Bionik – die Zukunft des Maschinenbaus?

 

Wir beobachten einen Condor, in seiner Eleganz und Anmut, wie er am wolkenlosen Himmel gleitet. Seine riesigen Schwingen sind beeindruckend. Wer denkt da schon darüber nach, dass die Enden seiner Flügel als Prinzip zur Flugstabilisierung verwendet werden können?

Bei modernen Flugzeugen sind die sogenannten „Winglets“ erfolgreich im Einsatz.

Wir beobachten Ameisenkolonien, die sich gekonnt organisieren, um auf dem kürzesten Weg von der Futterstelle zurück zum Nest zu gelangen. Wer denkt da darüber nach, dass so etwas mathematisch berechnet werden kann und Logistikunternehmen bereits davon profitieren?

Bioniker denken darüber nach. Ihre Aufgabe ist es, Prinzipien aus der Natur zu entschlüsseln und auf die Technik zu übertragen. Wer sich mit Konstruktion und Design beschäftigt, kann davon viel lernen. Denn die Natur denkt anders.

Prinzipien der Technik sind denen der Natur oft entgegengesetzt.

In der Technik wird viel mit Druckkräften gearbeitet. In der Natur mit Zugkräften.

In der Technik werden hauptsächlich Rotationsmotoren verwendet. In der Natur Kontraktionsmotoren.

In der Technik werden feste, stabile Außenhüllen konstruiert. In der Natur sind Umhüllungen leicht und geben nach.

In der Technik wird geradlinig und kantig gebaut. In der Natur gibt es keine Kanten und Geraden.

Am Beispiel Bett versus Hängematte können wir aus konstruktiver Sicht sehr schön die verschiedenen Ansätze von „konventioneller Konstruktion“ versus „bionisches Design“ erkennen.

 

Warum Bionik?

Durch neue Fertigungstechnologien wird in Zukunft die Produktion geringer Stückzahlen wirtschaftlicher, Einschränkungen in der Formgebung werden praktisch aufgehoben. Das führt dazu, dass wir uns nach Prinzipien der Natur richten müssen, um gute Lösungen zu erhalten. Und dazu gibt es unzählige Ansätze, wobei Vogelflügel und Ameisenlogistik nur zwei davon sind. Denn sogar die Geschlechtsorgane von Zuckmücken (tanytarsus sylvaticus) bilden eine Vorlage für technische Systeme. Nach diesem Prinzip werden Andockmechanismen von Space Shuttles konstruiert.

Wir machen nun ein Gedankenexperiment. Wir überlegen uns heute, wie in Zukunft eine Getränke-Abfüllanlage aussehen kann, wenn man sie nach Prinzipien der Bionik designen würde.

 

Motoren in der Natur

Als erstes betrachten wir den Antrieb. Wie gestaltet die Natur Motoren? Wie bereits erwähnt, verwendet die Technik hauptsächlich Motoren, die durch Rotation antreiben. Es sind Elektromotoren, die mit Hilfe einer Spule elektrische Energie in eine Drehbewegung umwandeln. In der Natur treiben Motoren jedoch durch Kontraktion an. Das Herz ist so ein Motor. Ein Muskel, der Blut mittels Kontraktion durch den Körper pumpt. Dabei sorgen Segel- und Taschenklappen dafür, dass das Blut in die richtige Richtung fließt. Ein hocheffizienter und – im wahrsten Sinne des Wortes – langlebiger Motor, dennoch anders konstruiert als ein Elektromotor.

 

Membranhülle

Die Außenhaut der bionischen Anlage ist eine Membran. Flexibel und leicht. Maschinen haben sonst immer eine feste Außenhülle. Eine Stahlhülle, die so fest sein muss, damit sie sich selbst trägt. Der Maschinenschutz soll in erster Linie Menschen vor dem Eingriff in drehende Teile schützen. Dafür würde eine dünne Außenhaut ausreichen. Auch die Haut von Säugetieren ist eine solche Membrankonstruktion. Sie schützt vor Schäden und Temperatureinwirkungen. In der Technik wird dieses Prinzip beim BMW-Konzept „GINA“ angewendet. Ebenso ist die Außenhülle der Allianz-Arena eine Membrankonstruktion. Die größte Membrankonstruktion der Welt.

 

Lotus-Effekt

Die Hülle unserer bionischen Anlage besitzt natürlich eine schmutzabweisende Oberfläche, den sogenannten „Lotus-Effekt“. Neben dem archetypischen Lotusblatt besitzen auch Kohlblätter eine wasserabweisende Oberfläche mit wachsbeschichteten, mikroskopisch kleinen Unebenheiten. Heute gibt es bereits Easy-to-clean Beschichtungen wie PTFE (Teflon) oder das wasserabweisende Textil „NanoSphere“, das vom Lotus-Effekt Gebrauch macht.

 

Selbstreparatur
In unserer Anlage reparieren sich Risse der Außenhaut selbst, so wie sich auch in der Natur Wunden selbstständig schließen. Heute ist das bereits bei Materialien wie „Biobeton“ der Fall, der kleine Risse wieder zusammenfügen kann. Oder die aufblasbare, selbstreparierende Tragstruktur Tensairity®, mit der man temporäre Brücken und Dächer errichten kann. Selbstreparierende Schäume verhindern bei Beschädigung von Membranen den Luftaustritt.

 

Wachstum

Die Tragstruktur unserer bionischen Anlage ist dem Wachstum von Bäumen nachempfunden. Dadurch wird Kerbspannung vermieden und trotzdem nur so viel Material eingesetzt, wie unbedingt nötig. Das klingt, als würde es in einer hochkomplexen Konstruktion münden. Tut es aber nicht.

Denn mit der Zugdreiecksmethode von Prof. Dr. Claus Mattheck und dem Forschungszentrum Karlsruhe kann man das Wachstum von Bäumen ganz einfach nachkonstruieren.

 

Leichtbaustrukturen

Die Natur schwört auf Leichtbaustrukturen. Schöne Gebilde, die wir im Knochenbau, in Bienenwaben und in Seerosenblättern wiederfinden. Die Struktur unserer Anlage entspricht einer Skelettstruktur. So eine Struktur ist auch bei Radiolarien zu finden, einzellige Wasserbewohner mit einem wunderschönen, gleichförmigen Skelett aus Opal.

 

Transport

Die Behälter unserer bionischen Anlage werden durch Drohnen zu den einzelnen Modulen transportiert. Fische, Bienen, Vögel und Ameisen – alle diese Lebewesen sind im Schwarm aufeinander abgestimmt. Bei Speditionen orientieren sich Softwareentwickler an Ameisenkolonien, um die Touren optimal zu planen. Denn Ameisen finden immer den kürzesten Weg bei der Nahrungssuche, indem sie mit Pheromonen den bestmöglichen Weg markieren. Die ersten wählen spontan einen Weg und die nächsten optimieren ihn dann.

 

 

Die Bionische Anlage

Diese Themen genügen uns erstmal, damit wir unsere bionische Anlage gestalten können. Die Anlage sieht im Prinzip aus wie eine Ansammlung von Bienenstöcken. Das ist nicht wunderlich, denn es gibt durchaus viele Assoziationen zwischen einer Getränkeabfülllinie und einem Bienenstock. Wir haben eine von der Decke hängende Prozesseinheit, bestehend aus mehreren Stationen. Sie werden von Kontraktionsmotoren angetrieben. Drohnen transportieren die Behälter selbstständig zu den einzelnen Stationen, an denen sie befüllt, verschlossen und bedruckt werden. Die Außenhüllen der Stationen sind leichte, flexible Membrane. Versteift werden sie durch eine hexagonale Skelettstruktur, die im Inneren aus einer filigranen Schwammstruktur aufgebaut ist.

Soviel zum Gedankenexperiment. Doch ist diese fantasievolle Darstellung tatsächlich so weit entfernt von der Realität? Die Zukunft wird uns überraschen.