nach Projektende in enger Zusammenarbeit mit den Industriepartnern, wie den Blohm- und Voss-Nordseewerken, der Prototyp einer unter Wasser Luft haltenden Schiffsbeschichtung nach dem Vorbild der Natur entwickelt werden. Der bisherige Ansatz anderer Wissenschaftler und der Industrie zur Nutzung der reibungsreduzierenden Eigenschaften einer Luftschicht basiert darauf, feine Luftbläschen mittels Kompressoren aktiv unter den Schiffsrumpf zu blasen. Das kostet zusätzliche Energie.
Bei den in diesem Vorhaben untersuchten biologischen Vorbildern wird eine Luftschicht aufgrund der Geometrie und Oberflächenchemie der Strukturen rein passiv über Zeiträume von bis zu mehreren Monaten gehalten. „Gelingt der Transport dieses Natur-Phänomens in die Technik, könnten Reedereien wegen der Treibstoffersparnis signifikant Kosten reduzieren. Zugleich profitiert wegen des sinkenden Verbrauchs und Schadstoffaustoßes die Umwelt“, sagt Professor Dr. Wilhelm Barthlott vom Nees-Institut dazu.
Feuermelder nach Prachtkäfer-Art sollen künftig Großbrände vermeiden. Bestimmte Insekten fliegen gezielt Waldbrände an, da sie auf die Nutzung von den durch das Feuer geschaffenen Nahrungsressourcen spezialisiert sind. Einige dieser ca. 40 Insektenarten „spüren“ dabei das Feuer durch spezielle Infrarotrezeptoren.
Diese dienen in einem vom Institut für Zoologie der Universität Bonn geführten Bionik-Projekt als natürliches Vorbild für neuartige technische Sensoren. Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in vielen Millionen Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
„Waldbrände verursachen allein in der Europäischen Union jährlich Schäden in Höhe von 2,5 Milliarden Euro. Eine effektive Früherkennung kann helfen, die Entstehung von verheerenden Großbränden zu verhindern. Neuartige, bionische Infrarotsensoren, die im Rahmen des Projektes auch nach dem Vorbild des Schwarzen Kiefernprachtkäfers entwickelt werden, sollen künftig dabei helfen“, erklärt Projektchef Professor Helmut Schmitz von der Uni Bonn.
Als unmittelbare Vorlage zu ihrem Bau dienen die sogenannten photomechanischen Infrarotrezeptoren von Prachtkäfern der Gattung Melanophila. Durch Modellierung eines großen Öltankfeuers, welches in Kalifornien unglaublich große Mengen von Melanophila-Käfern anlockte, kann es als wahrscheinlich angesehen werden, dass die Käfer ein Großfeuer mit Hilfe ihrer IR-Sensoren aus über 100 km Entfernung orten können.
Die thermomechanischen Eigenschaften der Infrarotstrahlung absorbierenden Strukturen werden zudem mit modernen materialwissenschaftlichen Methoden untersucht, um die Wirkmechanismen auch im Mikro- und Nanobereich zu verstehen. Mit den an den biologischen Infrarotrezeptoren gewonnenen Ergebnissen werden bereits seit einigen Jahren verschiedene Demonstratoren und Prototypen technischer photomechanischer Infrarotsensoren hergestellt.
Hervorstechende Vorteile derartiger Sensoren sind eine relativ einfache Bauweise, die starke Miniaturisierung des einzelnen Sensorelements und eine geringere Störanfälligkeit. Die neuartigen Infrarotsensoren versprechen die Herstellung robuster Feuermelder und die Produktion von Feuer- sowie Hitzedetektoren zur Verwendung in Gebäuden und Fahrzeugen. Einfach zu betreibende und zu bedienende wärmebildgebende Sensoren könnten zudem als Nachtsichtassistenten in Automobilen, Infrarotsichtgeräten für Feuerwehreinsätze sowie der Grenzüberwachung und Minen-suche eingesetzt werden.
Weitere Anwendungsfelder sind Diagnoseverfahren in der Medizin, Temperaturüberwachung in der Industrieproduktion oder die Qualitätssicherung im Baugewerbe. Beispielsweise ermöglichen einfach zu handhabende Infrarotsichtgeräte, dass Hausbesitzer selbst Wärmeleckagen ihrer Häuser ermitteln und Verbesserungen an der Dämmung durchführen können. Dies hilft bei der Energieeinsparung im privaten Bereich – dem Prachtkäfer sei Dank.
„Insektenaugen“ retten Menschenleben. Was nach Science-Fiction klingt, wird in Jena zur Realität. Ein vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena geführtes bionisches Forschungsprojekt entwickelt Insekten-inspirierte optische Systeme.
Die Minikameras könnten zum Beispiel im Innenraum von Autos eingesetzt werden, um die Augenbewegungen des Fahrers zu beobachten und einen drohenden Sekundenschlaf zu erkennen. Der optische Sensor nach dem Facettenaugenprinzip von Insekten würde dann schwere Unfälle und Todesopfer im Straßenverkehr verhindern helfen.
Der geringe Abstand zwischen Linse und Fotorezeptoren sowie die geringe Größe der Optik machen Facettenaugen zu einem perfekten Vorbild für technische Kamerasysteme. Bisher realisierte künstliche Facettenaugen können aufgrund ihrer geringen Bildqualität jedoch nur als einfacher abbildender optischer Sensor eingesetzt werden.
Deshalb werden im Rahmen dieses inter-disziplinären Projektes, das Tierphysiologie, Experimentalphysik und Mikrooptik-Technologie miteinander verknüpft, aus dem Verständnis natürlicher Facettenaugenprinzipien ganz neue Wege in der Entwicklung optischer Systeme gegangen. Insbesondere werden neuartige Prinzipienkombinationen untersucht, die eine deutlich höhere Auflösung der ultrakompakten Objektive zulassen. Dies erfordert ein beträchtlich komplizierteres Optikdesign, modifizierte Technologien der Mikrooptik und komplexere Aufbau- und Verbindungstechnik.
„Die resultierenden facettierten ultraflachen Abbildungssysteme liefern Bildauflösungen, die ihren Einsatz in der Mikroskopie, im Gesundheitswesen, der Überwachungstechnik oder sogar als sehr kompakte Kamera im Mobiltelefon erlauben“, sagt Dr. Robert Leitel vom Fraunhofer-Institut IOF. Mit seiner geringen Baulänge wäre dieses Objektiv theoretisch sogar in Kreditkarten oder Folien anwendbar. Leitel: „Wir lernen von den Insekten. Das ist Bionik live.“
Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Produkte sind.
Ein wesentlicher Inhalt des Facettenaugen-Projektes besteht auch in der Entwicklung kosteneffizienter Massenfertigungsverfahren der Polymermikrooptiken auf Glas im Wafermaßstab für die neuartigen Insekten-inspirierten optischen Systeme. Das ist die Voraussetzung für die kosteneffektive Fertigung am Hochlohn-Standort Deutschland. Zudem werden durch die Mini-Kamera-Systeme nach Insekten-Vorbild Ressourcen geschont – und Leben gerettet.
Der Knochen wird zum Vorbild für den idealen Leichtbau. In einem von Fraunhofer IFAM geführten bionischen Projekt werden auf Basis von Knochenumbauprozessen computergestützte Methoden zur Konstruktion, Simulation und Fertigung gradierter zellularer Strukturen entwickelt. Ziel ist zum Beispiel der Einsatz von Dauerimplantaten im Kieferbereich oder Leichtbaustrukturen für den Automobil-, Flugzeug- und Anlagenbau.
„Der Knochen mit seiner massiven, dichten äußeren Randschicht, der Kompakta, und den schwammartigen Knochenbälkchen, der Spongiosa, als natürlich gewachsene Verbundstruktur gewährleistet eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht“, erklärt Dr. Andreas Burblies vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM): „Wir wollen diese geniale Entwicklung der Natur auch in der Technik nutzbar machen.“
Das Fraunhofer IFAM hat deshalb das sogenannte MPTO-Verfahren (Multi Phase Topology Optimization) entwickelt, das die örtliche Verteilung verschieden dichter Materialien in einer mechanisch belasteten Struktur mit dem Ziel hoher Steifigkeit optimiert. Mit MPTO können Faserstrukturen des Knochenschwamms im menschlichen Oberschenkelknochen in guter Übereinstimmung mit Röntgenaufnahmen nachge-ahmt werden.
Das in diesem Vorhaben entwickelte Software-Programm PoreDesign ermöglicht die Abbildung der Dichteverteilung des Knochens auf eine schwammartige Struktur, die mittels moderner Fertigungsverfahren erzeugt werden kann. Die mit den neuen Methoden gewonnenen Leichtbaustrukturen aus Titanlegierungen, Aluminium oder Keramiken weisen im Vergleich zu konventionellen Lösun-gen bis zu 30 Prozent Gewichtsersparnis bei einem sehr geringen Steifigkeitsverlust auf.
Insbesondere für Anwendungen mit bewegten Massen, wie Autos, Flugzeuge und Maschinen, führt dies bei der Bewegung zu einem entsprechend niedrigerem Energieverbrauch und damit zu nachhaltigen Produkten. Dies gilt in der Medizintechnik auch für die Lebensdauer von Endoprothesen, die für die Verbraucher zudem eine bessere Funktionalität als bei herkömmlichen Produkten bringen.
Bei der Entwicklung der innovativen Leichtbauprodukte wird ein konsequent bionischer Ansatz genutzt. Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
An der Decke kleben wie ein Gecko – das ist keine Utopie mehr. Möglich macht dies das patentierte Gecko-Tape®, das Bionik-Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel in Zusammenarbeit mit der Firma Gottlieb Binder entwickelt haben. 2011 hat die Hightech-Folie bei den weltweit renommierten iFProduct Design Awards bereits einen Hauptpreis abgeräumt.
Die Jury war restlos begeistert: „Dieses Produkt hat seinen Gold Award verdient, weil das kein Klebeband ist, das klebt wie ein Klebstoff, sondern – dank seiner Oberflächenstrukturen – spurlos wieder entfernt werden kann. Das Material haftet nicht nur auf glatten, sondern auch an unebenen Oberflächen, sogar auf Menschenhaut, und deswegen hat es auch Potenzial für medizinische Anwendungen – einfach fantastisch!“
Das Gecko-Tape ist den Haftmechanismen von Gecko- und Käferfüßen nachempfunden. Das ist ein Beispiel für Bionik. Diese Querschnittswissenschaft vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind. Bei diesem neuen klebstofffreien System beruht die Haftkraft ausschließlich auf der besonderen Geometrie der Mikrostrukturen.
Bei der Herstellung dient – wie beim Kuchenbacken – eine Form als Vorlage, in die gleichsam als Negativbild die gewünschte Oberfläche eingegossen werden kann. „Die künstlich hergestellte Folie kann immer wieder verwendet werden, löst sich rückstandsfrei und hält sogar auf feuchten, rutschigen Untergründen“, sagt Projektchef Professor Dr. Stanislav Gorb von der Universität Kiel stolz. Angewendet werden kann das innovative, umweltschonende und materialsparende Produkt in unterschiedlichsten Bereichen – vom Haushalt bis zur Medizin.
Sogar der englische Fernsehsender BBC ließ sich von den einzigartigen Eigenschaften der Haftfolie überzeugen. Für einen Dokumentarfilm über Materialien der Zukunft machte das britische Team als einzige deutsche Station an der Christian-Albrechts-Universität halt. Dabei klebte Wissenschaftsjournalist Dr. Mark Miodownik an einer mit der Hightech-Folie versehenen 20×20 Zentimeter großen Plexiglasscheibe an der Decke – wie ein Gecko oder Spiderman.
Eine verblüffende Fähigkeit von Fischen soll künftig beim Kampf gegen die Wasserverschwendung helfen. In einem vom Institut für Zoologie der Universität Bonn geführten Bionik-Forschungs-vorhaben wurde das sensorische Seitenliniensystem der Fische entschlüsselt und daraus ein technischer Strömungssensor entwickelt. Damit lassen sich Lecks in Trinkwasserrohren aufspüren oder der Atemstrom von Intensivpatienten überwachen. Das Bundesforschungsministerium hat das Vorhaben als bestes Projekt im Bereich Sensorbionik ausgezeichnet.
„Die Entwicklung von Strömungssensoren nach dem Vorbild des Seitenliniensystems der Fische erlaubt eine breit gestreute, präzise und kostengünstige strömungstechnische Überwachung“, sagt Projektchef und BIOKON-Mitglied Professor Horst Bleckmann von der Universität Bonn: „Die kleinen Sensoren erlauben eine größere Messgenauigkeit, sehr kleine Abmessungen und Kostenersparnisse.“
Bis zu 40 Prozent des Trinkwassers gehen in Städten durch Undichtigkeiten in Leitungssystemen verloren. Der von den Forschern der Universität Bonn zusammen mit der Firma Hydrometer in Ansbach entwickelte Sensor kann Lecks in Wasserrohren oder Gasleitungen aufspüren, da nach jedem Leck das Strömungsvolumen abnimmt.
Das ist ein aktuelles Beispiel für bionische Forschung. Die Querschnittswissenschaft Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Millionen von Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
In diesem Fall haben Fische „Pate“ für eine technische Entwicklung gestanden. Sie sind auch bei Dunkelheit sehr gut über ihre unmittelbare Umgebung informiert: Mit ihrem Seitenlinienorgan, das aus bis zu 4.000 winzigen Einzelsensoren besteht, nehmen sie hochempfindlich lokale Wasserbewegungen und Druckgradienten war, wie sie zum Beispiel von vorbeischwimmenden Artgenossen oder Feinden erzeugt werden. Sie nutzen diese Fähigkeit zur Ortung von Objekten, zur räumlichen Orientierung oder auch zum gezielten Energiesparen bei der Fortbewegung.
Der nach Fisch-Vorbild entwickelte technische Sensor ist nicht einmal so groß wie ein Fingernagel. Und er soll vor allem bei der lückenlosen Überwachung von Gas- und Flüssigkeitsströmen helfen, die eine große wirtschaftliche Bedeutung hat. Zum einen, weil so die Wasserverschwendung eingedämmt werden kann. Zum anderen könnte ein stetiger Gas- oder Flüssigkeitsstrom erhebliche Energiemengen einsparen.
Die südafrikanische Paradiesvogelblume hat Pate für den Bau einer innovativen Fassadenverschattung gestanden. Das ist eine von Professor Thomas Speck vom Botanischen Garten der Universität Freiburg und Professor Jan Knippers vom Institut für Tragkonstruktion und Konstruktives Entwerfen der Universität Stuttgart initiierte Entwicklung nach dem Vorbild der Natur.
Für die „Bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild der Strelitzie“ – ein anderer Name für die Paradiesvogelblume – wurden die Forscher gemeinsam mit ihren Mitarbeitern, Industriepartnern und Dr. Markus Milwich vom ITV Denkendorf mit dem „Techtextil Innovationpreis – Architektur“ ausgezeichnet. Die Doktoranden/innen, die das Projekt bearbeiteten, erhielten für ihre Arbeiten im Oktober 2012 den „International Bionic-Award der Schauenburg-Stiftung“, den am höchsten dotierten Preis für Nachwuchsforscher/innen aus dem Bereich der Bionik.
Die bionische Fassadenverschattung Flectofin® ist eine naturinspirierte, wandelbare Konstruktion für die Architektur: Sie funktioniert wie eine vertikale Jalousie. Bei dem stufenlos einstellbaren Klappmechanismus lässt sich die Ausrichtung der Lamellen nach Bedarf verändern. Auf verschleißanfällige und wartungsintensive Gelenke und Scharniere haben die Bionik-Projektentwickler dabei verzichtet.
Stattdessen basiert die elastische Verformung auf dem Klappmechanismus in der Blüte der Strelitzie. Die Blume wird von Vögeln bestäubt, die sich auf einer eigens von der Pflanze gebildeten „Sitzstange“ aus verwachsenen Blütenblättern niederlassen. Durch das Gewicht des Vogels klappen die Blütenblätter auf und die Pflanze gibt Pollen ab, die der Vogel auf die nächste Blüte überträgt.
Das Projekt ist ein Beispiel für Bionik. Diese Querschnittswissenschaft vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
Hier ist die Grundlage für den Klappmechanismus nach dem Vorbild der Paradiesvogelblume ein glasfaserverstärkter Kunststoff, der hochelastische Eigenschaften hat und gut verformt werden kann. Das Auf- und Zuklappen der Lamellen ist an das Biegen eines in die Lamelle integrierten Stabes gekoppelt, wodurch sie um bis zu 90° umklappen.
Dieses Grundprinzip lässt sich zu verschiedenen Versionen weiterentwickeln. Da der Klappmechanismus ohne technische Gelenke oder Scharniere funktioniert und sich die Flectofin®-Systeme auch auf aufwändig zu beschattende, gekrümmte Fassaden anbringen lassen, erhoffen sich die Forscher einen wichtigen Impuls für das moderne Bauwesen.
In einem weiteren Projekt ist es den Forschern aus Freiburg mit Kollegen aus Dresden und Denkendorf im Labor- und Technikumsmaßstab gelungen, die Vorzüge von Drachenbäumen und Kakteen auf verzweigte technische Leichtbau-Faserstrukturen zu übertragen. Als Anwendung sind hochbelastete Knotenpunkte in der Technik, zum Beispiel Achsträger im Automobilbau, denkbar. Dabei werden die Vorzüge der Drachenbäume und Kakteen wie gutartiges Bruchverhalten und gute Schwingungsdämpfung in die Technik transportiert.
Der multifunktionale Elefantenrüssel ist beim Projekt "Brommi" Vorbild für den Bau von bionischen Robotern. Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
Beim "Elefantenprojekt" sollen in Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Berlin, dem Fraunhofer-Institut, der Firma project:syntropy und der Festo AG die hochflexiblen und sicheren Bewegungsmöglichkeiten des Rüssels technisch umgesetzt werden. Entwickelt werden zwei verschiedene Roboter-Innovationen, die mit einem Kamerasystem und einer Bildverarbeitung ausgestattet sind. Das erlaubt das Erkennen von Objekten sowie deren gezielte Aufnahme und Ablage während eines Pick-and-Place-Szenarios.
Der Roboter Brommi-TAK ist ein ausschließlich mit pneumatischen Muskeln betriebener mehrsegmentiger Manipulator. Er besteht nach dem Rüssel-Vorbild aus ineinandergeschobenen Segmenten, in der die Funktionsweise der Natur mit zwei Knochen, einem Gelenk und drei Muskeln technisch nachgebildet ist. Durch den innovativen Aufbau mit neuartigen Materialien ist das System leichter und so beweglicher und ressourceneffizienter als in einem starren Aufbau.
Die inhärenten Eigenschaften der verwendeten technischen Muskeln führen zu einem nachgiebigen und sicheren Roboterrüssel, der den Menschen bei seiner täglichen Arbeit unterstützen kann. Der zweite Roboter Brommi SMK ist aus Multigelenken mit Elektromotoren modular aufgebaut. Jedes einzelne Multigelenk kann sowohl eine Schubbewegung als auch eine rüsselgleiche Flexionsbewegung ausführen.
Seine Baugröße lässt sich den zweckbezogenen Bestimmungen anpassen. Durch die Schubbewegung kann eine große Arbeitsraumhöhe realisiert werden, der aufgrund der besonderen Bewegungsmöglichkeiten ein geringerer Bewegungsraum gegenübersteht.
Roboter gewinnen eine immer größere Bedeutung in der industriellen Produktion. Durch den demografischen Wandel in Europa beteiligen sich immer weniger Menschen an der Generierung des Bruttosozialproduktes. Die Entwicklung der neuen und innovativen Roboter begegnet diesem Strukturwandel durch ihre zahlreichen Einsatzmöglichkeiten.
"Neben der industriellen Produktion ermöglicht ihre hohe Sicherheit die Erschließung neuer Anwendungen wie beispielsweise im Pflege-, Domestik- und Life-Science-Bereich", sagt Projektchef Dr. Ivo Boblan von der TU Berlin. Die neuen Roboter zeichnen sich zudem durch ein gutes Masse-Leistungs-Verhältnis aus, das die Handhabung von hohen Lasten bei einer geringen Eigenmasse ermöglicht. Dies wird durch eine konsequente Leichtbauweise erreicht und ermöglicht einen ökonomisch vorteilhaften Betrieb.
Der Trend geht von bisher steifen Konstruktionen, die weich geregelt werden, hin zur Konstruktion und Entwicklung von weichen und nachgiebigen Strukturen, ähnlich wie in der Biologie. Diese werden dann je nach Anwendung und Einsatz nur so gut wie nötig positionsgenau und steif geregelt. Dieser Paradigmenwechsel führt zu vorteilhaften Lösungen, da sie z.B. in der Mensch-Technik Interaktion inhärent sicherer sind und darüber hinaus auch ressourceneffizienter agieren.
Weiterhin ermöglicht die hohe Sicherheit der mechanischen "Elefantenrüssel" den Verzicht von trennenden Schutzeinrichtungen, was im Mensch-Maschinen-Kontakt zu einer erheblichen Platzeinsparung in der Produktion führt.
Ein dem menschlichen Arm nachempfundener „Roboterarm“ soll kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) bessere Wettbewerbschancen bringen. Das ist das Ziel des Projekts „BioRob Assist“ der TETRA Gesellschaft für Sensorik und Robotik in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Darmstadt und weiteren Firmen. Der BioRob-Arm ist vom elastischen Muskel-Sehnen-Apparat zum Beispiel des Menschen inspiriert. Die Entwicklung markiert einen Paradigmenwechsel in der Robotik von starren zu elastischen Systemen.
Der „Roboterarm“ zeichnet sich durch ein hervorragendes Verhältnis von Traglast zu Eigenwicht bei einer am menschlichen Arm orientierten Reichweite, hoher Sicherheit bei Kollisionen und energiesparender Steuerung aus. „Erste Untersuchungen deuten bei der benötigten Leistungsaufnahme einen etwa zehnfach reduzierten Energiebedarf gegenüber in der Reichweite vergleichbaren, konventionellen Robotersystemen an“, sagt Dr. Andreas Karguth von TETRA zu seiner bionischen Entwicklung. Bei der Bionik steht im Mittelpunkt das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
Der Roboterarm soll die Produktions- und Kosteneffizienz bei KMU mit Hilfe von Automatisierungslösungen erhöhen. Die bei KMU im Gegensatz zur Großindustrie häufig wechselnden Produktionsbedingungen erfordern für den Einsatz im direkten Umfeld des Menschen hohe Kollisionssicherheit, intuitive Bedien- und Programmiereigenschaften sowie die Möglichkeit des flexiblen Wechsels von Einsatzort und -umgebung bei moderaten Kosten. Marktübliche Roboter sind fast immer noch zu unflexibel, zu groß oder zu teuer für diese Aufgaben.
Ziel des Projekts BioRobAssist ist deshalb die Entwicklung eines neuartigen, mobilen Roboterassistenzsystems mit hohen passiven Sicherheitseigenschaften für den Einsatz als Prüf-, Inspektions- und Handlingsassistent unter häufig wechselnden Produktionsbedingungen. Die intuitive und sichere BioRob-Technologie lässt darüber hinaus eine hohe Akzeptanz und schnelle Einarbeitung besonders auch bei nicht speziell geschulten Anwendern erwarten.
Es klingt verrückt: Ein Trick des australischen Dornteufels soll künftig dabei helfen, die Lebenszeit von Motoren oder Pumpen zu verlängern. Die in den extrem trockenen Wüsten um den Ayers Rock beheimatete kleine Echse trinkt kein Wasser, ihr fließt es quasi in den Mund. Möglich macht das eine spezielle Schuppenstruktur, die kleinste Wassermengen aus der Umgebung sammelt und durch Kapillaren an der Oberfläche direkt zum Maul transportiert. Die Strukturen der Echsenhaut auf technische Bauteile zu übertragen und damit die Benetzung mit Schmierstoffen und anderen Fluiden zu verbessern, ist seit November 2012 das Ziel des Forschungsprojekts „BioLas.exe“. Das ist ein Beispiel für Bionik. Die Querschnittswissenschaft vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
Das „Echsen-Projekt“ ist eine Kooperation zwischen Biologen der RWTH Aachen im Lehr- und Forschungsgebiet Zelluläre Neurobionik und den Technikern des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT. Die Partner wollen in den kommenden drei Jahren die Schuppenstrukturen feuchtigkeitserntender Echsen untersuchen und diese mit dem Verfahren des Laserstrahlstrukturierens auf Bauteilen, zum Beispiel aus Stahl oder Messing, nachbilden. Die bionischen Oberflächen können etwa auf Lagern, Wellen oder Dichtungsringen dazu dienen, Flüssigkeiten wie Öle, Schmierstoffe oder Kühlmittel besser zu verteilen und den Verschleiß von Pumpen und Motoren zu verringern.
Aufgabe der Biologen ist es, dafür zunächst die Strukturen und Kapillareffekte der Echsenhaut zu untersuchen und geeignete Gestaltungsmuster für den Einsatz in technischen Systemen zu ermitteln. Die bionischen Strukturen, die die Echsenhaut zum Vorbild nehmen, flexibel und präzise in verschiedene Werkstoffe einzubringen, ist die Aufgabe der Produktionstechniker. Hier setzen die Fraunhofer-Forscher auf das Verfahren des Laserstrahlstrukturierens. Dabei trägt ein Laser in der Bearbeitungsmaschine gezielt Material von der Bauteiloberfläche ab und kann selbst komplex geformte Oberflächen mit nahezu beliebigen Strukturen versehen. Je nach Strukturmuster lässt sich so die Benetzungsfähigkeit der Oberflächen gezielt einstellen. Die mikroskopisch kleinen Strukturen auf die komplex geformten Bauteiloberflächen zu übertragen, wird die Forscher jedoch auch unter Anwendung dieses High-Tech-Verfahrens vor eine besondere Herausforderung stellen: Größe, Geometrie sowie Nano- und Mikrotopografien müssen exakt eingehalten werden, um die gewünschte Funktion sicherzustellen. Die Projektpartner nutzen dafür eine selbst entwickelte Software, welche die Strukturen digital auf die frei geformten Oberflächen überträgt und das Benetzungsverhalten auf dem Bauteil simuliert. Ziel soll es sein, dass die Struktur sich eigenständig und „intelligent“ über die komplette Oberfläche des Bauteilmodells ausbreitet.
Auch ein Katalog an geeigneten Strukturen, die durch die Biologen geprüft und von den Produktionstechnikern erprobt sind, wird Bestandteil der Software werden. Anhand ausgewählter Anwendungen wollen das Institut für Biologie und das Fraunhofer IPT die Marktfähigkeit des Verfahrens und sein Potenzial für die industrielle Anwendung nachweisen. Fundierte Kosten-Nutzen-Betrachtungen mit Blick auf konkrete Produkte sollen sicherstellen, dass das Verfahren bis zur Marktreife geführt werden kann. Das Projekt wird für eine Laufzeit von drei Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Parasiten gehören zu den unbeliebtesten Organismen. Beim Bionik-Projekt "BioFix" der fischer Unternehmensgruppe in Zusammenarbeit mit der Universität Bremen haben sie aber dabei geholfen, innovative Befestigungs- und Fügelösungen für Leichtbausysteme in der Bauindustrie zu entwickeln.
Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.
"Die Natur präsentiert uns viele Lösungen, die wir verstehen und für unsere Zwecke erfolgreich nutzen können", sagt Dr. Joachim Schätzle, Forschungschef der fischer Unternehmensgruppe: "Mit unserem Forschungsprojekt BioFix und dessen Folgeprojekt erforschen wir hier bei fischer die Befestigungslösungen, die in der Natur bereits erfolgreich funktionieren und passen diese an unsere technischen Anforderungen an. Das hat uns für die Entwicklung neuer Wirkprinzipien inspiriert. Einzelne Ergebnisse konnten wir bereits erfolgreich bei der Weiterentwicklung unserer Produkte umsetzen."
In dem Projekt wurden zunächst biologische Befestigungs- und Fügesysteme sowie deren Wirkprinzipien identifiziert und analysiert. Als biologisches Vorbild für minimalinvasive Befestigungs-systeme wurden parasitäre Organismen herangezogen.
Die für ihr "Zirpen" bekannten Zikaden zum Beispiel bohren sich mit ihren Mundwerkzeugen durch die Blattoberfläche hindurch, um Pflanzen-säfte zu saugen. Dabei kommt es zu einer temporären Verankerung im Pflanzgewebe. Die Veranke-rungsstrukturen standen dabei im Fokus der Untersuchungen. Anschließend wurden nach den gewonnenen Erkenntnissen innovative Leichtbaubefestigungssysteme entwickelt.
"Dank der energetischen Modernisierung sind viele Wände heute aus einem weicheren Material. Wärmedämmverbundsysteme und Gipskartonplatten machen es herkömmlichen Dübel zunehmend schwerer, Halt zu finden", berichtet Markus Hollermann. "So wurde ein Dübel entwickelt, der sich in der Wärmedämmschicht, fixieren kann – nach dem Vorbild der Natur", ergänzt Felix Förster.
Das Forschungsergebnis im Rahmen ihrer Abschlussarbeit bescherte den beiden Studenten und Mitgliedern des Bionik-Kompetenznetzwerks BIOKON auch den „Internationalen Bionic-Award 2010“ und machte beide kurz danach zu Unternehmern. „Wir entschlüsseln die Natur für Sie!“ Mit diesem Motto haben die beiden ihr eigenes Unternehmen "die Bioniker" in Bremen gegründet.
Neue mit Hilfe der Natur entwickelte Befestigungslösungen, im und für den Leichtbau, könnten diesen sinnvoll unterstützen oder erst ermöglichen. Darüber hinaus zeigen Erfahrungen aus anderen bionischen Entwicklungsprojekten, dass sich, bedingt durch die Andersartigkeit des Innovationszugewinns, nicht selten zusätzliche und ergänzende Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten ergeben.
Und ganz nebenbei haben die Parasiten als Vorbild dabei geholfen, ein ganz neues Unternehmen zu gründen.
