Kreativität und Kommunikation im Team
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| BIONIK |
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Beschreibung
Sie basiert auf der Technischen Biologie (Grundlagenforschung im biologischen Bereich), und wird auch als "Analyse natürlicher Systeme" bezeichnet, denn sie befaßt sich systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme, dazu gehören auch Aspekte, wie belebte und unbelebte Systeme zusammenwirken, sowie die wirtschaftlich-technische Anwendung biologischer Organisationskriterien.
Indem sie das Reservoir der Natur durchforstet nach Anregungen für eigenständig-technisches Gestalten, sichtet und überträgt sie zwar Vorbilder der Natur, kopiert sie aber nicht. Daher ist sie keine Kreativitätsmethode im eigentlichen Sinn, da die Suche nach Lösungen durch längerfristig angelegte Forschungsprojekte von Fachleuten verschiedener Gebiete durchgeführt wird. Voraussetzungen
Grundlagenforschungsergebnisse der Biologie sind erforderlich.
Durchführung
Es gibt keine definierte Vorgehensweise, sie beinhaltet aber das Studium von Formen, Strukturen, Organismen und Vorgängen der Natur sowie die Übertragung der in der Biologie gewonnenen Erkenntnisse auf die Technik.
Einsatzgebiet
- Besonders in der Produktentwicklung und der Konstruktion, aber auch in Architektur, Computertechnik, Energietechnik usw
Vorteile
- Vollkommen neue Erfindungen sind möglich.
Nachteile
- Überwindung von Sprachbarrieren zwischen Biologie und Technik notwendig.
Variante: Materialbionik
Biologische Materialien entstehen entweder in einem einmaligen "Gußvorgang", z.B. Diatomeen- und Radiolarienskelette, oder in schichtenweisem Aufbau, wenn Substanzen von Zellen und Zellschichten (Epithelien) abgegeben werden.
Ihre Zusammensetzung ist sehr unterschiedlich, von den Silikatstrukturen der Kleinlebewesen über biochemische Laminatsstrukturen bei horn- oder chitinartigen Substanzen bin hin zu hydroxylapatitbelegten elastischen Knochenfasern.
Auch sind die Materialien bestens auf die mechanischen Anfordernisse abgestimmt. Daraus ergeben sich vielfältige Vorbilder für die Technik. Hinzu kommen noch ihre bisher kaum erreichte Autoreparabilität und ihre totale Rezyklierbarkeit.
Variante: Werkstoffbionik
Da Materialien die Basis für Werkstoffe bilden, führt auch das Studium biologischer Materialien zu neuartigen Werkstoffen, die sich durch die genannten Eigenschaften auszeichnen.
Besonders kann auch die Mehrkomponentenbauweise biologischer Materialien und Stoffe, in denen z.B. zug- und druckfeste Elemente trajektorisch angeordnet sind, Vorbild sein, wie generell im makromolekularen und im Mikrobereich eine Vielzahl von Anregungen und Umsetzungsmöglichkeiten gegeben sind.
Variante: Konstruktionsbionik (auch Strukturbionik)
Sie untersucht, beschreibt und vergleicht biologische Strukturelemente und Formbildungsprozesse. Da Konstruktionen aus Werkstoffen hergestellt werden, betrachtet sie die Eignung vorgegebener Materialien für spezielle Zwecke.
Geräte setzen sich aus Konstruktionselementen zusammen. Die Bionik kann helfen bei der Entwicklung von Gesamtkonstruktionen nach Vorbildern aus der Natur, besonders im Bereiche der Pumpen- und Fördertechnik, auch in der Hydraulik und Pneumatik gibt es zahlreiche Anregungsmöglichkeiten.
Variante: Bionische Prothetik
Ein wesentlicher Teil der zukünftigen Medizintechnik wird die Entwicklung von Prothesen für behinderte Menschen ausmachen, wobei die Prothesen sich jedoch nicht auf den mechanischen Ersatz der Glieder beschränken, sondern direkt in die Sensorik eingreifen werden, beispielsweise als Seh- und Hörprothesen. Sehr bedeutsam wird sein, wie weit es gelingt, die hoffnungsvollen Ansätze, Informationsleiter der Biologie und der Technik - Neurone und Kabel - zu verbinden.
Auch das Abgreifen von Potentialen an Muskeln von Extremitätenstümpfen und die Ansteuerung von muskelähnlichen Stellgliedern in der Prothese steht erst am Anfang. Dazu gehört die direkte Interaktion "Mensch" und "Maschine" (im weitesten Sinn).
Variante: Bionische Robotik
Roboter arbeiten meistens mit Stellgliedern, die zwar genau, aber ruckartig positionieren. In der Natur dagegen positionieren nichtlineare Stellglieder (Muskeln) die Extremitätenspitze nicht von Anfang an präzise, werden aber bis zum Erreichen des Kontaktpunkts nachgesteuert, indem sie an ihre Nichtliniaritäten angepaßt werden.
Die Nachahmung dieser natürlichen Technologie steht hier noch ganz am Anfang, könnte aber speziell im Zusammenhang mit Prothetik sehr wesentlich werden.
Variante: Klima- und Energietobionik
Passive Lüftung, Kühlung und Heizung sind wesentliche Bereiche, zu denen durch das Studium natürlicher Konstruktionen und die Analyse primitiver Bauten, z.B. bei Termiten, wertvolle Anregungen gefunden werden können: Die Idealausrichtung zu Sonne und Wind, Dachformen, Unterkellerung und Luftführung vom kühlen Erdreich in die sommerwarmen Räume, Luftumwälzung mit Gasaustausch unter Verwendung poröser Materialien, Energiespeicherung in wärmeaufnehmenden Systemen.
Werden solche natürlichen Prinzipien übernommen, können bis zu 80 % der elektrischen Energie zur sommerlichen Kühlung und 40 - 60 % der Energie zur Winterheizung gespart werden.
Variante: Baubionik
"Natürliches Bauen" bedeutet zum einen, die Rückbesinnung auf traditionelle natürliche Baumaterialien wie Ton mit ihren baubiologisch interessanten Eigentümlichkeiten.
Zum anderem gewinnt man aus dem Studium der natürlichen Leichtbaukonstruktion Anregungen für temporäre technische Bauten, beispielsweise von Seilkonstruktionen (Spinnenetzen), Membran- und Schalenkonstruktionen (biologischen Schalen und Panzern), schützenden Hüllen, die Gasaustausch erlauben (Eischalen, Etagenbauten, Integration abgehängter Einheiten, wandelbare Konstruktionen), Konstruktionen mit stärker rezyklierbaren Materialien, ideale Flächendeckungen (Blattüberlagerungen) und Flächennutzungen (Wabenprinzip) .
Wichtig sind Abstimmungen der einzelnen Wohnelementen in der Gesamtfläche sowie in ihrer Ausrichtung zu Sonne und Wind in Analogie zu Blattüberdeckungen und Blütenkonstruktionen.
Variante: Sensorbionik
Monitorierung von physikalischen und chemischen Reizen, Ortung und Orientierung in der Umwelt gehören zu diesem Bereich, z.B. chemische Substanzen im Körper des Menschen (Stichwort: Zuckerkrankheit) oder bei großtechnischen Konvertern (Stichwort: Biotechnologie) zu monitorieren wird immer wichtiger.
Sensoren der Natur, die für alle nur möglichen chemischen und physikalischen Reize ausgelegt sind, werden verstärkt nach Übertragungsmöglichkeiten für die Technik erforscht.
Variante: Bionische Kinematik und Dynamik
Im Tierreich sind Laufen, Schwimmen und Fliegen die Haupt-Lokomotionsformen. Fluidmechanisch interessante Interaktionen zwischen Bewegungsorganen und umgebenden Medien finden sich sowohl bei kleineren bis mittleren Reynoldszahlen (Mikroorganismen, Insekten) als auch bei sehr hoher Reynoldszahlen, die an den Re-Bereich von Verkehrsflugzeugen heranreichen (Wale).
Fragen der Strömungsanpassung bewegter Körper, des Antriebsmechanismus von Bewegungsorganen und ihrer strömungsmechanischen Wirkungsgrade sind hier primär, aber auch die funktionsmorphologische Gestaltung von Flügeln oder Rümpfen können Anregung geben, beispielsweise die Oberflächenrauhigkeiten von Vogelflügeln ziehen infolge der Eigenrauhigkeit des Gefieders in bestimmten Bereichen positive Grenzschichteffekte nach sich, was man bei der Verbesserung der Wirkungsgrade und der Laufruhe sowie der Lärmreduktion von Lüftern und Pumpen einsetzen kann.
Variante: Neurobionik
Datenanalyse und Informationsverarbeitung unter Benutzung intelligenter Schaltungen befinden sich in einer schnellen Entwicklung, wobei besonders die Verschaltung von Parallelrechnern und die Entwicklung "neuronaler Netzwerke" weiter Anregungen aus der Neurobiologie und der Biokybernetik bekommen können.
Da sich dieses Gebiet auch bezüglich der biologischen Grundlagenforschung rasch weiterentwickelt, ist zukünftig mit einer verstärkten Interaktion zum Nutzen beider Disziplinen zu rechnen.
Variante: Evolutionsbionik
Die Verfahren der natürlichen Evolution sollen der Technik nutzbar gemacht werden. Besonders, wenn die mathematische Formulierung bei komplexen Systemen und Verfahren noch nicht so weit ist, daß rechnerische Simulierung möglich wäre, ist die experimentelle Versuchs-Irrtums-Entwicklung eine interessante Alternative, wie bereits selbstverständlich in der Entwicklung beispielsweise von Schiffen und Flugzeugen, Verkehrsleitsystemen und im Maschinenbaubereich.
Variante: Prozeßbionik
Analysiert man die Verfahren, mit denen die Natur die Vorgänge und Umsätze steuert, beispielsweise die Photosysthese bezüglich der zukünftigen Wasserstofftechnologie, können die Aspekte der ökologischen Umsatzforschung gewinnbringend untersucht werden mit Blick auf die Steuerung komplexer industrieller und wirtschaftlicher Unternehmungen.
Denn die natürlichen Methoden der fast vollständigen Vermeidung von Deponiematerial muß in allen Details auf eine Übertragbarkeit untersucht werden.
Variante: Organisationsbionik
Auch ein komplexes Management kann noch immer nicht vorausschauend allen Anforderungen eines auch nur mittleren Industriebetriebs gerecht werden.
Im Gegensatz dazu funktioniert die Organisation in der belebten Welt, ob im Einzelorganismus (die Gesamtkomplexität einer Fliege ist größer als die der gesamten deutschen Volkswirtschaft), in Organismensystemen oder in ökologischen Systemen weitgehend ohne größere Störungen, obwohl die funktionellen Querbeziehungen, beispielsweise eines Waldrands, bereits komplexer sind als die eines größeren Industriebetriebs -
Obwohl aus der Art und Weise, wie die Natur Informationen organisatorisch benutzt, sich in analoger Übertragung vieles für Technik und Verwaltung lernen läßt, findet dies noch viel zu wenig Berücksichtigung
Weiterführende Informationsquellen
- Nachtigall, W. Bionik: Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Springer - Verlag, Berlin, 1998
- Hauer, P. Systematische Analyse des Standes der Methoden zur Kreativitätsverbesserung.
Studienarbeit am Institut für Maschinenkonstruktionslehre und Kraftfahrzeugbau der Universität Karlsruhe (TH), 1997
- Prof. Dr. Werner Nachtigall
Universität des Saarlandes; FB Biologie; Arbeitsrichtung Technische Biologie und Bionik. Postfach 15 11 50; 66041 Saarbrücken; E-Mail: w.nachtigall@rz.uni-sb.de
- www.lautaro.fb10.tu-berlin.de
- www.uni-sb.de/matfak/fb13/bi13wn/ biolink.htm
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