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Deutscher Bundestag Drucksache 16/377416. Wahlperiode 08. 12. 2006

Berichtdes Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung(18. Ausschuss) gemäß § 56a der Geschäftsordnung

Technikfolgenabschätzung (TA)

Potenziale und Anwendungsperspektiven der Bionik(Vorstudie)

Inhaltsverzeichnis

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Vorwort des Ausschusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

I. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

II. Charakterisierung der Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1. Geschichtliche Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1 Historische Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2 Die Entstehung einer systematischen Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 Aktuelle Entwicklungen und neue Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2. Zur Definition der Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 Beispiele vorliegender Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Differenzierungen und Definitionsmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Die normative und die emotionale Seite der Bionik . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Das Bionik-Verständnis in dieser Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3. Das Verhältnis von Natur und Technik in der Bionik . . . . . . . . . . . . 16

3.1 Bionik als Lernen von der Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Prinzipien der evolutionären Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Bionik als Nachahmung der Natur? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Drucksache 16/3774 – 2 – Deutscher Bundestag – 16. Wahlperiode

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III. Bionik – ein Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1. Forschungs- und Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2. Bionik in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1 Forschungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Anwendungen und Marktpotenziale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3 Unternehmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4 Patentsituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5 Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 Lehre und Bildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.7 Forschungsförderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3. Bionik im internationalen Umfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

IV. Bionik für neue Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1. Begriffliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.1 Zum Begriff „neue Materialien“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.2 Der Materialbegriff in der Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2. Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1 Bibliometrische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2 Forschungsgegenstand und Akteure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3 Ausgewählte Forschungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. Ausgewählte Anwendungsfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1 Automobilbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2 Bautechnik und Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4. Chancen und Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

V. Neue Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1. Nanobionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.1 Begriffliches zur Nanobionik und ihrem Umfeld . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.2 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.3 Chancen und Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2. Neurobionik und Prothetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.1 Begriffliche Bezüge und Aspekte zur Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2 Ausgewählte prothetische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.3 Trends, Chancen und Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Deutscher Bundestag – 16. Wahlperiode – 3 – Drucksache 16/3774

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3. Natural Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.1 Aktuelle Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.2 Variationen des „Natural Computing“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.3 Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4. Organisationsbionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

VI. Weiterführende Aspekte und Handlungsempfehlungen . . . . . . . 62

1. Forschungs- und Handlungsbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

1. In Auftrag gegebene Gutachten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2. Weitere Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

1. Akteure nach Bionikforschungsthemen in Deutschland . . . . . . . . . . 73

2. Unternehmen in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3. Technologiezentren in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4. Netzwerke in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5. Hochschulen und FuE-Einrichtungen im Ausland . . . . . . . . . . . . . . . 83

6. Unternehmen im Ausland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7. Netzwerke im Ausland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

8. Universitäre und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, die im Bereich Materialien und Werkstoffe tätig sind . . . . . . . . . . . . 90

9. Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

10. Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92


Vorwort des AusschussesDer Kerngedanke der Bionik – das Übertragen von biologischen Lösungen auf tech-nische Probleme – basiert auf der Grundidee, dass in der Natur in hunderten von Mil-lionen Jahren durch evolutionäre Prozesse optimierte biologische Strukturen entstan-den sind, die auch für technische Entwicklungen in der menschlichen Gesellschaftbedeutsam und überzeugend sein können. Die Natur mit ihrer Artenvielfalt und denjeweils individuellen Lösungen hält einen gigantischen Ideenpool für innovativeEntwicklungen bereit.

Ein entscheidender Vorteil der Bionik ist, dass das Ergebnis „in natura“ bereits exis-tiert, d. h. die prinzipielle Machbarkeit einer innovativen, neu angestrebten techni-schen Lösung nicht mehr nachgewiesen werden muss. Dennoch ist es aus For-schungssicht nicht trivial, überzeugend nachzuweisen, dass die Übertragung auch indem betreffenden technischen Kontext funktioniert und zudem noch nachhaltig ist,denn bionische Lösungen werden für einen Einsatz in der menschlichen Gesellschaftaus dem ursprünglichen natürlichen Kontext herausgelöst. Damit verändern sich so-wohl das Anforderungsprofil an die technische Lösung als auch die Folgen einerUmsetzung signifikant.

Das Potenzial bionischer Forschung wird international zunehmend erkannt. So be-treiben die USA und Japan besonders intensiv bionische Forschung. Deutschland ge-hört in vielen Feldern der Bionik zur Weltspitze. Auch sind neuere Entwicklungenherauszuheben, in denen sich Überschneidungen mit bereits intensiv diskutiertenForschungsfeldern z. B. der Nanotechnologie abzeichnen. Beispielsweise sind mitder Nanobionik ganz neue Perspektiven einer naturnahen Forschung bzw. der Ein-griffsmöglichkeiten des Menschen in die Natur zu diskutieren.

Im Schwerpunkt behandelt der vorliegende Bericht den aktuellen Stand und die zu-künftigen Potenziale bionischer Forschung und Anwendung anhand ausgewählterBeispiele. Herausgearbeitet werden darüber hinaus wissenschaftlich-technischeHandlungsfelder, die mit Blick auf positive Entwicklungs- und Anwendungschanceneine besondere Relevanz aufweisen.

Die vom Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB) imAuftrag des Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzungerarbeiteten Ergebnisse liefern eine wertvolle Informationsgrundlage für die anste-hende parlamentarische Befassung mit diesem faszinierenden und innovativenThema.

Berlin, den 6. November 2006

Der Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung

Ulla Burchardt, MdBAusschussvorsitzende

Axel E. Fischer, MdBBerichterstatter

Swen Schulz, MdBBerichterstatter

Uwe Barth, MdBBerichterstatter

Dr. Petra Sitte, MdBBerichterstatterin

Hans-Josef Fell, MdBBerichterstatter


Zusammenfassung

Die Bionik versucht, mit wissenschaftlichen Mitteln „vonder Natur“ für technische Problemlösungen zu lernen.Unter Bionik werden Ansätze in Forschung und Entwick-lung verstanden, die ein technisches Erkenntnisinteresseverfolgen und auf der Suche nach Problemlösungen, Er-findungen und Innovationen Wissen aus der Beobachtungund Analyse lebender Systeme heranziehen und diesesWissen auf technische Systeme übertragen. Der Gedankedes Übertragens von Funktions- oder Strukturwissen vonlebenden auf technische Systeme ist zentral für die Bio-nik.

Bionik übt in der Öffentlichkeit vielfach eine große Fas-zination aus. Lebewesen als High-Tech-Systeme zu be-greifen und über ihre „technologische Leistungsfähig-keit“ zu staunen, eröffnet die Möglichkeit, den häufiggesehenen Widerspruch zwischen Natur und Technik zuüberwinden. Bionik „als Versprechen“ meint darüber hi-naus, dass durch bionische Ansätze eine natürlichere, na-turnähere oder besser angepasste Technik realisiert wer-den könne und dass damit bereits deswegen bessereEigenschaften wie Einpassung in die natürlichen Kreis-läufe, Risikoarmut, Fehlertoleranz und Umweltverträg-lichkeit möglich würden. Diese Überzeugung stellt fürviele Bioniker eine wesentliche Motivation und eine zen-trale Legitimation ihrer Ansätze dar.

Zur Begründung dieser Vorstellungen wird auf Eigen-schaften von Problemlösungen in natürlichen lebendenSystemen hingewiesen, wie multikriterielle Optimierungunter variablen Randbedingungen, Nutzung des Vorhan-denen oder geschlossene Stoffkreisläufe. Mit diesen Ar-gumenten kann plausibel gemacht werden, dass bionischeProblemlösungen entsprechende Potenziale haben. Obdiese Potenziale aber auch im Einzelfall realisierbar sindund unter welchen Umständen dies gelingen kann, diesbleibt zunächst offen. Bionische Problemlösungen sinddaher nicht per se risikoärmer oder umweltverträglicherals traditionelle technische Lösungen. Denn eine evolu-tionäre Optimierung in der Natur erfolgt unter anderenKriterien und Bedingungen als sie für eine technischeProblemlösung relevant sind. Die Übertragung des Wis-sens, das an lebenden Systemen gewonnen wurde, in einetechnische Umgebung ist kein trivialer Vorgang, der diePotenziale der Bionik zunichte machen oder sogar inRisiken transformieren kann.

Das Verhältnis der Bionik zur Natur ist daher gespalten.Natur hat in der Bionik einerseits Vorbildcharakter, inte-ressiert aber andererseits nicht als Natur selbst, sonderneben „nur“ als Vorbild für technische Problemlösungen.Damit legt die Bionik einen technischen Blick auf die Na-tur nahe, der einem ursprünglichen „unmittelbaren“ Blickauf die Natur als Natur entgegengesetzt ist.

Die Bionik-Szene – ein Überblick

Verbindliche Einteilungen der Bionik liegen bislang nichtvor. Dadurch, dass der bionische Gedanke des Übertra-gens von Funktions- oder Strukturwissen von lebendenauf technische Systeme prinzipiell in wohl fast allen tech-

nischen Bereichen zum Zuge kommen könnte, gibt eskeine eigene Systematik der Bionik. Zur klassischen Bio-nik gehören bionische Anwendungen in den BereichenBau und Klimatisierung, Konstruktionen und Geräte,Formgestaltung und Design, Verfahren und Abläufe, Ma-terialien und Strukturen sowie Lokomotion. Ein wichti-ges aktuelles Forschungsfeld mit erheblichem Anwen-dungspotenzial stellen neue Materialien dar. Die neueBionik schließt an aktuelle Entwicklungen in Nanotech-nologie und Evolutionsbiologie an. Sie umfasst einerseitsmolekularbiologisch inspirierte Mikroansätze der Nano-biotechnologie, der Prothetik und der neuronalen Steue-rung, andererseits evolutionstheoretisch motivierte Ent-wicklungen in der Informationstechnik und in derOrganisation kollektiver Prozesse.

Die deutsche Bionik-Forschung ist thematisch breit auf-gestellt und hat eine sehr gute Ausgangsbasis. Die er-forschten Segmente der Bionik und die Anwendungsfel-der treffen weitgehend auf attraktive Märkte im In- undAusland. Sowohl etablierte Felder (wie z. B. zu NeuenMaterialien, funktionalen Oberflächen oder in der Kon-struktion) als auch sich erst entwickelnde Bereiche derBionik-Forschung (wie z. B. die Prothetik) sind daraufangelegt, innovative Beiträge zu gesellschaftlich und in-dustriell relevanter Forschung und Entwicklung zu leis-ten. In der Öffentlichkeit ist das Attribut „bionisch“ posi-tiv besetzt und wird gerne für Werbezwecke eingesetzt.

Neben den USA und Großbritannien, die ähnlich gut wieDeutschland aufgestellt sind, sind vor allem Frankreich,Schweiz und Österreich stark in der Bionik engagiert. Ja-pan – besonders im Bereich Lokomotion und Robotik –und China (marine Bionik) erweitern ihr Engagement.Die Informationslage ist allerdings teils recht dürftig, be-sonders in Bezug auf Russland und die USA, da dort vieleBionik-Projekte in der Militärforschung angesiedelt sindund entsprechend der Geheimhaltung unterliegen.

Bionik in Deutschland ist durch Partnerschaft und Koope-ration statt durch Konkurrenz und Wettbewerb geprägt.Dies zeigt die zentrale Bündelung der Kompetenzen imNetzwerk BIOKON und die Zuordnung der Mitglieder inthematisch unterschiedlich ausgerichtete Fachgruppen, indenen der wissenschaftliche Austausch und die Nutzungvon Synergien im Vordergrund stehen. Diese Bündelungist auch eine Stärke im internationalen Vergleich. Wäh-rend es in anderen Ländern häufig schwierig ist und lang-wierige Recherchen erfordert, Akteure und Projekte aufdem Gebiet der Bionik zu identifizieren, bietet derBIOKON-Internetauftritt einen hervorragenden Über-blick über die deutsche Bionik-Forschung, ihre Akteureund deren entsprechenden fachlichen Schwerpunkte so-wie zahlreiche Links und Möglichkeiten zur Kontaktauf-nahme.

Vielfach geht Bionik jedoch auf die Initiative und das En-gagement einzelner Personen oder FuE-Einrichtungen zu-rück. Die kritische Masse für die Bionik, um den Innova-tionsprozess maßgeblich zu gestalten, ist weder nationalnoch international erreicht. Zum einen liegt dies sicherdaran, dass bionische Lösungsideen über eine sehr breitePalette von Anwendungsfeldern verstreut sind, so dass


der jeweilige Anteil und damit Einfluss in den – zumeistgroßvolumigen – Anwendungsfeldern gering bleibenmuss. Zum anderen lässt sich auch eine Reihe vonHemmnissen für eine größere Rolle der Bionik im Inno-vationssystem ausmachen. Hierzu gehören vergleichs-weise lange Entwicklungszeiten für bionische Produkteund Prozesse, eine gewisse Zurückhaltung bei der Indus-trie, Konflikte zwischen Universitäten und Industrie, einezwar gestiegene, aber dennoch marginale Forschungsför-derung, die weitgehende Abwesenheit der Bionik in derschulischen und universitären Lehre sowie ein Mangel anKommunikation.

Neue Materialien

Biologische Materialien sind ressourceneffizient gestaltetund zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und Funktio-nalität bei verhältnismäßig geringem Materialeinsatz aus.Die eingesetzten Materialien sind zudem in der Regel inder Umgebung leicht verfügbar (Opportunismusprinzip inder Materialauswahl). In der Natur finden sich keineHochleistungswerkstoffe, sondern einfache Materialienmit einer effizienten inneren Struktur, die auf die jewei-lige biologische Konstruktion perfekt abgestimmt sindund so aus technischer Sicht erstaunliche mechanischeEigenschaften erzielen.

Durch ihre Kombination als Mehrkomponentenmateria-lien oder Komposite zeichnen sich viele Materialiendurch eine aus technischer Sicht ideale Kombination oftwidersprechender Materialeigenschaften, wie Festigkeitund Elastizität, aus. Multifunktionalität stellt einen we-sentlichen Beitrag zur Effizienz biologischer Materialiendar. Diese besitzen eine den Funktionen, die sie erfüllensollen, angepasste Lebensdauer. Aufgrund der einfachenchemischen Basis sind alle Materialien biologisch abbau-bar und damit Bestandteil eines natürlichen Kreislaufs.Um materialbionische Aspekte zu verdeutlichen, werdeneinige Forschungsfelder exemplarisch aufgeführt:

– Am Beispiel der Biokeramik werden Abgrenzungs-probleme deutlich, die einem praktischen Einsatzjedoch nicht entgegenstehen: Das Kristalline derKeramik (mit z. B. lebensfeindlichen Herstellungs-temperaturen von über 1 000 °C) steht eher im Gegen-satz zum Biologischen und Lebendigen. Mittlerweilerepräsentiert die „Biokeramik“ einen hochdynami-schen, äußerst vielversprechenden Zweig der keramik-orientierten Materialwissenschaften.

– Ein weiteres Beispiel ist Perlmutt, welches im Fokusdes Forschungsinteresses steht, weil es sich durch einehohe Härte und gleichzeitig hohe Bruchfestigkeit aus-zeichnet. Perlmutt ist u. a. zäher als heutige Industrie-keramik. Mögliche Einsatzgebiete werden auch imBereich der Medizintechnik (Implantatwerkstoffe) ge-sehen, da heute verwendete nicht keramische Werk-stoffe oft problematisch bezüglich ihrer Biokompatibi-lität sind.

– Von den anpassungsfähigen Materialien (smart mate-rials) wird ein hohes Potenzial für technische Anwen-dungen erwartet. Selbstreparatur (Wundheilung) ist

ein anpassendes Merkmal aller Lebewesen. Untersu-chungsergebnisse legen nahe, dass Selbstreparaturpro-zesse bei Pflanzen in technische Produkte umsetzbarsind. Derzeit werden z. B. selbstreparierende Membra-nen für technische Anwendungen entwickelt. Das Zu-sammenspiel von „Sensor, Steuereinheit und Aktua-tor“ kann genutzt werden für biologisch inspiriertesLaufen (Robotik, Biomechatronik).

– Bionisch strukturierte Beschichtungen bieten mittler-weile Eigenschaften, die weit über den bekannten Lo-tus-Effekt (Selbstreinigung in Verbindung mit Wasser)hinausgehen. Hier ist mittlerweile auch eine Reihe vonProdukten auf dem Markt (z. B. Fassadenfarben, Anti-haftbeschichtungen, Riblet-Folien).

– Natürliche Klebelösungen sind technischen teilweisenoch überlegen (z. B. Langzeithaften unter extremenBedingungen wie etwa Salzwasser). Zudem sind allein der Natur verwendeten Klebstoffe umweltverträg-lich. Daneben geht es auch um die Entwicklung wie-der ablösbarer Verbindungen mit dem Ziel, feste Ver-bindungen von Werkstoffen ohne Schweißen oderKleben aufzubauen.

Bei den aufgeführten Beispielen ist übergreifend anzu-merken, dass, um auf der Basis naturwissenschaftlicherAufklärung (z. B. molekularbiologischer Prinzipien) zu„technischen“ Lösungen zu kommen, die Grundlagenfor-schung in vielen Fällen noch eine „gewisse Reife“ erlan-gen sollte und bereits existierende Produkte weiter zu op-timieren sind.

Die Zahl werkstoffbasierter Entwicklungen ist unüber-schaubar, so dass eine Einordnung, was den Stand derForschung anbelangt, schwierig ist. Dennoch ist festzu-halten, dass die Bionik bei zukünftigen Materialentwick-lungen eine bedeutende Rolle einnehmen kann. Denn Ei-genschaften natürlicher Materialien – wie adaptiveFähigkeiten, Multifunktionalität und ressourceneffizien-ter Aufbau – sind gleichzeitig auch Eigenschaften, dieZiele aktueller Werkstoffentwicklungen darstellen. Vo-raussetzung ist jedoch ein tieferes Verständnis für das Zu-sammenwirken von Funktion und Aufbau natürlicher Ma-terialien sowie der Mechanismen zur Entstehung,Umformung und Selbstheilung.

In den Feldern Automobilbau und Bautechnik/Architek-tur kann Bionik unterschiedlich wirksame Beiträge zu(zukünftigen) Technologien leisten (z. B. Leichtbaukon-struktion nach bionischem Vorbild, strömungstechnischeOptimierung der Fahrzeuge, Entwicklung spezieller Fel-gen und Reifenprofile, am Kraftfluss orientierteTragstrukturen, transparente Isoliermaterialien). Dabeigarantiert die unmittelbare „Nähe zur Natur“ – als Vor-bildfunktion und als zumeist erster Verfahrensschritt bio-nischer Forschung – nicht per se einen nachhaltigen,heute oder zukünftig praxisrelevanten Einsatz. Ein sichabzeichnendes Charakteristikum umgesetzter bionischerLösungen ist, dass sie eine hohe Anzahl neuer Entwick-lungs- und Produktideen nach sich ziehen – nicht notwen-digerweise ausschließlich bionischer Art. Dies zeigt das


Beispiel selbstreinigender, superhydrophober (besonderswasserabweisender) Oberflächen und Materialien.

Neue Bionik

Nanobionik und/oder Nanobiomimetik bezeichnen For-schungsaktivitäten, die Lösungsansätze der Natur (bzw.der Zelle) für menschliche Bedarfe und Herstellungspro-zesse nutzbar zu machen. Diese Forschungsrichtungensind molekularbiologisch orientiert und profitieren vonFortschritten in der Nanotechnologie. Entsprechende Ent-wicklungen befinden sich noch mitten im Stadium derGrundlagenforschung, auch wenn es um so konkreteZiele geht, wie den technischen Nachbau der Photosyn-these. Waren die bisher verfolgten bionischen Ansätze ge-prägt durch die Übertragung von Lösungsansätzen derNatur auf technische Systeme, so stehen im Rahmen derNanobionik zugleich Eingriffe in die Natur auf dem Pro-gramm, die bis hin zum Bau künstlicher Zellen und damitletztlich zur Erzeugung künstlichen Lebens in der Synthe-tischen Biologie reichen. Die Analogiebildung der bishe-rigen Bionik mit der Nanobionik erweist sich spätestensdann als problematisch, wenn in die evolutiven Prozesseselbst eingegriffen wird, wenn also „der Mensch die Evo-lution selbst in die Hand nimmt“. Mit der dadurch einkeh-renden Verkürzung der natürlichen Zeiträume, in denensich evolutive Prozesse vollziehen, könnten neue Risiko-typen erzeugt werden. Bei aller Faszination der Nanobio-nik sollte daher eine sorgfältige Begleitung durch Risiko-forschung und Technikfolgen-Abschätzung erfolgen.

Die Fortschritte in der Prothetik tragen zu einer Entwick-lung bei, die von der morphologischen Analogiebildung(beispielsweise Hörrohr) über eine völlige Abstraktionund Abkehr vom Vorbild wieder zu einer kontinuierlichenAnnäherung an die natürlichen Prozesse gelangt – ganzim Sinne des „Nachbaus“ der zugrunde liegenden kom-plexen sensorischen und informationsverarbeitenden Me-chanismen. Es geht damit zunehmend um die mehr oderweniger exakte funktionale Nachbildung der Natur. Die-ses „transitorische“ Verständnis der Bionik (von der Ana-logie hin zur Kopie) lässt sich anhand von Arm- undBeinprothesen oder von Zahnprothesen illustrieren. Mitdem Fortschritt der Wissenschaft nehmen das Bestrebenund die wissenschaftlich-technischen Möglichkeiten zu,ganze oder zumindest Teile von Gliedmaßen in der er-wünschten Funktion oder auch in der dabei natürlicher-weise eingesetzten Funktionsweise nachzubilden. Hierbeisind große Erfolge zu verzeichnen, obwohl die exakteKopie noch lange nicht erreicht ist. Die Neurobionik(z. B. Neuroprothetik, Biohybridelemente) wird von vie-len Bionikern als bionisches Forschungsfeld akzeptiert,solange es um das Lernen von der Natur mit Blick aufevolutionäre Erkenntnisse geht. Andere grenzen sich je-doch von der Neurobionik für prothetische Anwendungenab, da diese mehr auf den „Ersatz von Sinnen“ ausgerich-tet ist. Durch die enormen Fortschritte im Verständnisbiologischer Elemente sowie dem technischen Fortschrittim Bereich Miniaturisierung und Materialien ist zu erwar-ten, dass die Neurobionik dennoch in den kommendenJahren eine klarere Rolle in der bionischen Forschung be-anspruchen wird als bisher.

Die Nutzung evolutionärer Strategien ist ein weiteres ak-tuelles Forschungsfeld der Bionik. In der Informations-und Kommunikationstechnik operiert das „Natural Com-puting“ mit den Prinzipien von Variation und Selektion,um unter bestimmten Bedingungen „optimale“ Strategiendurch Probieren herauszufinden. In Fragen der Organisa-tion komplexen Verhaltens, sei es des Verhaltens einesKollektivs oder des Verhaltens Einzelner angesichts kom-binatorischer Optimierungsaufgaben, werden seit einigerZeit Phänomene der „Schwarmintelligenz“ untersucht. Esgeht dabei darum, das komplexe Verhalten z. B. vonAmeisenvölkern oder Vogelschwärmen auf der Basis sehreinfacher Regeln auf der individuellen Ebene zu model-lieren und hieraus Lösungsideen für Probleme sozialerOrganisation zu gewinnen.

Grundsätzlich ist in diesen, technisch und wissenschaft-lich sämtlich faszinierenden Feldern der „neuen Bionik“zu beachten, dass erhebliche Potenziale für neuartigetechnische Möglichkeiten erkennbar sind, dass sich je-doch die Entwicklungen zum großen Teil noch in frühenStadien befinden. Der bionische Gedankengang zielt hierzwar letztlich auf technische Problemlösungen, ist jedochin der Regel noch weit von der Marktreife entfernt. Dashäufig verwendete evolutionäre Prinzip der Selbstorgani-sation weist eine eigene Ambivalenz auf und könnte zuRisikotypen führen, die ihre Ursachen in einer zunehmen-den Autonomie darauf aufbauender Technik und einemmöglichen Kontrollverlust des Menschen haben.

Schlussfolgerungen und Handlungsoptionen

Bionik führt zu einer erheblichen Ausweitung der „tool-box“ im Innovationssystem, indem aus der ungeheurenVielfalt der „technischen“ Problemlösungen in der Naturfür technische Problemlösungen in der Welt des Men-schen gelernt wird. Bereits diese beträchtliche Erweite-rung menschlicher Handlungsmöglichkeiten rechtfertigteigene Anstrengungen, um das bionische Potenzial mög-lichst gezielt zu erschließen. Bionik „als Versprechen“ ei-ner naturgemäßeren Technik trägt sicher zur Motivationvieler Forscher bei, ist jedoch für eine Begründung, wa-rum denn Bionik betrieben und öffentlich gefördert wer-den sollte, gar nicht erforderlich. Hier reicht das Argu-ment der Erschließung eines großen Ideenpools fürmenschliche Zwecke vollständig aus.

Für eine differenzierte Sicht auf die Bionik und die in die-sem Bereich praktizierte Arbeitsweise ist es unabdingbar,den gesamten Innovationsprozess von den biologischenGrundlagen (Idee) bis hin zur technischen Umsetzung(Produkt) zu betrachten – auch um das Potenzial der Bio-nik realistisch darstellen zu können. Um Bionik als„Ideenpool“ für Innovationen zu etablieren, ist einegrundlegende Voraussetzung das Entwickeln von Strate-gien zum effizienten Herausfiltern der für technische Pro-blemlösungen relevanten Aspekte. Aufgrund der unge-heuren Vielfalt der „natürlichen Problemlösungen“ wäreetwa eine weitere Systematisierung und Verfügbarma-chung von Funktionsprinzipien aus der Biologie sinnvoll.Ein weiterer Punkt ist die Fokussierung der forschungs-orientierten Förderung auf ausgewählte Aspekte (z. B.Wissensverwertung, Schutzrechtsstrategien, Aufbauneuer Förderschwerpunkte).


Eine funktionierende interdisziplinäre Arbeitsweise istdabei ein zentraler Baustein bionischer Entwicklungen.Auch hier bestehen Verbesserungsmöglichkeiten in derKommunikation zwischen verschiedenen Wissenschafts-disziplinen. Die momentan in Deutschland bestehendeNetzwerkbildung sollte – auch mit Blick auf interdiszipli-näre Aspekte und die europäische Ebene – weitergeführtwerden.

Das Anwendungspotenzial der Bionik ist enorm breit. Einentsprechendes Marktpotenzial ist vorhanden, wobei fürein detailliertes Bild allerdings entsprechende Marktun-tersuchungen notwendig wären. Für den Transfer bzw.die Nutzbarmachung bionischer Entwicklungen für Um-setzungen im Handwerk bzw. im Mittelstand fehlen re-gionale bzw. auch überregionale Unterstützungsoptionen.

Die positive Besetzung des Begriffs „Bionik“ in der brei-ten Öffentlichkeit wäre ausbaubar, auch vor dem Hinter-grund der Vermittlung eines noch klareren Bildes, wasBionik genau ausmacht. Dieses Verständnis wäre u. a.auch eine Grundlage für eine bessere Verankerung bioni-scher Aspekte in Lehre und Ausbildung.

Für eine Weiterführung der Bearbeitung des Themas bö-ten sich folgende Vertiefungsfelder an:

– Untersuchung ökobilanzieller Themen im Rahmenvon Gesamtbetrachtungen bionischer Produktanwen-dungen,

– Konkretion bisher getroffener Aussagen zu „Chancenund Risiken“ der Bionik insgesamt,

– Forschungsbedarf im Bereich der „neuen Bionik“ hin-sichtlich der These „Bionik als Versprechen“ (Kon-textüberprüfung, Kriterien, Bewertung etc.), Realisier-barkeit der mit Bionik implizit verbundenenVorstellungen (Robustheit, Fehlertoleranz, Adaptivitätusw.), Eingriffstiefe und Wirkmächtigkeit der „neuenBionik“ auf molekularer Ebene und damit zusammen-hängender Risiken sowie Detailuntersuchungen füreinzelne Bereiche (z. B. Nanobionik, Prothetik),

– Durchführung einer differenzierten Vergleichsanalysemit anderen Ländern (Benchmark),

– Untersuchung des potenziellen Beitrags der Bionik zuaktuellen ökologischen Problemen (z. B. im Bereich„Bauen und Wohnen“).

Deutschland gehört ohne Zweifel zu den bedeutendenForschungsstandorten in der Bionik weltweit. Das wis-senschaftlich hohe Niveau der deutschen Forschung giltes, auch in Zukunft zu halten. Die internationale Reputa-tion muss weiter gestärkt werden, und bionische Heran-gehensweisen sind nachhaltig und zeitnah in die Innovati-onsprozesse der Industrie zu integrieren. Es wird für dieZukunft zum einen darauf ankommen, das Wissen aus derbereits geleisteten Forschungsarbeit an die nächste Bio-nik-Generation weiterzugeben und vor allem durch Aus-bildung einen Multiplikatorenprozess anzustoßen. Zumanderen muss die bionische „Denkweise“ stärker in Bil-dung und Ausbildung integriert werden.

Bionik bietet einen geeigneten Rahmen für einen geziel-ten und effizienten Wissenstransfer von der Grundlagen-forschung bis hin zur technischen Anwendung. DieserWissenstransfer ist unerlässlich, um einen technologi-schen Wissensvorsprung auf Dauer zu halten. Vom der-zeitigen Standpunkt aus betrachtet stellt die Bionik eineTechnologieoption mit immensem Potenzial dar.

I. Einleitung

Die Grundidee des Übertragens von biologischen Lösun-gen auf technische Probleme (Bionik) besteht darin, dassin der Natur in hunderten von Millionen Jahren evolutio-närer Prozesse optimierte biologische Strukturen entstan-den sind, die auch für technische Entwicklungen bedeut-sam und überzeugend sein können. In der Natur ist heutebereits eine immense Artenvielfalt (über 2,5 Mio. identi-fizierte Arten1) mit ihren spezifischen Besonderheiten be-kannt, die im Sinne der Bionik als gigantischer Ideenpoolfür technische Problemlösungen zur Verfügung steht. So-mit geht es im weitesten Sinne quasi um einen Wissens-transfer von der Natur bzw. ihrer Analyse unter „techni-schem Blick“ in die Technik selbst. Zu beantworten istjedoch noch eine Reihe von Fragen etwa nach einer ad-äquaten Vorgehensweise, um die in optimierten biologi-schen Strukturen verborgenen Informationen und gefun-denen Lösungen für technische Anwendungen nutzen zukönnen (u. a. um Strategien zum effizienten Herausfilternder für technische Problemlösungen relevanten Aspekte).

Auch heute gibt es noch eine Reihe von sehr grundlegen-den technischen Fragestellungen, die bislang nicht befrie-digend beantwortet sind (etwa Klebstoffe, die dauerhaftunter extremen Bedingungen (z. B. Salzwasser) haftenoder das Bewegen/Haften von Minirobotern an glattenOberflächen etc.). Da in der Natur Lösungen hierfür exis-tieren, bietet es sich an, die entsprechenden Mechanismengenauer zu untersuchen und hinsichtlich ihrer Übertrag-barkeit auf technische Anwendungen zu prüfen.

Ein Vorteil der Bionik ist, dass das Forschungsziel „inNatura“ schon existiert, d. h. die prinzipielle Machbarkeitder innovativen, neu angestrebten technischen Lösungmuss nicht mehr nachgewiesen werden. Dennoch ist esaus Forschungssicht heute nicht trivial, überzeugend zuerläutern, dass die Übertragung auch in dem betreffendentechnischen Kontext funktioniert. Denn bionische Lösun-gen werden für einen Einsatz in der menschlichen Gesell-schaft aus dem ursprünglichen natürlichen Kontextherausgelöst. Damit verändert sich signifikant das Anfor-derungsprofil (Beispielsweise weist die technische Re-produktion der Haifischhaut, etwa für Schiffsrumpfbe-schichtungen, ungünstigere mechanische Eigenschaften(Abrieb etc.) auf.

Eigentlich müsste die in der Natur vorgelebte Machbar-keit einen enormen Vorteil darstellen z. B. bei der FuE-Förderung oder als „Eintrittspforte“ für potenzielle

1 Vermutet wird eine noch höhere Gesamtzahl (bis zu 30 Millionen),die auch bisher noch nicht identifizierte Arten von Lebewesen ein-schließt (http://de.wikipedia.org/wiki/Artenvielfalt).


(industrielle) Anwendungen. Ein Problem ist jedoch, dassder Weg (zum Ziel industrieller Anwendung) hier nurüber eine breit angelegt Grundlagenforschung geht.(Screening der Möglichkeiten in der Natur, z. B. beimAntifouling: Warum werden Oberflächen generell gutoder schlecht besiedelt?) Zudem stehen biologische Ent-wicklungen immer in einem evolutiven Kontext, da Orga-nismen beständig Anpassungsleistungen an ihre (sich ggf.ändernde) Umwelt erbringen müssen.

Als weiterer Vorteil für den Einsatz bionischer Überle-gungen (neben der Artenvielfalt) wird oft die evolutio-näre und damit optimierte Entwicklung biologischer Indi-viduen benannt, welche optimal an das umgebendeÖkosystem angepasst sind, wobei oft postuliert wird, dasses sich bei bionischen Lösungen um qualitativ „bessere“als die bestehenden handelt. Kurt Blüchel schreibt dazu:„Wenn es gelänge, die genialen Erfindungen der Schöp-fung als Innovationspool nutzbar zu machen, […], würdesich das Gesicht der Welt vermutlich von Grund auf än-dern. […] Eine systematische Erkundung der Kompetenzbiologischer Systeme durch den Menschen ist längstüberfällig. Tausende neue, vor allem umweltverträgli-chere Produkte könnten dadurch geschaffen werden,zahllose Probleme in Gesellschaft, Wirtschaft und Indus-trie einer naturorientierten Lösung zugeführt werden“.(Blüchel 2005, S. 44) Aus dieser und anderen Quellenklingt eine gewisse Heilsbotschaft der Bionik heraus. Obdiese berechtigt ist und wie weit sie reicht, oder ob nichtdurch bionische Vorgehensweise auch technische Risi-ken, vielleicht ganz eigener Art, verursacht werden kön-nen, wäre zu untersuchen.

Ein weiteres Diskussionsthema ist, dass Bionik als einweit gefasster Begriff dasteht. Schwerpunkt bisherigerForschungsarbeiten waren eher makroskopische An-sätze. Neue Dimensionen der Bionik zeigen sich seit eini-gen Jahren beim zunehmenden Übergang der For-schungsarbeiten auf die molekularbiologische Ebene.Dabei wird auch immer wieder diskutiert, wo genau der„Quantensprung zur Bionik“ zu finden ist (in Abgrenzungzum 1:1-Nachbau der Natur). Aktuelle Entwicklungenetwa der „Nanobionik“ stellen klassische Selbstverständ-nisse der Bionik und auch klassische Abgrenzungen, etwazu Bio- und Gentechnologie, in Frage.

Bionik ist direkt oder indirekt in vielen Anwendungsfel-dern zu finden; sie scheint dennoch häufig in der zweitenReihe neben den „klassischen“ technischen Lösungen zustehen – irgendwie oft „undercover“. Andererseits gibt esheute auch Produkte auf dem Markt, die fälschlicher-weise mit bionischen Aspekten beworben werden. Gene-rell kann man sagen, dass die industrielle Anbindunggrößtenteils (noch) offen ist: es herrscht eher eine abwar-tende Haltung vor. Man könnte hier auch eine Assozia-tion zur Grundidee der Kondratieffzyklen (Auftretenlangwelliger Innovationszyklen) aufführen, die besagt,dass bereits vorhandene, aber bisher ungenutzte (und un-bewusste) Ressourcen plötzlich ins allgemeine Bewusst-sein treten und breite Bedeutung erlangen (bis hin zu ei-ner ernsthaften wirtschaftlichen Nutzung). Dies ist bei derBionik zwar (noch) nicht der Fall, aber zum einen ist eine

gewisse Renaissance zu verbuchen (von Ideen, die schonrelativ lange existieren) und zum anderen wird vielfachdavon ausgegangen, dass in dem als aktuell angenomme-nen Innovationszyklus biologische Anwendungen einewesentliche Rolle spielen werden.

Bionik lebt in der öffentlichen Wahrnehmung von derFaszination einer „genialen Komplexität“, aber auch da-von, dass Vieles in der Natur oft intuitiv verständlich ist.Dennoch braucht man oft relativ lange, um scheinbar ein-fache Dinge aufzuklären und diese dann für technischeAnwendungen auch nutzbar zu gestalten. Diese Diskre-panz ist ein Ausgangspunkt für derzeitige Aktualität desThemas Bionik.

Gegenstand und Zielsetzung der Untersuchung

Vor diesem Hintergrund wurde – auf Vorschlag des Aus-schusses für Bildung Forschung und Technikfolgenab-schätzung – im Frühjahr 2005 die Bearbeitung diesesThemenfeldes als TA-Vorstudie begonnen. Ziel der Un-tersuchung ist eine Zusammenstellung des aktuellen Stan-des der Forschung und Anwendung im Bereich der Bio-nik anhand ausgewählter Beispiele. Dabei sollenForschungsstrategien aufzeigt sowie marktrelevanteAspekte dokumentiert werden. Eine vollständige Abbil-dung aller Forschungsarbeiten wird nicht angestrebt. Aufder Basis der Vorstudie soll ggf. über eine Weiterführungz. B. als TA-Projekt entschieden werden.

In der Vorstudie des TAB geht es zunächst um einenÜberblick über den aktuellen Stand und die zukünftigenPotenziale bionischer Forschung und Anwendung. Be-rücksichtigt werden Chancen und Risiken der Bionik alseine Wissenschaft, die vielfach als eher risikoarm in ihrenFolgen angesehen wird. Herausgearbeitet werden darüberhinaus wissenschaftlich-technische Handlungsfelder, diemit Blick auf positive Entwicklungschancen eine beson-dere Relevanz aufweisen. Auf der Basis von Literaturaus-wertungen und Experteninterviews wurden drei Themen-felder untersucht:

– Aktuelle und zukünftig angedachte Nutzung bionischer Anwendungen

In diesem Themenfeld geht es um eine Zusammenstel-lung verschiedener Anwendungsbereiche, die dieBandbreite bionikbasierter Entwicklungen abbildet.Neben heute bereits realisierten Anwendungen steheninsbesondere zukünftige Anwendungsfelder (insbe-sondere auch an Schnittstellen zu anderen Forschungs-gebieten) im Vordergrund. Ausgangspunkt ist eineDifferenzierung zwischen Anwendungen bzw. For-schungsarbeiten, die sich im engen und erweitertenSinne als „bionikbasiert“ fassen lassen.

– Die Nähe zur Natur als Chance und als Risiko

Hier geht es um unterschiedlich wirksame Beiträgeder Bionik zu (zukünftigen) Technologien. Dabei ga-rantiert die unmittelbare „Nähe zur Natur“ – als Vor-bildfunktion und als zumeist erster Verfahrensschrittbionischer Forschung – nicht per se einen nachhalti-


gen,2 heute oder zukünftig praxisrelevanten Einsatz. Indiesem Themenfeld geht es um anwendungsübergrei-fende Aspekte, die zusammenfassend anhand ausge-wählter, repräsentativer Anwendungsfelder darge-stellt werden. Weiterhin werden ausgewählteForschungsgebiete betrachtet, die zum einen nicht un-bedingt auf eine relativ lange Tradition aufbauen kön-nen und zum anderen im Übergangsbereich (bzw. ansog. Schnittstellen) angesiedelt sind (z. B. Nanobio-nik, Bioinformatik). Da insbesondere der Verquickungverschiedener Wissensgebiete unter Aspekten derMultidisziplinarität mittlerweile eine hohe Bedeutungbeigemessen wird, werden auch Bezüge der Bionikzum Themenfeld „converging technologies“ herge-stellt.

– Internationale Aspekte bionischer Forschung

In diesem Tehmenfeld wurde die bionische Forschungunter einem internationalen Blickwinkel beleuchtet.Einbezogen wurden aktuelle Rahmenbedingungen aufEU-Ebene (z. B. europäisches Forschungsrahmenpro-gramm) sowie solche in weiteren Ländern (z. B.USA).

Aufbau der Studie

In der Summe wird in dieser Studie der Frage nachgegan-gen, was den bionischen Zugang zur Lösung technischerProbleme auszeichnet, in welchen Feldern aktuell die be-deutendsten Entwicklungen und Anwendungen erfolgen,welche Chancen und Potenziale in der Bionik liegen undmit welchen Risiken oder Gefahren zu rechnen ist. Dieskann, im Rahmen einer Vorstudie, sicher nur in einer be-grenzten Detaillierungstiefe erfolgen. Es wird also denübergreifenden Fragen – wozu auch die begrifflichen Pro-bleme gehören – eine große Aufmerksamkeit gewidmetund die sich daraus ergebenden Thesen und Fragen wer-den sodann in Form exemplarischer Vertiefungsfelder be-arbeitet. Auf diese Weise ergibt sich folgender Aufbaudes Berichts:

In Kapitel II geht es um die Charakterisierung der Bionik,angefangen von historisch herausragenden Entwicklun-gen, über die Entstehung einer systematischen Bionik bishin zu aktuellen Entwicklungen im Sinne einer „NeuenBionik“. Darauf aufbauend werden anschließend wesent-liche Aspekte gängiger Bionik-Definitionen umrissen,um letztlich ein für diese Studie verwendetes Bionik-Ver-ständnis zu formulieren. Unter diesem Blickwinkel wirddann auf das Verhältnis von Natur und Technik eingegan-gen, wobei neben den verschiedenen Blickwinkeln des„Lernens von der Natur“ auch Prinzipien der evolutionä-ren Optimierung herausgestellt werden. Abschließendwerden Aspekte der gängigen Erwartungshaltung disku-tiert, dass eine Technik nach dem Vorbild der Natur auchautomatisch risikoärmer und angepasster sei.

Im Kapitel III steht ein Überblick wesentlicher For-schungs- und Anwendungsfelder der Bionik im Vorder-grund. Ziel ist es hier primär, einen Eindruck von derVielfalt und den daraus erwachsenen potenziellenSchwierigkeiten der Einordnung und wirtschaftlichen Be-wertung bionischer Anwendungen zu vermitteln. Fokus-siert wird auf Aktivitäten in Deutschland in Bezug auf dieindustrielle Sicht, die Patentsituation, die Ausbildung vonNetzwerken, Lehre und Bildung sowie die aktuelle For-schungsförderung. Abschließend werden Bezüge zum in-ternationalen Umfeld aufgezeigt.

In Kapitel IV steht stellvertretend für den bereits etablier-ten Bereich der Bionik ein Querschnittsthema im Vorder-grund, was sich durch fast alle Anwendungen durchzieht:die Neuen Materialien und Werkstoffe. Neben einer be-grifflichen Einordnung in die Werkstoffthematik wird derMaterialbegriff zunächst unter biologischen Gesichts-punkten diskutiert. Der Stand der Forschung wird anhandausgewählter Forschungsfelder und deren Besonderheitendokumentiert. Abschließend wird exemplarisch auf zweiAnwendungsfelder, den Automobilbau sowie Bautechnikund Architektur, eingegangen. In beiden Bereichen gibtes bereits bionisch inspirierte Umsetzungen sowie neueIdeen, bionische Aspekte einzubauen. Deutlich wird hierdie Verbindung von Material und Konstruktion, die auchim Zusammenhang dargestellt wird. Abschließend wer-den Chancen und Risiken diskutiert.

Im Kapitel V wird explizit auf neue Forschungsfelder derBionik eingegangen, die sich zum einen erst in den letz-ten Jahren heraus kristallisiert haben und zum anderendeutlich in den Grenzbereich anderer Wissenschaftsfelder(z. B. der Nanotechnologie) hineinreichen. Mit den hierexemplarisch aufgeführten Feldern Nanobionik, Bionikund Prothetik, Natural Computing sowie Organisations-bionik soll zunächst ein Spektrum aufgezeigt und inhalt-lich umrissen werden.

In Kapitel VI wird dargelegt, welcher politische Hand-lungsbedarf und welche Handlungsoptionen sich hin-sichtlich der bionischen Forschung sowie deren Etablie-rung in Industrie/KMU und Lehre/Bildung aus denErgebnissen der Vorstudie ergeben. Abschließend wirdauf potenzielle weiterführende Aspekte eingegangen.

In Auftrag gegebene Gutachten und Danksagung

Folgende Gutachten wurden im Rahmen dieses Projektesvergeben und sind in die Bearbeitung der Fragestellungeneingeflossen:

– Bionik als Technologievision der Zukunft: Status ak-tueller und zukünftiger Anwendungen; Bionik fürneue Materialien in der Verfahrens-, Umwelt- undBautechnik sowie im Fahrzeugbau; internationaleAspekte (Jürgen Bertling, Hartmut Pflaum, MarcusRechberger, Manuela Rettweiler, Fraunhofer-Institutfür Umwelt-, Sicherheits- und EnergietechnikUMSICHT, Oberhausen)

– Potenziale und Anwendungsperspektiven der Bionik,Themenfeld 2: Die Nähe zur Natur als Chance und alsRisiko (Rüdiger Haum, Olga Levina, Ulrich Petschow,

2 Über die rein technische Lösung hinausgehenden Blickwinkel, wieenergieeffiziente Gestaltung, Schutz natürlicher Ressourcen etc.


Institut für ökologische Wirtschaftsforschung gGmbH(IÖW) und Arnim von Gleich, Universität Bremen,Technikgestaltung und Technologieentwicklung(TTE)

Den Gutachterinnen und Gutachtern sei an dieser Stelleganz herzlich für ihre Arbeit gedankt. Sie bildet das Fun-dament für viele der in diesem Bericht getroffenen Ein-schätzungen. Im laufenden Text sind in den Kapiteln je-weils Verweise darauf enthalten, welche Passagen sichschwerpunktmäßig auf welche Gutachten stützen. Einherzlicher Dank geht auch an die Expertinnen und Exper-ten, die in diversen Expertengesprächen sowie bei der Be-antwortung eines Fragebogens (beides organisiert vonUMSICHT) signifikant zum Projekt beigetragen haben.

II. Charakterisierung der Bionik

Die Bionik steht als ein Verbindungsglied zwischen derBiologie und den Ingenieurwissenschaften quer zu denüblichen Einteilungen des Wissenschaftssystems. Ab-grenzung und Definition sind kontrovers. In diesem Kapi-tel wird über eine historische Einführung zunächst ein an-schaulicher Eindruck von der Bionik vermittelt(Kap. II.1), bevor Definitionen der Bionik diskutiert wer-den (Kap. II.2). Wesentliche Vorannahmen über das Ver-hältnis von Natur und Technik durchziehen die gesamteBionik (Kap. II.3).

1. Geschichtliche Entwicklung

Bionik als, zunächst bewusst sehr allgemein formuliert,„Lernen von der Natur für technische Lösungen“ ist nichtneu. Die Bewunderung für zahlreiche „technische“ Leis-tungen der belebten Natur und die gleichzeitige Erfah-rung des Unvermögens, diese mit den zur Verfügung ste-henden Mitteln technisch nachzubilden (Forth/Schweitzer 1971), begleiten die Geschichte der Technik.Das folgende Kapitel zur geschichtlichen Entwicklungbasiert vor allem auf dem Gutachten UMSICHT (2005).

1.1 Historische Beispiele

Das Verhältnis von Technik und Natur ist Gegenstandlanger geistesgeschichtlicher und philosophischer Tradi-tionen: „Technik vollendet teils das, was die Natur nichterreicht, teils ahmt sie sie nach“ (Aristoteles). Die „Mi-mesis“ – dieser Begriff taucht auch in der Bionik des Öf-teren auf – als technische Nachahmung der Natur ist da-nach möglich, weil Natur und Technik gleichermaßendurch die Orientierung auf Zwecke gekennzeichnet seien(Schmidt 2004). Dieses und andere Verständnisse vonNachahmung kennzeichnen die technikphilosophischeDiskussion zum Verhältnis von Natur und Technik. So hatz. B. der Technikphilosoph Ernst Kapp Technik als dieexterne Nachbildung und Vervollkommnung menschli-cher Organe verstanden – eine These, die der Anthropo-loge Gehlen zu der Auffassung radikalisiert hat, Technikdiene der Kompensation der Defizite des „MängelwesensMensch“. Bionik als wenigstens teilweise Gegenthese zuder die Moderne prägenden Auffassung, Technik sei we-sentlich „Gegennatur“ (Ropohl 1991), steht auf diese

Weise in einer langen Tradition der menschlichen Ideen-geschichte.

Frühe Ansätze eines Gedankengangs, den man heute alsbionisch bezeichnen würde, sind vor dem Hintergrunddes alten Menschheitstraums vom Fliegen entstanden. Soschrieb Leonardo da Vinci (1452 bis 1519) über den Vo-gelflug das klassische Werk „Sul vol degli uccelli“ undentwarf auf dieser Basis Fluggeräte, Hubschrauber undFallschirme. Inspiriert von diesen Arbeiten Leonardosentwickelte der türkische Gelehrte Hezarfen AhmedCelebi (1609 bis 1649) ein Fluggerät, mit dem er 1647vom Galata-Turm in Istanbul über den Bosporus nachUskudar flog. Auch für Otto Lilienthal war der Vogelflugdas Vorbild für menschliches Fliegen. Er studierte denFlug der Störche und führte mit den ersten erfolgreichenFlugapparaten in den Jahren 1891 bis 1896 Gleitflügedurch. Sein Buch „Der Vogelflug als Grundlage der Flie-gekunst“ (1889) ist ein Klassiker bionischer Literatur(Braun 2005). Auf Sir George Cayley (1773 bis 1857) ge-hen der Bau des ersten selbst stabilisierenden Flugmo-dells und die Entwicklung des ersten praktikablen Fall-schirms zurück. Vorbild für sein Fallschirmmodell warendie selbst stabilisierend fallenden Früchte des Wiesen-bocksbarts. Der Schwerpunkt dieser Früchte liegt weitunten und die tragende Fläche ist nicht eben, sondernnach außen hochgezogen. Auch bei Cayleys Fallschirmliegt der Schwerpunkt weit unten und die Tuchflächenwerden an den Außenrändern nach oben hochgezogen(Braun 2005).

Ein Resultat bionischen Denkens ganz anderer Art ist derStacheldraht. Der Osagedorn (Maclura pomifera) als mitDornen versehener Strauch eignet sich hervorragend da-für, Vieh auf vorgegebenen Plätzen zu halten. MichaelKelly bildete 1868 das Prinzip aus Draht nach und paten-tierte es. Das bis heute wohl bekannteste bionische Pro-dukt, den Klettverschluss, entwickelte 1948 der IngenieurGeorges de Mestral auf der Basis eines mikroskopischenStudiums der Klettenfrucht. Die technische Lösung mel-dete er 1951 zum Patent an und vermarktete das Produktunter dem Namen Velcro®. Ein in der Nachahmung natür-licher Vorbilder analoges Beispiel aus der aktuellen For-schung besteht darin herauszufinden und dann möglichstnachzubauen, wie manche Tiere, etwa Geckos oder einigeSpinnenarten, glatte Wände herauf und herunter laufenkönnen, ohne sich festzusaugen (Strassmann 2005). DasGemeinsame an diesen Beispielen ist, dass es – in ganzverschiedener Weise und auf verschiedenen Ebenen – umdie Generierung und Umsetzung einer technischen Lö-sungsidee auf der Basis der Beobachtung und Analyse na-türlicher Vorbilder geht.

1.2 Die Entstehung einer systematischen Bionik

Die Anfänge der Bionik bestehen, wie beschrieben, ausEinzelfällen, in denen phänomenologisch das biologischeVorbild beobachtet und kreativ in einer technischen Nut-zung eingesetzt wurde. Das „Lernen von der Natur“ er-folgte dabei zumeist auf Basis offensichtlicher Analo-gien, die bereits dem Nichtfachmann aufgrund der


äußeren Gestalt des biologischen Vorbildes oder leichtsichtbarer Effekte eine technische Nachahmung nahe leg-ten (wie z. B. im Falle des Stacheldrahts oder des Vogel-flugs).

Wilhelm Ostwald (1929) diskutierte als erster systema-tisch den Beitrag, den die Biologie für die Technik leistenkann. Ohne konkrete Beispiele oder die methodische Vor-gehensweise zu benennen, sah er – vor dem Hintergrunddes zunehmenden Steuerungsbedarfs in technischen undunternehmerischen Prozessen und einer drohenden Res-sourcenverknappung – die Einbeziehung der Biologie intechnische Entwicklungsprozesse als Zukunftschance zurBewältigung komplexer Problemstellungen an. Aspekteder Energiebeschaffung, der Steuerung und Organisationstanden dabei im Mittelpunkt.

Etwa um 1950 begann der Aufbau einer modellbasiertenBionik, die sich vor allem auf makroskopischer Ebene imFlugzeug-, Fahrzeug- und Schiffsbau durchsetzte. Aufder Basis von Ähnlichkeitsüberlegungen übertrug siePrinzipien von biologischen Vorbildern auf technischeAusführungen. Zum Beispiel wurde als biologisches Ver-gleichsobjekt zum Verkehrsflugzeug der Wal herangezo-gen (Hertel 1967). Strömungstechnische Optimierungender Form von Fortbewegungsmitteln oder von Propeller-und Windradkonstruktionen stellen bis heute einen derwichtigsten bionischen Forschungsbereiche dar (vonGleich 2001). Damit wurden nicht triviale Analogien unddie Übertragung von Prozess- und Strukturerkenntnissenaus der belebten Natur in die Technik kennzeichnend fürdie moderne Bionik (Forth/Schweitzer 1971). Zu ihr ge-hören daher ein vertieftes Verständnis der biologischenStrukturen und Prozesse sowie eine entsprechende Mo-dellbildung.

Parallel zur Einführung des Begriffs „Bionik“ wurde esdurch begriffliche und methodische Angebote aus Sys-temtheorie und Kybernetik möglich, Steuerungs- und Re-gelungsprozesse in Natur und Technik parallel zu be-trachten. Damit setzte ein wissenschaftlich fundiertersystematischer Informationstransfer zwischen Biologieund Technik ein. Informations- und regelungstechnischeThemen, wie verbesserte Ortungsverfahren, automatischeSpracherkennung, Modelle zur Beschreibung des Ge-samtsystems Mensch-Flugzeug, Verfahren zur Bildverar-beitung, dominierten um 1970 die bionische Forschungs-landschaft (BMBW 1970).

1.3 Aktuelle Entwicklungen und neue Bionik

Seit etwa 1980 wird, ausgelöst durch die zunehmendenMöglichkeiten der Modellierung und Simulation, derVisualisierung, der messtechnischen Erfassung und derErzeugung immer kleinerer Strukturen die Bionik auchauf die Mikroskala und später dann auf die Nanoskala er-weitert. Dadurch ist die Bionik prinzipiell in der Lage, Ei-genschaften biologischer Systeme auf sämtlichen Grö-ßenskalen von makroskopischen Organismen bis hin zumolekularen Vorgängen zu studieren und technisch zuverwerten. Nanotechnologie (TAB 2003), Mechatronik(elektronische Steuerung mechanischer Funktionalitäten)

und Biotechnologie werden in der bionischen Forschungseitdem verstärkt herangezogen.

Zunächst sind damit besonders Werkstoffe und Oberflä-chen in das Interesse der Bionik gerückt. Ein erstes wich-tiges Ergebnis waren Erkenntnisse über Oberflächen-strukturen rezenter und fossiler Haiarten, derentechnische Nutzung in nach ihrem Vorbild entwikkelten„Ribletfolien“ zu Antihafteffekten und Widerstandsmin-derungen von bis zu 10 Prozent führte. Zweimal wurdeder Deutsche Umweltpreis für bionische Entwicklungser-gebnisse im Bereich Werkstoffe verliehen (DBU 2005):zu selbstreinigenden Oberflächen nach dem Vorbild desLotus-Effekts (1999) und zur Festigkeitsoptimierung vonBauteilen nach dem Vorbild von Bäumen (2003). Insbe-sondere die seit 1989 durchgeführten Arbeiten zum Lo-tus-Effekt, die auf selbstreinigenden superhydrophobenund hoch strukturierten Oberflächen nach dem Vorbildder Blätter der Lotuspflanze beruhen (Neinhuis/Barthlott1997), gewannen hohe Aufmerksamkeit.

Im Zuge der Miniaturisierung hat sich an der Schnittstellezwischen Bio- und Nanotechnologie mit der Nanobio-technologie eine neue Schlüsseltechnologie herausgebil-det (VDI 2002). Sie beansprucht, auf der molekularenEbene eine Brücke zwischen der unbelebten und der be-lebten Natur zu ermöglichen. Biologische Funktionsein-heiten in grundlegender – d. h. letztlich molekularer –Hinsicht sollen erforscht werden, um auf dieser Basisfunktionale Bausteine im nanoskaligen Maßstab unterEinbeziehung technischer Materialien, Schnittstellen undGrenzflächen kontrolliert zu erzeugen. Mit dem Aufkom-men dieser so genannten „neuen Bionik“ (Lu 2004) imKontext der konvergierenden Technologien („ConvergingTechnologies“, vgl. Roco/Bainbridge 2002), zu denen ne-ben Bio- und Nanotechnologie auch Informatik und Kog-nitionswissenschaften, gehören, ergeben sich neue Er-kenntnismöglichkeiten und technische Zugänge derBionik – allerdings auch neue Probleme ihrer „Identität“(IÖW/GL 2005; vgl. dazu Kap. V.1).

2. Zur Definition der Bionik

Definitionen sind Festlegungen von Begriffen zur Reali-sierung von bestimmten Unterscheidungsabsichten. Defi-nitionen sind weder wahr noch falsch, sondern mehr oderweniger zweckmäßig. Unter dieser Prämisse geht es imFolgenden darum, die Unterscheidungsabsichten in dengängigen Definitionen herauszuarbeiten, um auf dieserBasis sowohl einen anschaulichen und expliziten Ein-druck davon zu erreichen, was Bionik sein will und soll,als auch eine für diese Studie brauchbare pragmatischeArbeitsdefinition der Bionik zu bestimmen.

2.1 Beispiele vorliegender Definitionen

Der Begriff „Bionik“ wurde erstmals von J. E. Steele1958 verwandt. Im Frühjahr 1959 wurde von ihm an derWright Patterson Airforce Base ein Projekt zur Erfor-schung der Arbeitsweise des menschlichen Gehirns unterder Kurzbezeichnung „Bionics“ begonnen. Der offizielleStartpunkt für die Bionik im heutigen Verständnis wird in


der Regel mit einem Seminar unter dem Leitthema„Living prototypes – the key to new technology“ im Sep-tember 1960 in Dayton, Ohio, verbunden, auf dem Steeleden Begriff zum ersten Mal in der Öffentlichkeit benutzte(Bionics Symposium 1960; BMBW 1970).

Was unter Bionik genau zu verstehen ist, was zur Bionikgehört und was nicht, ist nicht unumstritten. Bionik ist,wie bereits die kurze geschichtliche Einführung gezeigthat, aus verschiedenen Quellen entstanden. Heute beste-hen Bedeutungsunterschiede zwischen den Sprachräumen– z. B. zwischen „Bionik“ und „bionics“ –, und es gibtkonkurrierende oder zumindest parallel verwendete Be-griffe wie „Biomimetik“ oder „biomimicry“. Einen Über-blick über verschiedene Definitionen und Erklärungender Bionik im deutschsprachigen Raum gibt Tabelle 1.Diese Definitionen bilden den Ausgangspunkt für die nä-here Begriffsbestimmung in Kapitel II.2.2.

Zuvor sei ein Blick auf den englischen Sprachraum ge-worfen. Der Begriff „bionics“ wird dort stark mit derMensch-Maschine-Schnittstelle und der Prothetik ver-bunden – Themenfelder, die hingegen im deutschsprachi-

gen Raum aus der Bionik weitgehend ausgeschlossenwurden. „Bionics“ bezeichnet im englischen Sprachraumdenjenigen Bereich, der sich im weitesten Sinne mitkünstlichen Organen, insbesondere auf der Basis vonComputertechnik und Robotik beschäftigt (IÖW/GL2005). Die Zeitschrift „Applied Bionics and Biomecha-nics“ definiert demgemäß „bionics“ folgendermaßen:„Application of biological principles and living organ-isms' structure and functions, to the study and design ofengineering systems, especially electronic systems“. DerBegriff „Biomimetik“ (biomimetics) fungiert teilweiseals Oberbegriff für technische Lösungen nach dem Vor-bild der Natur, einschließlich der Prothetik. Daneben gibtes noch eine Vielzahl weiterer Begriffe für bionische An-sätze wie z. B. „biomimicry“ oder „bio-inspired“. DieOnlinezeitschrift „Bioinspiration & Biomimetics“ umsch-reibt ihr Themenfeld als „research involving the studyand distillation of principles and functions found in bio-logical systems that have been developed through evolu-tion, and application of this knowledge to produce noveland exciting basic technologies and new approaches tosolving scientific problems“ (IÖW/GL 2005).

Ta b e l l e 1

Deutschsprachige Definitionen der Bionik

Quelle: UMSICHT 2005

Urheber Definition QuelleJ. E. Steele Die Bionik entwickelt Systeme, deren Funktion natürlichen Systemen nach-

gebildet ist, die natürlichen Systemen in charakteristischen Eigenschaften gleichen oder ihnen analog sind (1960).

BMBW 1970

L. P. Krajzmer Bionik ist die Wissenschaft, die biologische Prozesse und Methoden mit dem Ziel untersucht, die sich ergebenden Erkenntnisse bei der Vervollkommnung alter und der Schaffung neuer Maschinen und Systeme anzuwenden

Krajzmer 1967

H. E. von Gierke Bionik ist angewandte Biologie BMBW 1970BMBF Anwendung der Kenntnis von Funktion und Struktur lebender Organismen

zur Entwicklung oder Optimierung technischer SystemeBMBW 1970

H. Marko Lernen von der belebten Natur zwecks Anwendung in der Technik Marko 1972L. Gérardien Bionik ist die Kunst, technische Probleme durch Kenntnis

natürlicher Systeme zu lösen.BMBW 1970

Neumann et al. (VDI)

Bionik als Wissenschaftsdisziplin befasst sich systematisch mit der techni-schen Umsetzung und Anwendung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme

Neumann 1993

Hauschildt Bionik ist eine Kreativitätstechnik, die die Ideenfindung für neue Produkte und Prozesse zum Ziel hat

Hauschildt 1997

Biomimetik Biomimetik ist die Umsetzung der Erkenntnisse aus der biologischen Forschung in technische Anwendungen

Speck 1999

Nachtigall Die Definition von Neumann et al. ergänzt um: Dazu gehören auch Aspekte des Zusammenwirkens belebter und unbelebter Teile und Systeme sowie die wirtschaftlich-technische Anwendung von Organisationskriterien. Bionik betreiben bedeutet Lernen von den Konstruktionen, Verfahren und Entwick-lungsprinzipien der Natur für eine positivere Vernetzung von Mensch, Umwelt und Technik

Nachtigall 2002

BIOKON e.V. Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihre innovative Umsetzung in die Technik

Biokon 2005a


2.2 Differenzierungen und Definitions-merkmale

Das Ziel der Bionik, und hierin stimmen die Definitionenweitgehend überein, ist die Entwicklung von innovativentechnischen Produkten, Prozessen oder Systemen bzw.die Erbringung von Beiträgen hierzu. Sie ist damit Teil ei-nes breit verstandenen Innovationsprozesses (Pflaum2002) und keine Naturwissenschaftsdisziplin wie Physikoder Biologie, denn ihr letztendliches Ziel ist nicht dieGewinnung von Erkenntnissen, sondern die Erfindungund Entwicklung technischer Produkte oder Prozesse unddaran anknüpfender soziotechnischer Systeme. Die For-schung zum Wissenserwerb (Auswahl eines geeignetenbiologischen Vorbildes, Beobachtung und Analyse, Iden-tifikation funktionaler Zusammenhänge zwischen Ursa-chen und Wirkungen, Modellbildung) stellt nur den erstenSchritt des bionischen Innovationsprozesses dar, der letzt-endlich die Entwicklung und prototypische Umsetzungeines neuen technischen Produktes oder Prozesses zumZiel hat – auch wenn er dieses Ziel, wie alle auf Innova-tion zielende Entwicklung, nur zu einem Teil erreicht.Auf rein biologische Erkenntnisse zielende Arbeiten, wiees z. B. in der Technischen Biologie oft der Fall ist, gehö-ren damit noch nicht zur Bionik (Nachtigall 2002, S. 7).

Weiterhin stellt Bionik aber auch keine der etabliertenTeildisziplinen der Technik- oder Ingenieurwissenschaf-ten wie Maschinenbau oder Verfahrenstechnik dar. In deningenieurwissenschaftlichen Fächern werden gelegentlichbionische Lösungen oder Ideen verwendet, neben ande-ren, nicht bionischen Lösungsstrategien. Bionik stehtdamit quer zu den üblichen Einteilungen der Ingenieur-wissenschaften, wie sie etwa an den Technischen Univer-sitäten etabliert sind, auch wenn sie über ihre Zielbestim-mung zu den Ingenieurwissenschaften zu zählen ist.

Gemeinsam ist allen Definitionen, dass das im bionischenInnovationsprozess zum Einsatz kommende Wissen ausder Beobachtung und Erforschung der belebten Naturstammt (z. B. Funktionswissen über biologische Pro-zesse). Die meisten Definitionen identifizieren als Kerndes bionischen Gedankenganges, dass Wissen aus demStudium des biologischen Vorbildes als Basis für dieÜbertragung auf technische Lösungen dient. Das biologi-sche Vorbild stellt in diesem Zusammenhang einen „li-ving prototype“ dar, in dem die technisch zu entwickeln-den funktionalen Zusammenhänge bereits realisiert sind –so lässt sich die Vorsilbe „Bio“ in Bionik erläutern.

Dabei geht es in der Bionik nicht um die Nutzung der le-benden Systeme selbst oder die Nutzung biologischenMaterials. Während z. B. Biotechnologie definiert ist als„die technische Nutzung von Organismen und ihrer Funk-tionseinheiten“ (bis in den molekularen Bereich, vgl.OECD 1989) geht es in der Bionik um die Nutzung vonWissen aus lebenden Systemen (z. B. Funktionswissen)in technischen Kontexten, womit in der Regel keine Nut-zung der entsprechenden Organismen verbunden ist. Sowird z. B. in wasserabweisenden Schutzanstrichen aufder Basis des Lotus-Effekts das mikroskopische Wissenhierüber genutzt, es werden aber den Schutzanstrichenkeine Extrakte aus Lotuspflanzen beigefügt.

Interessant und widersprüchlich zugleich ist, ob Nachbil-dungen lebender Systeme oder ihrer Teile – und damitauch Prothesen – zur Bionik gerechnet werden. Die ur-sprüngliche Definition von J. E. Steele, der immer wiederals Urheber des Begriffs „Bionics“ genannt wird, schließtgenau diese Nachbildung ein, während die meisten Bioni-ker in Deutschland die Prothetik nicht als Teilgebiet derBionik anerkennen würden. Die damit eng verbundeneFrage, ob der Bereich biologisch-technischer Interaktionbzw. Schnittstellen (Bioelektronik oder Biomikromecha-nik), der sich direkt mit der Verknüpfung biologischerund technischer Strukturen auf der Mikroebene beschäf-tigt, zur Bionik gehört oder nicht, bleibt kontrovers.

2.3 Die normative und die emotionale Seite der Bionik

Zur Bionik gehört nach Meinung vieler ihrer Vertreter ihrLeitbildcharakter der Naturnähe oder Naturgemäßheit(dieser Abschnitt basiert überwiegend auf dem GutachtenIÖW/GL 2005). Während Technik und Natur oft als Ge-gensätze betrachtet werden, sehen viele die Bionik alseine Technik nach dem Vorbild der Natur, die damit einStück weit eine Versöhnung dieser Gegensätze auf einemhohen wissenschaftlich-technischen Niveau verspricht.Ohne Bezugnahme auf dieses Versprechen könne Bionik(nach IÖW/GL 2005, S. 99) sogar nicht angemessen defi-niert werden. Dieses normative Leitbild gehört danachzur Forschungsrealität der Bionik, indem es die For-schungsrichtungen der Akteure orientiert und diese ent-sprechend motiviert.

Ohne Zweifel ist dieses „Versprechen“ der Bionik fürviele Akteure eine wesentliche Motivation ihres wissen-schaftlichen Engagements. Die Berechtigung dieses Ver-sprechens der Bionik bedarf aber der kritischen Überprü-fung. Ein erster Schritt besteht darin, den möglichen„rationalen Kern“ dieses Versprechens kritisch heraus zuarbeiten (Kap. II.3). Nur auf diese Weise kann sich zei-gen, was in der Bionik als Leitbild für innovative Pro-blemlösungen Bestand hat und was möglicherweise eineeher naturromantische Wunschvorstellung ist. Auf der an-deren Seite sind bionische Lösungen genauso wie anderetechnische Lösungen einem Technikbewertungsprozesszu unterziehen, in dem geklärt werden muss, welcheChancen und Risiken im Einzelfall zu bedenken sind.Denn eine Einlösung dieses Versprechens ist nicht garan-tiert; dies kann nur im Einzelfall geklärt werden.

Im Selbstverständnis von Teilen der Community handeltes sich bei der Bionik darüber hinaus auch um ein emo-tionales Projekt. In bionischen Problemlösungen könnedanach die Faszination an der Natur mit der Faszinationan Hochtechnologie verbunden werden. Dabei spiele dasStaunen über „technische Hochleistungen“ von Organis-men, über die unendlich erscheinende Vielfalt in der Na-tur und über die Originalität bzw. Genialität sowie die„Eleganz“ vieler Lösungen eine wichtige Rolle.

Bionische Lösungen faszinieren vielfach auch Menschen,die sich ansonsten nicht unbedingt als „technikbegeistert“bezeichnen würden. Die Bionik verspricht „angepasste“,robuste, risikoärmere und ökologisch verträgliche Lösun-


gen für gesellschaftliche Probleme (Nachtigall 2002).Hoffnungen auf grundsätzlich „alternative Technologien“spielen hier eine Rolle. Bionik wird damit auf der Ebenegesellschaftlicher Werte in unmittelbarem Zusammen-hang zu Leitbildern wie Kreislaufwirtschaft, nachhaltigeChemie, biologische Landwirtschaft oder alternative Me-dizin gesehen. „The manner in which bionics will markits greatest contribution to technology is not through thesolution of specific problems or the design of particulardevices. Rather it is through the revolutionary impact of awhole new set of concepts, a fresh point of view“ (Steelein (BMBW 1970)).

In diesem Sinne ist auch der überwiegende Teil der Be-richterstattung in Massenmedien zur Bionik sehr positiv.Titel wie „BIOKON – High-Tech-Lösungen aus der Na-tur“ (Deutschlandradio 2005), „Natur nachgebaut“ (Wis-senschaft-aktuell 2005a), „Naturpatent Klettverschluss“(Geoscience-online 2002), „Natur als Patentamt für Er-findungen“ (Pressetext 2000), „Bionik im Auto – von derNatur lernen“ (Süddeutsche Zeitung 2005) und „Technikaus Natur“ (Andres 2005) zeigen, dass gerade der Rück-griff auf das Vorbild Natur für die Medienberichterstat-tung von besonderem Interesse ist (UMSICHT 2005,S. 70).

2.4 Das Bionik-Verständnis in dieser StudieAufbauend auf der kritischen Diskussion vorhandenerDefinitionen der Bionik werden in dieser Studie unter bi-onischen Erkenntnis- und Innovationsprozessen wissen-schaftlich gestützte Anstrengungen verstanden und zwarin der Kombination von drei Schritten, die

– ein technisches Erkenntnis- und Gestaltungsinteresseverfolgen und damit auf der Suche nach Problemlö-sungen, Erfindungen und Innovationen sind;

– dabei zur Realisierung dieses Erkenntnisinteresses ge-zielt Wissen aus der Beobachtung und Analyse leben-der Systeme und ihrer funktionalen Einheiten gewin-nen und

– dieses Wissen über Strukturen, Prozesse und Eigen-schaften lebender Systeme auf technische Systemeübertragen.

Bionik ist auf die Interaktion zwischen biologischem undtechnischem Wissen mit klarer Anwendungsorientierungangewiesen. Sie liefert Ausgangspunkte für neuartigeMittel-Zweck-Kombinationen und damit für Innovatio-nen. Dies bedeutet, dass sich Bionik letztlich daran mes-sen lassen muss, welchen Beitrag sie im Innovationspro-zess leisten kann (UMSICHT 2005, S. 31). Die Art undWeise, zu bionischen Ideen und Realisierungen zu gelan-gen, beruht vor allem auf dem Informationstransfer zwi-schen Biologie und Technik. Gelingende Übertragungvon Wissen über Strukturen, Prozesse und Eigenschaftenlebender Systeme auf technische Systeme bedarf der ver-ständlichen Kommunikation, Korrespondenz und Trans-parenz zwischen den Disziplinen.

Die Ebene, auf der die Übertragung des Wissens erfolgt,kann dabei stark variieren, von makroskopischen Eigen-

schaften von Organismen oder Ökosystemen bis hin zumolekularen Vorgängen im subzellularen Bereich. Teilshandelt es sich um eine Übertragung abstrahierten Pro-zess- oder Strukturwissens über Lebewesen auf techni-sche Systeme (wie im Lotus-Effekt), teils um technischen„Nachbau“ lebender Vorbilder oder ihrer Teile (wie z. B.in der Prothetik, vgl. Kap. V.2). Entscheidend ist das tech-nische Problemlösungsinteresse in Kombination mit derHeranziehung von Wissen über Funktionsprinzipien undEigenschaften lebender Systeme. Hier liegt der definitori-sche Kern der Bionik.

Damit enthält die in dieser Studie zugrunde gelegte Defi-nition keine wertende Zielbestimmung, etwa in der Art,Bionik „als Versprechen“ anzusehen (IÖW/GL 2005)oder davon per se eine natürlichere oder naturnähereTechnik zu erwarten (Nachtigall 2002). Unstrittig spielendiese normativen Motivationen und Erwartungen in Ge-schichte und Gegenwart der Bionik eine große Rolle; alsDefinitionsmerkmal erscheinen sie jedoch ungeeignet.Denn vor allem würde eine solche wertende Definition si-cher nicht in der ganzen Community geteilt und sind auchin den gängigen Begriffsbestimmungen (Tab. 1) in derMinderzahl. Mit der werthaltigen Definition würde manEntwicklungen ausschließen, die zwar den spezifisch bio-nischen Schritt des Wissenstransfers aus lebenden intechnische Systeme nutzen, die aber gar nicht jene Wert-haltungen und substanziellen Zielsetzungen teilen. Einegemeinsame normative Grundeinstellung muss aus derCommunity selbst kommen; dies ist jedoch zurzeit nichterkennbar.3

Auch enthält jede neue Entwicklungslinie ein „Verspre-chen“, das auf positive Folgen und Eigenschaften der da-raus sich ergebenden Produkte setzt. Trotzdem könnendiese Versprechen nicht Teil der Definition sein, denn obdiese Versprechen sich erfüllen lassen, kann erst die wei-tere Entwicklung zeigen. Formulierungen des Typs: „Bio-nik betreiben bedeutet Lernen von den Konstruktionen,Verfahren und Entwicklungsprinzipien der Natur für einepositivere Vernetzung von Mensch, Umwelt und Tech-nik“ (Nachtigall 2002) würden implizieren, dass die „po-sitivere Vernetzung“ auch wirklich eintritt, damit manvon Bionik sprechen dürfte. Dass viele mit der Bionik ein„Versprechen“ verbinden, ist legitim, trägt aber nicht zueiner angemessenen Definition bei.

Das beschriebene Verständnis der Bionik lässt sowohltechnologiegetriebene (technology push) als auch pro-blemorientierte (demand-pull) Ansätze zu. Einerseitskönnen aus dem Studium natürlicher Systeme unter dem„technischen“ Blick Ideen für innovative Produkte gene-riert werden. (Der Lotus-Effekt ist auf diese Weise zu ei-ner Produktidee zur Herstellung von wasserabweisenderFarbe genutzt worden.) Andererseits können vorhandeneAufgaben und Probleme gezielt auf bionische Weise an-gegangen werden. Bionik stellt sich damit als spezifischeund systematische Suche nach technischen Problemlö-sungen unter Nutzung von Wissenstransfers aus der Er-

3 So besteht zu dieser Frage auch zwischen den beiden für diese Studiein Auftrag gegebenen Gutachten keine Übereinstimmung.


forschung lebender Systeme dar. Bionik trägt zur (be-trächtlichen) Vermehrung des Ideenpools für technischeProblemlösungen auf ganz verschiedenen Ebenen bei, ausden Beständen der Problemlösungen, die im Laufe derEvolution in der Natur entstanden sind. Ob diese bioni-schen Ideen zu Produkten führen, Märkte erobern und diedamit verbundenen Erwartungen erfüllen, hängt von einerVielzahl von Faktoren auch außerhalb der Bionik ab.

3. Das Verhältnis von Natur und Technikin der Bionik

Bionik enthält nach dem Gesagten zwei verschiedeneEinstellungen zur Natur: einerseits den „technischenBlick“ auf die Natur verbunden mit einem instrumentel-len Erkenntnisinteresse, aus diesem „technischen Blick“etwas zu lernen für technische Problemlösungen; anderer-seits das Versprechen, bestimmte Konflikte zwischen Na-tur und Technik aufzulösen durch, metaphorisch gespro-chen, einen Blick auf die Technik durch die „Augen derNatur“. Dieses Doppelverhältnis soll im Folgenden näheruntersucht werden. Ausgangspunkt ist die Bionik „alsVersprechen“, von wo aus dann kritisch die für das Ver-ständnis der Bionik zentrale „Nachahmungsthese“ zu un-tersuchen sein wird (IÖW/GL 2005).

3.1 Bionik als Lernen von der NaturZur Bionik gehört, und hierin stimmen alle Definitionenüberein, von „der Natur“ zu lernen. Es geht darum, imZuge der Evolution entstandene Prozesse und Strukturenals Möglichkeiten zur Lösung bestimmter Anforderungenin der belebten Natur zu erkennen, aus dem natürlichenZusammenhang in Form von Prozess- oder Strukturwis-sen zu abstrahieren und als technische Lösungsideen zurBewältigung von Problemen einzusetzen. Dieses Lernenkann in zunehmender Abstraktion unterschieden werdennach: Lernen (1) von den Ergebnissen, (2) von den evolu-tionären Verfahren und Optimierungsstrategien sowie (3)von den Erfolgsprinzipien der Evolution.

(1) Lernen von den heute vorliegenden Ergebnissenund Produkten der Evolution: Diese wohl älteste Formdes Lernens von der Natur führte zu wichtigen bionischenLösungen, wie z. B. der Klettverschluss, der Fallschirmund das Auftrieb gebenden Flügelprofil (Lilienthal). VorBeginn der wissenschaftlichen Biologie spielte die unmit-

telbare Naturbeobachtung hier die zentrale Rolle. Heuteerweitern Morphologie, Histologie, Funktionsbiologie,Verhaltensforschung und Ökologie sowie technische Bio-logie mit technischen Mitteln (Mikroskopie, hoch auf-lösende Kameras, Sender, satellitengestützte Beobach-tung) dieses Spektrum ganz erheblich. In Erklärungenund Modellierungen, wie Organismen bestimmte Leis-tungen vollbringen, kommt das gesamte Methodenarsenalder Biologie und angrenzender Disziplinen zum Einsatz.Bionisch motivierte Forschung in diesem Feld reicht vom„klassischen“ Studium der Fortbewegung von Organis-men in den Umweltmedien bis zu Sinnesphysiologie undBiokybernetik.

(2) Lernen von den evolutionären Verfahren, Funktio-nen und Strukturen: Während im Lernen von den Ergeb-nissen der Evolution die Frage im Zentrum stand, aufwelche Weise die Organismen ihre Leistungen vollbrin-gen, geht es nun darum , wie sie diese Strukturen undLeistungen entwickeln können bzw. konnten. Damit ste-hen der entwicklungsbiologische und der evolutionsbio-logische Zugang im Mittelpunkt. Die Aufklärung funda-mentaler biologischer Steuerungsprozesse ermöglichtz. B. zunehmend den synthetischen „Nachbau“ von Mu-schelschalen, Knochen oder Sinnesorganen.

(3) Lernen von ökologischen bzw. evolutionären Er-folgsprinzipien: Auf dieser Ebene stellt sich die Frage, in-wieweit es möglich ist, aus der Analyse der Evolutionvon Organismen und Ökosystemen allgemeine Funk-tionsprinzipien abzuleiten, die auch Leitfunktion bei derGestaltung technischer Systeme haben können. AlsMerkmale evolutionär erfolgreicher Systeme gelten vorallem die Robustheit biologischer Strukturen, die Resi-lienz von Ökosystemen und die Adaptivität bzw. Flexi-bilität evolutionärer Prozesse angesichts sich dynamischverändernder Umgebungsbedingungen (vgl. dazu Kap.II.3.2). Auf der Ebene von Ökosystemen bzw. des gesam-ten Evolutionsprozesses bekommt die Bionik dazuwesentliche Impulse aus der Verhaltensforschung, derÖkosystemtheorie, der Evolutionstheorie und aus entspre-chenden Möglichkeiten zur Mathematisierung und Model-lierung. Bekannte Beispiele sind das evolutionäre Pro-grammieren und Optimieren (Kap. V.3, vgl. Rechenberg1978; Schwefel 1981) sowie in jüngerer Zeit die„Schwarmintelligenz“ (Tab. 2).

Ta b e l l e 2

Von der Biologie zur Technik am Beispiel der Schwarmintelligenz

Quelle: UMSICHT 2005 nach Küppers 2001, geändert

Biologie Übertragung in die Technik, z. B.

energieeffizienter Verbandsflug von Gänsen und Schwänen

energiesparendem Formationsflug von Flugzeugen

koordinierte Vorgänge beim Nestbau von Wespen Kontrolle autonom steuerbarer Satelliten, die sich in Umlaufbahnen zu Gruppen ordnen

koordinierte Transporte von Nahrungsteilen, die für einzelne Individuen zu schwer sind

wirksame Algorithmen für die Steuerung von Robotern


3.2 Prinzipien der evolutionären OptimierungDie bereits erwähnte Überzeugung vieler Bioniker, dassdurch bionische Ansätze eine natürlichere, naturnähereoder besser angepasste Technik realisiert werden könne,beruht vor allem auf dem Argument, dass die übertrage-nen Lösungen in der belebten Natur im Laufe der Evolu-tion entwickelt und „optimiert“ worden seien. Bereits ausdiesem Grund könne man bessere Eigenschaften wie Ein-passung in die natürlichen Kreisläufe, Risikoarmut, Feh-lertoleranz und Umweltverträglichkeit erwarten, auchwenn diese nicht garantiert seien. Danach sei Anliegender Bionik, technisch die Lösungen zu nutzen, die dieNatur in Jahrmillionen optimiert habe. Die Natur habe„Millionen Jahre Entwicklungsvorsprung“ (Nachtigall2002). Die Frage im Folgenden ist, aus welchen Prin-zipien der evolutionären Optimierung etwas für die Tech-nik gelernt werden kann. Hierfür werden folgende Prinzi-pien der Evolution angeführt (nach IÖW/GL 2005, S. 27 f.):

– Mehrdimensionale Optimierung:

Evolutionsprozesse können in der Regel als mehrdi-mensionale Optimierungsprozesse begriffen werden,die sich – dies unterscheidet sie von den meisten tech-nischen Optimierungen – in einer dynamisch wandeln-den Umgebung vollziehen. Deswegen sind die Ergeb-nisse der evolutionären mehrdimensionalenOptimierung nicht nur besonders angepasst, sondernzudem robust gegenüber sich verändernden Umge-bungsbedingungen. So wird in der Bionik häufig ver-sucht, gegenläufige Prinzipien zu vereinen.4

– Diversität und Selbstorganisation:

Selbstorganisation senkt auf der molekularen (bioche-mischen) Ebene den Energie- und Stoffaufwand. Bio-chemische Syntheseprozesse setzen im Unterschied zuden meisten Synthesen in der Industriellen Chemienicht auf hohe Temperaturen, hohe Drücke und hoch-reine Chemikalien. Enzyme sorgen dafür, dass dieUmsetzungsreaktionen unter physiologischen Bedin-gungen erfolgen und mit wenig „Nebenreaktionen“verbunden sind. Selbstorganisationsprozesse vermin-

dern zudem den Bedarf an Kontrolle und Steuerungund zwar auf allen Ebenen der technischen Entwick-lung.

– Fließgleichgewicht und Resilienz:

Die biologischen bzw. ökosystemaren Vorstellungenvon „Stabilität“ unterscheiden sich signifikant von denmehr oder minder „mechanischen“ Stabilitätsvorstel-lungen in der Technikentwicklung. Die Systeme habeneine hohe „Pufferkapazität“, mit deren Hilfe Verände-rungen in den Rahmenbedingungen kompensiert wer-den können (sog. Resilienz; vgl. Holling 1973). DieArt und Weise, wie Resilienz als biologische bzw.ökosystemare Form von Stabilität zustande kommt,verdient Aufmerksamkeit auch in Bezug auf techni-sche Systeme.

– Ressourceneffizienz:

Das Wachstum und Wohlergehen von Organismen undPopulationen wird durch „limitierende Faktoren“(Odum 1983, S. 167 ff.) wie z. B. das Angebot vonLicht, Wasser, Nährstoffe und Lebensraum begrenzt.Organismen müssen mit dem zurechtkommen, was sievorfinden (Opportunismusprinzip). Diejenigen Popu-lationen, die in der Lage sind, mit knappen Ressour-cen besonders effizient umzugehen, haben Vorteile.Daher gibt es in der Natur erstaunliche Beispiele füreinen besonders effizienten Umgang mit knappenRessourcen und damit mögliche Vorbilder für Nach-haltigkeit in ressourcenökonomischer Hinsicht.

– Modularität:

Modulare Elemente lassen sich auf verschiedenenEbenen „natürlicher Systeme“ entdekken. Organismensind z. B. aus Zellen und Zellen wiederum aus Orga-nellen aufgebaut. Das „Modul“ Zelle mit einer ge-meinsamen Grundausstattung und zusätzlich einemPotenzial zur Differenzierung ist ein Erfolgsmodellder Evolution. Bottom-up-Modularität – im Gegensatzzu der verbreiteten Top-Down-Modularität in techni-schen Systemen – ist ein Kennzeichen der Evolution.

Aus den genannten Gründen könnte aus der Natur gelerntwerden, mit begrenzten Ressourcen, abfallarmen Produk-tionsprozessen und milden Milieubedingungen komplexeStrukturen und hohe Funktionalität zu erreichen. Da-durch, dass biologische Systeme auf Redundanz undVielfalt aufgebaut sind, besitzen sie darüber hinaus eineimmanente Fehlerfreundlichkeit (von Weizsäcker/vonWeizsäcker 1984, nach UMSICHT 2005). Diese Prinzi-pien können in bestimmten Hinsichten Vorbildcharakterfür die Gestaltung des technischen Fortschritts haben,z. B. im Hinblick auf die Kreislaufwirtschaft oder auf die„Konsistenz“ technisch induzierter Stoffströme mit natür-lichen Stoffströmen (Huber 1995). Dabei geht es wenigerum ein „direktes“ Lernen von natürlichen Organismenoder Ökosystemen, sondern um ein Lernen auf der Ebeneabstrakter Prinzipien.

4 Ein Beispiel ist die Entwicklung von selbst schärfenden Schneid-werkzeugen: Zum einen soll der Materialverschleiß minimiert (eineZielsetzung aus der klassischen Werkstoffkunde) und auf der anderenSeite „Verschleiß produziert werden“, um die ständige Schärfe derSchneidwerkzeuge zu garantieren. Der bionische Ansatzpunktkommt von Nagetierzähnen (z. B. Ratten). Dort ist lediglich die Vor-derseite der Schneidezähne mit einem hufeisenförmigen, sehr dün-nen und harten Zahnschmelz überzogen. Dahinter sitzt das weichereZahnbein. Dieses, den Zahn mechanisch stabilisierende Dentin, wirdbeim Nagen bevorzugt abgerieben, wodurch eine stets messerscharfeSchmelzkante hervorsteht (UMSICHT 2005). Die entwickeltenSchneidmesser besitzen einen Grundkörper aus Hartmetall (Legie-rung aus Wolframcarbid und Kobalt), wobei die Außenseite der ge-wölbten Klinge zudem mit einer mehrlagigen Keramikschicht ausverstärktem Titannitrid bedeckt ist. Ergebnis sind extrem standfesteSchneidmesser, die nicht stumpf werden. Anders als die ständignachwachsenden Nagerzähne, schrumpfen die selbst schärfendenKlingen allerdings mit der Zeit. Sie müssen aber erst dann ausge-wechselt werden, wenn die Messer verbraucht sind. Ständiges Ein-und Ausbauen sowie Nachschärfen entfällt damit.


3.3 Bionik als Nachahmung der Natur?Die Nachahmungsthese steht im Zentrum vieler Einschät-zungen der Bionik, wenn es um ihre „emotionale“ Seitegeht. Wegen der Erprobtheit der natürlichen Lösungen inder Evolution sei zu erwarten, dass eine Technik nachdem Vorbild der Natur eine „natürlichere“ Technik unddeswegen auch risikoärmer und angepasster sei.

Dabei wird gelegentlich die Natur als „Entwickler“ oder„Erfinder“ personalisiert, so z. B. in der Definition derBionik des BIOKON-Netzwerks (s. Tab. 1). Eine derar-tige Personalisierung wird jedoch intern auch kritisiert.Insbesondere der Begriff „Erfindungen der belebten Na-tur“ begünstige negative Einschätzungen der Patentfähig-keit bionischer Entwicklungen – die heute allgemeinnicht mehr infrage gestellt wird. Unabhängig von diesemteils problematischen Sprachgebrauch ist zu fragen, obund inwieweit die Bionik eine Nachahmung der Natur(Mimesis) verfolgt bzw. verfolgen soll. Hierzu ist als ers-tes die Metapher der „Optimierung“ natürlicher Struktu-ren und Prozesse durch die Evolution zu untersuchen.

Die gesamte Bionik durchziehen Überzeugungen, dass inder Natur Strukturen und Prozesse über Jahrmillionen op-timiert worden seien (Nachtigall 2002) und deswegen un-seren Erfahrungsschatz in einer Weise bereichern, wie wires in Labor und Realität niemals selbst erreichen könnten.So ist es z. B. prinzipiell nur sehr begrenzt möglich,Langzeitexperimente im Labor „im Zeitraffer“ durchzu-führen, was z. B. in der Diskussion zu Freisetzung gen-technischer Organismen immer wieder als kritisches Ar-gument vorgebracht wird. Wäre es z. B. möglich, alsErsatz für solche Langzeitexperimente auf die Erfahrun-gen der Optimierung in der natürlichen Evolution zu hof-fen?

An dieser Stelle ist an zwei Aspekte von „Evolution“ und„Optimierung“ zu erinnern. Erstens ist die Evolution „zu-kunftsblind“ – sie operiert nicht mit Zielsetzungen, aufdie hin optimiert wird, sondern geht vom Bestehendenund dessen allmählicher Weiterentwicklung aus, nichtwissend, ob diese Weiterentwicklung auf lange Sicht demErhalt der Art oder der Stabilisierung des Ökosystemsnützt oder es gerade zugrunde richtet und dem Aussterbenaussetzt. Dieser Aspekt ergebnisoffener Evolution darfnicht den Blick darauf verdecken, dass wir in Bezug aufTechnikentwicklung eine derartige Zukunftsblindheit ge-rade nicht wünschen.

Zweitens ist der Begriff „Optimierung“ ein relativer Be-griff. Optimiert wird nicht „an sich“, sondern immer fürbestimmte Situationen, für bestimmte Kriterien, unter be-stimmten Anforderungen. Die evolutionäre Optimierunghat dementsprechend jeweils unter bestimmten (sich teil-weise verändernden) Randbedingungen stattgefunden.Man kann damit nicht von natürlichen Strukturen, Funk-tionen oder Prozessen „an sich“ optimal sprechen, son-dern nur als optimal vor dem Hintergrund der entspre-chenden Anforderungen, Umgebungsbedingungen undKonkurrenzverhältnisse.

Nun wird in der Bionik ein Transfer von Lösungsideenaus evolutionär bestimmten Kontexten in gesellschaftli-

che Kontexte vorgenommen. Dort gelten aber häufigganz andere Optimierungsbedingungen und Anforderun-gen:

– Evolutionär optimierte Prozesse oder Strukturen könn-ten daher im gesellschaftlichen Umfeld schlecht ge-eignet, wenig funktional oder gar ganz sinnlos sein.Das Prinzip des Vogelflugs beispielsweise gilt zwarallgemein als frühes Beispiel bionischer Überlegun-gen; die heutige Realisierung des menschlichenTraums vom Fliegen folgt jedoch teils anderen Prin-zipien.

– Evolutionär optimierte Prozesse oder Strukturen kön-nen im gesellschaftlichen Umfeld unter den dort gel-tenden Bedingungen Risiken und Nebenfolgen produ-zieren, die sie im evolutionären Kontext nicht hatten.Ein hypothetisches Beispiel: Aus der Nichttoxizitätder Lotuspflanze folgt nicht automatisch die Unbe-denklichkeit der auf dem Lotus-Effekt beruhendenwasserabweisenden Schutzanstriche. Hier ist vielmehreine eigene Prüfung erforderlich.

Die Ziele der evolutionären Optimierungsprozesse müs-sen also keineswegs identisch sein mit den Zielen gesell-schaftlicher Optimierungen. Im biologisch evolutionärenOptimierungsprozess sind z. B. etwaige Verluste von In-dividuen von untergeordneter Bedeutung. Was zählt istdie Erhaltung der Art. Das hat selbstverständlich weit rei-chende Konsequenzen für die technische „Sicherheitsaus-legung“ von Organismen und Ökosystemen. Auch die„Knappheiten“, auf die hin jeweils optimiert wird, kön-nen sehr unterschiedlich und jeweils sehr spezifisch sein(IÖW/GL 2005, S. 24). Daraus folgt, dass die Bionik dieNatur in der Regel nicht einfach kopieren kann oder soll(die Prothetik bildet hier eine Ausnahme). Der Prozessder Gestaltung technischer Systeme bleibt auch unter Be-rücksichtigung bionischer Ideen ein eigenständiger Pro-zess. Damit müssen auch die Ergebnisse bionischerForschung und Entwicklung den Verfahren der Risikoein-schätzung und der Technikfolgenabschätzung unterzogenwerden wie andere technische Entwicklungen. Die Hoff-nung auf die Bionik „als Versprechen“ ergibt, auch wennsich für dieses Versprechen einige rationale Argumentefinden lassen, kein Argument für die Risikoarmut oderVerträglichkeit im Einzelfall.

Weiterhin ist danach zu fragen, ob die in der Nachah-mungsthese zum Ausdruck kommende Blickrichtungdem tatsächlichen Innovationsprozess in der Bionik ent-spricht. Diese Blickrichtung besteht darin, in der Naturdas Vorbild zu sehen, das es nachzuahmen gelte. Sichergeht es im bionischen Erkenntnisprozess darum, Wissenüber Strukturen und Funktionen natürlicher Systeme zuerlangen. Dies erfolgt jedoch keineswegs einfach „durchBeobachtung“. Bereits in der frühen Bionik interessiertendie betrachteten Lebewesen nicht als lebende Systeme„an sich“, sondern als Ideenlieferant für technische Lö-sungen. So interessierte Otto von Lilienthal nur ein ganzbestimmter Aspekt der Vögel, und zwar ein technischerAspekt. Der „bionische Blick“ auf die Natur ist ein instru-menteller Blick und hat von sich aus zunächst keinerleiNaturschutzimplikationen.


Bei der Untersuchung natürlicher Systeme setzt Bionikdamit eine „technische“ Brille der Erkenntnis auf. In dieErkennung von Funktions- und Strukturprinzipien der le-benden Natur wird bereits ein technisches Erkenntnisinte-resse hineingelegt. Lebende Systeme interessieren nichtals solche, z. B. in ihrem jeweiligen ökologischen Kon-text, sondern sie werden analysiert in ihrem technischenFunktionszusammenhang. Die Frage ist: Wie funktioniertdas, z. B. woran liegt es, dass Vögel fliegen können oderdass Geckos glatte Wände hoch laufen können? Deutlichkann dieser „technische Blick“ der Bionik auf die Naturin der verwendeten Sprache gesehen werden: Dies ist dieSprache der Ingenieurwissenschaften, in der über lebendeSysteme geredet wird. Dies hat sich in der „neuen Bio-nik“ auf die subzelluläre Ebene ausgeweitet, wenn dortvon Rotoren und Pumpen, von Energieerzeugung undTransportsystemen gesprochen wird. Damit werden in derBionik lebende Systeme als technische Systeme gedeutet –und dies dürfte eine wesentliche Voraussetzung dafürsein, dass die Übertragung des an lebenden Systemen ge-wonnenen Wissens auf technische Systeme gelingt.

So gesehen, ist Bionik erkenntnistheoretisch gebunden aneine technische Weltsicht. Sie trägt den Gedanken desTechnischen in das Natürliche hinein, gewinnt aus dieserPerspektive bestimmtes Wissen, das dann wieder in dieSphäre des Technischen zurücktransferiert und dort inProblemlösungen eingebaut werden kann: „Die Bionikwählt einen technikorientierten Zugang zur Natur, umvom technisch verstandenen Leben zur lebensoptimiertenTechnik überzugehen“ (Schmidt 2002a, S. 141). Statt alsoTechnik durch bionische Lösungen natürlicher zu ma-chen, könnte man umgekehrt mit gleichem Recht davonsprechen, dass Bionik natürliche lebende Systeme techni-siert, nämlich primär unter dem technischen Blickwinkeluntersucht (Schmidt 2002a u. b). Die Bionik wirft einenspezifischen erkenntnistheoretischen Blick auf die Natur,indem sie sie als Ensemble technischer Problemlösungenunter evolutionärem Druck betrachtet. Das Verhältnis vonTechnik und Natur in der Bionik ist damit erheblich kom-plizierter und auch ambivalenter als es die Nachahmungs-these nahe legt.

4. FazitDie Bionik stellt ein heterogenes Forschungsfeld dar, indem mittels Wissen aus der Beobachtung und Erfor-schung lebender Systeme technische Problemlösungengeneriert werden. Gängige Definitionen stimmen in diesenbeiden Punkten überein, während weitere Definitions-aspekte umstritten sind. Dazu gehört die Zugehörigkeitder Prothetik sowie bestimmte wertende Definitionsas-pekte, die eine substanzielle Zielvorgabe wie Naturange-passtheit enthalten. In dieser Studie werden unter Bionikwissenschaftlich gestützte Anstrengungen verstanden, dieein technisches Erkenntnisinteresse verfolgen. Auf derSuche nach Problemlösungen, Erfindungen und Innova-tionen ziehen sie zu diesem Zweck Wissen aus der Be-obachtung und Analyse lebender Systeme heran undübertragen dieses Wissen über Strukturen, Prozesse undEigenschaften lebender Systeme auf technische Systeme.Der Gedanke des Übertragens bzw. des Wissenstransfers

von lebenden auf technische Systeme ist zentral für dieBionik.

Bionik übt in der Öffentlichkeit vielfach eine Faszinationaus. Lebewesen als High-Tech-Systeme zu begreifen undüber ihre „technologische Leistungsfähigkeit“ zu stauneneröffnet die Möglichkeit, eine Technik zu erdenken, diegleichermaßen naturnäher oder naturgemäßer wie auchhoch innovativ ist. Diese „emotionale“ Seite der Bionikbezieht sich auf die Bionik „als Versprechen“, dass durchbionische Ansätze eine natürlichere, naturnähere oderbesser angepasste Technik realisiert werden könne unddamit bereits deswegen bessere Eigenschaften wie Ein-passung in die natürlichen Kreisläufe, Risikoarmut, Feh-lertoleranz und Umweltverträglichkeit möglich würden.Danach sei es Anliegen der Bionik, technisch die Lösun-gen zu nutzen, die die Natur in Jahrmillionen optimierthabe. Dadurch könnten Entwicklungsprozesse beschleu-nigt und Konflikte zwischen Technik und Natur ent-schärft werden. Diese Überzeugung stellt für viele Bioni-ker eine wesentliche Motivation und eine Legitimationihrer Ansätze dar. Metaphorische Redeweisen wie „Naturals Erfinder“ oder „Optimierung der Natur“ machen eingewisses Pathos deutlich, das jedoch intern auch kritischgesehen wird.

Die rationale Analyse dieser Vorstellungen bezieht sichzunächst auf Eigenschaften von Problemlösungen innatürlichen lebenden Systemen, wie multikriterielle Opti-mierung, Nutzung des Vorhandenen, Opportunismus.Damit kann ein Potenzialcharakter bionischer Problemlö-sungen argumentativ abgesichert werden. Ob diesePotenziale aber auch im Einzelfall realisierbar sind undunter welchen Umständen dies gelingen kann, ist damitnicht ausgesagt. Bionische Problemlösungen sind nichtper se risikoärmer oder umweltverträglicher als traditio-nelle technische Lösungen. Denn eine evolutionäre Opti-mierung in der Natur erfolgt nach anderen Kriterien undunter anderen Bedingungen als eine technische Problem-lösung. Die Übertragung des Wissens, das an lebendenSystemen gewonnen wurde, in eine technische Umge-bung kann die Potenziale der Bionik zunichte machenoder sogar in Risiken transformieren. Die These von derNachahmung der Natur in der Bionik erweist sich bei nä-herem Hinsehen als ambivalent.

Auf diese Weise zeigt es sich, dass das Verhältnis derBionik zur Natur gespalten ist. Natur hat in der Bionik ei-nerseits Vorbildcharakter, sie interessiert aber anderer-seits nicht als Natur, sondern eben „nur“ als Vorbild fürtechnische Problemlösungen. Damit legt die Bionik einentechnischen Blick auf Natur nahe, der einem ursprüngli-chen „unmittelbaren“ Blick auf die Natur als Natur entge-gengesetzt ist.

III. Bionik – ein ÜberblickBionische Forschung und die Entwicklung entsprechen-der Produkte oder Verfahren erfolgen in ganz verschiede-nen Gebieten, zu denen es keine einheitliche und aner-kannte Klassifizierung gibt (Kap. III.1). In Deutschlandbesteht eine vielfältige und thematisch breit ausgerichteteForschungslandschaft mit guter Infrastruktur, während


der Transfer in die industrielle Praxis teils schwierig ist(Kap. III.2). Auf der internationalen Ebene (Kap. III.3)gibt es vor allem in Großbritannien und den USA um-fangreiche Aktivitäten zur Bionik; in einigen asiatischenLändern ist Bionik stark im Kommen. Die deutsche Posi-tion stellt sich vor diesem Hintergrund weithin als ausge-zeichnet dar, auch wenn einige Schwächen erkennbarsind (Kap. III.4). Dieses Kapitel beruht in den wesentli-chen Grundzügen auf dem Gutachten von UMSICHT(2005), das über die hier präsentierten Ergebnisse hinauseine Fülle von Details bereitstellt (vgl. dazu Anhang 1 bis 7).

1. Forschungs- und Anwendungsfelder

Eine übersichtliche und durchgängig akzeptierte Eintei-lung der Bionik in Teilgebiete, Forschungsfelder und An-wendungsbereiche ist nicht verfügbar. Die Einteilungenvariieren zwischen sehr groben und ausgesprochen diffe-renzierten Vorschlägen mit verschiedenen Graden anÜberlappung (UMSICHT 2005, Kap. 6). Eine ausgespro-chen karge Einteilung ist die Gliederung nach Konstruk-tionsbionik, Verfahrensbionik und Informationsbionik(BIOKON 2005a), während die – relativ weit verbreitete –Unterteilung nach Nachtigall (2002) viel detaillierter ist.Sie gliedert Bionik in die Forschungs-, Entwicklungs-und Anwendungsfelder

– Materialien und Strukturen,

– Formgestaltung und Design,

– Konstruktionen und Geräte,

– Bau und Klimatisierung,

– Robotik und Lokomotion,

– Sensoren und neuronale Steuerung,

– anthropo- und biomedizinische Technik,

– Verfahren und Abläufe,

– Evolution und Optimierung.

Die für diese Einteilung verwendeten Kriterien sindhöchst unterschiedlicher Natur: Sie bestehen aus Orien-tierungen an Anwendungsfeldern wie Bauen oder Klima-technik, an Technologiebereichen wie Sensoren oder ankorrespondierenden Ingenieursdisziplinen wie Verfah-renstechnik. Teilweise kommt es zu Überlappungen deridentifizierten Teilbereiche. In methodisch-logischer Hin-sicht ist diese Einteilung daher – wie andere Einteilungenebenfalls (UMSICHT 2005, S. 46) – unbefriedigend. Diesscheint dem spezifischen Umstand geschuldet zu sein,dass bionisches Denken zwar in ganz verschiedenen An-wendungsfeldern und Technikbereichen zum Tragenkommen kann, dort aber jeweils nur einen (kleinen) Teilder Gesamtaktivitäten ausmacht. Dementsprechend wirddie Bionik in nationalen und internationalen Technologie-analysen nicht als eigenständiger Bereich wahrgenom-men, sondern hier dominieren die klassisch geprägten,eher disziplinären Technologiefelder oder Querschnitts-technologien als Betrachtungsobjekte (z. B. Energie,Materialtechnik, Produktionstechnik, Nano- und Mikro-

systemtechnik, Informations- und Kommunikationstech-nologien) (FhG 2004; Seiler et al. 2004).

Die ungeordnete Vielfalt bionischer Aktivitäten führt da-mit zu erheblichen Schwierigkeiten bei Klassifikationsbe-mühungen. Es scheint keine logisch befriedigende Eintei-lung geben zu können. Die vorliegenden Einteilungensind pragmatisch orientiert und historisch gewachsen.Aus diesem Grund wird hier keine eigene Unterteilungvorgeschlagen, sondern für den weiteren Verlauf lediglichfolgende Einteilung vorgenommen:

– Zur klassischen Bionik gehören Bau und Klimatisie-rung, Konstruktionen und Geräte, Formgestaltung undDesign, Verfahren und Abläufe, Materialien undStrukturen sowie Lokomotion. Ein wichtiges aktuellesForschungsfeld mit erheblichem Anwendungspoten-zial stellen neue Materialien dar (vgl. hierzu die Ver-tiefungsanalyse in Kap. IV.2 und IV.3).

– Die neue Bionik schließt an aktuelle Entwicklungen inNanotechnologie und Evolutionsbiologie an. Sie um-fasst einerseits molekularbiologisch inspirierte Mikro-ansätze der Nanobiotechnologie (Kap. V.1), der Pro-thetik und der neuronalen Steuerung (Kap. V.2) mitengen Verbindungen zu den „konvergierenden Tech-nologien“ (Roco/Bainbridge 2002). Andererseits be-stehen neue Verbindungen aus der Evolutionsbiologievor allem zur Informationstechnik (Kap. V.3).

Diese Einteilung hat zunächst lediglich einen pragmati-schen Wert. Da sich jedoch die neue Bionik noch stark imForschungsstadium befindet und vielfach noch mit denGrundlagen befasst ist, besteht hier sozusagen ein natürli-ches Gefälle in Bezug auf die Anwendungen. Bereits imMarkt etablierte Anwendungen sind praktisch sämtlichErgebnisse der klassischen Bionik, während Anwendun-gen für die neue Bionik eher Potenzialcharakter haben.

2. Bionik in DeutschlandAngesichts der genannten Schwierigkeiten einer Klassifi-kation wird im Folgenden der Überblick über die Bionik-Szene in Deutschland nicht nach Bionik-Feldern, sondernnach den Strukturmerkmalen Forschungsfelder, Markt-potenziale, Unternehmen, Patentsituation, Netzwerke,Lehre und Forschungsförderung angeordnet.

2.1 ForschungsfelderDie Bionik ist in Deutschland als Forschungsthema anzahlreichen Universitäten und universitären sowie außer-universitären Forschungseinrichtungen vertreten. Dasthematische Spektrum ist dabei außerordentlich breit undumfasst Beiträge zu fast allen bionischen Teilgebieten(für das Folgende vgl. UMSICHT 2005, S. 50 ff. sowieAnhang 1 dieser Studie mit einer detaillierten Übersichtder Themen und Akteure):

– Stoffe (Chemikalien, Materialien), (funktionale)Mikrostrukturen, Ober- und Grenzflächen einschließ-lich der Bildungs- und Umwandlungsprinzipien vonStoffen, Materialien und Materialverbünden. Themen-gebiete sind vor allem neue Materialien wie Naturfa-


serverbundstoffe, Smart Materials, Klebematerialienund Leichtbau, neue (z. B. selbstreinigende oderselbstreparierende) Oberflächenstrukturen (vgl. dazuauch Forschungsfelder in Kap. IV.2).

– Statische Konstruktionen (Leichtbau, Tragwerke,Flug-, Fahr- und Schwimmkörper). Themenbeispielesind die Nutzung pflanzlicher Achsen, die Evolutionpflanzlicher Wuchsformen, Leichtbaustrukturen undFragen der Reibungsminimierung an Schwimm- undFlugkörpern.

– Dynamische Systeme (Sensorik, Aktorik, Lokomo-tion, Robotik). Hier geht es z. B. um Biosensorik,Energieminimierung bei der Fortbewegung, bionischinspirierte Robotik, insbesondere um Laufmaschinenauf der Basis natürlicher Fortbewegungsmechanis-men, um bionische Roboterbestandteile wie Arme undum neuronale Netze. Auch die Schnittstelle zwischenlebenden Systemen (z. B. dem Menschen) und Ma-schinen (Bioelektronik, Ergonomie, Prothetik und ky-bernetische Organismen) wird bearbeitet (Kap. V.2).

– Prozesse (Geräte, Maschinen, Verfahren, Impuls-,Wärme- und Stofftransport). Beispiele sind Gebäude-lüftungssysteme nach natürlichen Vorbildern (z. B.Termitenhügel) und die biosolare Wasserstoffproduk-tion.

– Datenübertragung und -verarbeitung (Optimierungmittels Evolutionsstrategien, Funkübertragung, Rou-ting etc.). Wesentliches Thema ist die evolutionäreOptimierung von Datenübertragungs- und -verarbei-tungssystemen sowie entsprechender Algorithmen,z. B. für sensorgetriebene und kognitive Systeme zurRobotersteuerung (vgl. das Vertiefungsfeld inKap. V.3).

– Organisationsformen (industrielle Ökologie, Manage-ment). Die so genannte Organisationsbionik befasstsich mit Managementkonzepten auf der Basis vonPrinzipien der Selbstorganisation in Entgegensetzungzu hierarchischen Strukturen (vgl. hierzu das Vertie-fungsfeld in Kap. V.4).

Die Intensität dieser Forschungsaktivitäten (messbar etwaüber die Größe der Arbeitsgruppe, Zahl der Veröffentli-chungen oder Zitierungen) sowie ihre internationaleSichtbarkeit und Innovationserfolge sind durchaus aufunterschiedlichem Niveau. Große Anwendungs- undauch Forschungsbereiche sind Materialien/Mikrostruktu-ren/ Grenz- und Oberflächen, statische Konstruktionen,dynamische Systeme sowie Datenübertragung und -verar-beitung.

2.2 Anwendungen und MarktpotenzialeBionik zielt letztlich auf innovative Umsetzungen für diePraxis (Kap. II). Für bionische Produkte existiert jedochkein eigener „Markt“. Vielmehr müssen sich bionischeProdukte auf bereits bestehenden Märkten in der Konkur-renz mit etablierten Produkten durchsetzen. Da dieDurchsetzung bionischer Produkte auf diesen Märktenund eine zukünftige Marktdurchdringung nicht prognosti-

zierbar sind, lassen sich für die einzelnen Bereiche derBionik (unabhängig von der gewählten Einteilung, vgl.UMSICHT 2005, Tab. 6 bis 2) die Marktpotenziale nichtquantitativ ermitteln. Aus diesem Grund verzichten wirvollständig auf die Angabe von Zahlen, die grundsätzlichproblematisch wären und höchstens eine Scheinobjektivi-tät erzeugen würden.

Die Darstellung im Folgenden erstreckt sich (auf der Ba-sis des Gutachtens UMSICHT 2005) auf die qualitativeDiskussion der Marktpotenziale, verbunden mit Beispie-len zur Illustration und Plausibilisierung, wo immer diesmöglich ist (vgl. auch die entsprechenden Vertiefungsfel-der in Kap. IV). Dabei ist auch in Rechnung zu stellen,dass ein systematischer Einblick in Anwendungsfelderder Bionik, ihre Potenziale und Realisierungsbedingun-gen aufgrund der Datenlage und der fragmentiertenStruktur der Bionik nicht gegeben werden kann. Wasmöglich ist, und dies wird im Folgenden vorgestellt, isteine grobe Charakterisierung der wesentlichen Einsatzbe-reiche.

Gegenwärtig spielt die Bionik in den Bereichen Oberflä-chentechnik, Konstruktion/ Werkstoffe und Strömungs-technik bereits eine sichtbare Rolle in verschiedenen An-wendungsfeldern. Besonders im Bereich Oberflächen(Selbstreinigung), Werkstoffe und Konstruktion findensich bionische Anwendungen und Produkte (Kap. IV.2).Hierbei wird nicht selten ein Bezug zur Nanotechnologiehergestellt, da diese Technologie eine Schlüsselrolle beider Umsetzung der bionischen Erkenntnis in die Anwen-dung darstellt. Im Endverbrauchermarkt haben vor allemOberflächenbeschichtungen und Fassadenfarben mit demLotus-Effekt, das Reifenprofil der PremiumContact-Pro-duktlinie von Continental oder die Jetconcept-Schwimm-anzüge (Haifischhaut) von adidas oder auch Speedo einegewisse Bekanntheit erreicht. Im Flugzeug- und Fahr-zeugbau spielen bionische Lösungen vor allem beimLeichtbau und bei der Strömungsoptimierung eine Rolle.

Die wesentlichen Anwendungsfelder sind damit Massen-märkte mit entsprechend großem Stoffumsatz und Markt-volumen. Vor allem der Fahrzeugbau (zum Automobilbauvgl. Kap. IV.3.1) sowie der Bereich Bautechnik und Ar-chitektur (Kap. IV.3.2) sind hier zu nennen. Damit domi-nieren – nicht überraschend – die eher klassischen Felderder Bionik die gegenwärtige Anwendung, während die„neue“ Bionik sich praktisch noch nicht in volkswirt-schaftlich nennenswertem Umfang in der Anwendung be-findet.

Die genannten, heute bereits besetzten Anwendungsfel-der der Bionik treffen auf großvolumige Märkte, in denenhohe FuE-Ausgaben vorliegen (UMSICHT 2005, Tab. 6bis 2). In einer qualitativen Analyse der Marktsituationzeigt sich, dass die heutigen bionischen Anwendungsfel-der gut aufgestellt sind (Abb. 1). Zum einen macht dieTatsache, dass es sich um große Märkte handelt, diesesehr attraktiv. Zum anderen erschwert diese Situationjedoch teilweise den Marktzugang, da bionische Produkte– die häufig preislich noch nicht konkurrenzfähig sind –dort auf starke und etablierte Konkurrenz treffen. DieseAmbivalenz lässt sich einerseits über die positive öffentli-


A b b i l d u n g 1

Portfolio bionischer Anwendungsfelder heute


selektives Wachstum Investition + Wachstumselektives Vorgehen

selektives Vorgehen selektives Wachstum

Rückzug erwägen selektives Vorgehen

Rückzug erwägen

RückzugGröße der Blasen proportional zu den FuE-Ausgaben 2004 der relevanten Branchen

Datenverarbeitung/ Optimierung

Strömungstechnik

Konstruktionen, Leichtbau, Werkstoffe

Oberflächen, Oberflächentechnik

Mar

ktat

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tivitä

t

relative Wettbewerbsstellung

che Bewertung der Bionik zum Positiven wenden, z. B.über gezielte Werbung mit dem Attribut „bionisch“ (dazuKap. III.2.3). Andererseits hat die Bionik stets das Poten-zial, durch neue Funktionalitäten – für die auch höherePreise verlangt werden können – in diesen Märkten auf-zufallen (z. B. durch neue Material- und Oberflächenei-genschaften, vgl. Kap. IV).

Anwendungsfelder auf der Basis der neuen Bionik zeigendarüber hinaus ein zukünftiges Innovationspotenzial.Dies betrifft die Bereiche Sensorik/Aktorik, Robotik, In-formations- und Kommunikationstechnik, Logistik, Or-ganisation und Management. Sensorik und Robotik alsBereiche, in denen bionische Forschung sehr aktiv ist,versprechen stark wachsende Märkte. Im Bereich der Me-dizintechnik wird speziell der Biosensorik und der Pro-thetik (Kap. V.3) eine rasch wachsende Bedeutung zu-kommen. Ein größeres Fragezeichen steht hinter demBereich Organisation und Management (Kap. V.4; vgl. a.Blüchel 2005). Es ist noch nicht erkennbar, wann aus lau-fenden Forschungsarbeiten anwendbares Wissen zu Inno-vationen führt.

Stellt man die Frage, inwieweit Innovationspotenzialeund Marktchancen ausgeschöpft werden, ist zunächst einstarkes Bemühen anzuerkennen, der Bionik eine stärkereBedeutung im Innovationsprozess zu geben. Die kritischeMasse für die Bionik, um den Innovationsprozess maß-geblich zu gestalten, ist jedoch weder national noch inter-

national erreicht. Bionik bleibt zumeist marginal, gemes-sen an den Stoffumsätzen oder Marktvolumina derAnwendungsfelder – auch derjenigen, in denen man amehesten von einer bereits erreichten Praxisrelevanz bioni-scher Entwicklungen sprechen kann.

Es lassen sich einige spezifische Hemmnisse für eine grö-ßere Rolle der Bionik im Innovationssystem ausmachen(UMSICHT 2005 in Anlehnung an Küppers 2001,Küppers 2004): So vergehen nicht selten zwischen biolo-gischer Erkenntnis bzw. identifiziertem biologischen Vor-bild und hergestelltem bionischen Produkt Jahre bis Jahr-zehnte. Neue Verfahren (z. B. der Nanotechnologie)versprechen erhebliche Verbesserungen; dies ist jedochbislang nicht demonstriert worden. Weiterhin ist die In-dustrie – von aktiven Ausnahmen abgesehen – eher zö-gerlich, in umfassende Bionikprojekte zu investieren.Vorbehalte gegenüber der Leistungsfähigkeit bionischerProdukte und ihrer Konkurrenzfähigkeit verbinden sichteilweise mit einem Misstrauen gegenüber dem bioni-schen „Denken“. Dementsprechend ist die kritischeMasse an Kooperationen zwischen Forschung und Indus-trie in den meisten Fällen nicht erreicht. Ein deutlicherTeil der FuE-Ausgaben der Wirtschaft wird in die Verbes-serung hergebrachter Technologie investiert, obwohl klarist, dass damit höchstens marginale Erträge erzielt wer-den können. Dass Ergebnisse der Bionik zum Teil revolu-tionäres Potenzial haben, wird seitens der Industrie häufig


nicht nur als Chance, sondern auch als Bedrohung emp-funden. Hier besteht sicher noch erhebliches Verbesse-rungspotenzial.

2.3 UnternehmenDie Haltung der Wirtschaft zur Bionik ist ambivalent.Zum einen wird die öffentliche Wertschätzung des Attri-butes „bionisch“ durchaus gesehen und z. B. vielfach fürWerbezwecke genutzt. Auf der Umsetzungsseite ist ge-genüber bionischen Ideen jedoch häufig eine gewisse Re-serviertheit festzustellen. Bevor nach den Ursachen hier-für gefragt wird, sei diese ambivalente Situation etwasnäher erläutert.

Eine ganze Reihe von Unternehmen wirbt für ihre Pro-dukte mit dem Attribut „bionisch“. Abgesehen davon,dass dies etwas über die Annahme einer positiven Bewer-tung dieses Begriffs durch mögliche Kunden und die Öf-fentlichkeit aussagt, ist damit nicht unbedingt auch dieNutzung bionischer Prinzipien in den Produkten verbun-den. So bewirbt die S.K. Enterprise – Gesellschaft für bio-nische Lebensmittel GmbH ihr Produkt LipLac als „erstesund einzigartiges bionisches Genussgetränk mit internati-onal nachgewiesener Wirksamkeit“. LipLac nutzt nacheigenen Angaben die biologische Aktivität eines Nah-rungssubstanzkomplexes, um den körpereigenen Regel-kreislauf zielgerichtet zu steuern und so Cholesterin abzu-bauen und durch das Abfangen freier RadikaleArterienverkalkung zu verhindern (SKE 2005). Damithandelt es sich jedoch nach den üblichen Definitionen(Kap. II.2) nicht um Bionik, sondern um die Nutzung bio-logischer Wirkstoffe. Ein weiteres Beispiel für die eherundifferenzierte Nutzung des Begriffs Bionik zu Werbe-zwecken bietet die P.I.E.R. Hausbau GmbH. Sie bewirbteinen BIONIK-Wohnpark mit „modernsten, qualitativhochwertigen und preiswerten Modularen Öko-Energie-spar-Solarhäusern“, die „durch Erfindungen qualitativsehr hochwertig, trotzdem preiswert und betriebskosten-minimal“ seien (Pier Hausbau 2005).

Auf der anderen Seite gibt es Unternehmen, die Produkteauf der Grundlage bionischer Prinzipien entwickeln,diese Eigenschaft jedoch nicht bewerben. Beispielhafthierfür sei die BASF genannt, die an der Entwicklung vonNanostrukturen mit Lotus-Effekt arbeitet. Ein BASF-For-schungsprojekt ist die Entwicklung eines als „Lotus-Stein“ bezeichneten Materials für Anwendungen im Bau-bereich, das sogar mit Schleifpapier abgeschliffen werdenkann, ohne dass der Lotus-Effekt seine Wirkung verliert(BASF 2002; Frost/Sullivan 2004). Obwohl explizit aufden Lotus-Effekt Bezug genommen wird, werden dieseEntwicklungen der BASF nicht als bionisch charakteri-siert, sondern der Nanotechnologie zugeordnet.

In der Bionik sind sowohl große Unternehmen wie De-gussa, BMW, Daimler-Chrysler, Opel, Siemens oderBASF (Kistenfeger 2005) als auch eine Reihe von kleinenund mittleren Unternehmen (KMU) aktiv (UMSICHT2005, Kap. 7 u. 8; vgl. Anhang 2). Wegen der genanntenSchwierigkeiten ist es jedoch nicht möglich, den Marktund die Verbreitung bionischer Produkte in Deutschlandquantitativ genau zu erfassen. Deutlich wird, dass in den

Bereichen „Stoffe, funktionale Mikrostrukturen und-oberflächen“ sowie „statische Konstruktionen (Leicht-bau, Tragwerke, Flug-, Fahr- und Schwimmkörper)“ mitAbstand die meisten Unternehmen „bionisch“ aktiv sind.Für die aktuelle Situation lässt sich hier – trotz der Pro-bleme der Recherche und Auswertung – schließen, dassgegenwärtig die, relativ gesehen, größten Umsätze mitbionischen Produkten in diesen Bereichen gemacht wer-den.

Neben diesen grundsätzlich positiven Einstellungen zurBionik gibt es vielfach jedoch auch eine erkennbare Zu-rückhaltung. Das Vertrauen in die Verlässlichkeit bioni-scher Lösungen ist insbesondere in Feldern mit sehr ho-hen technischen Anforderungen teils wenig ausgeprägt(hierzu gehören einige Bereiche der neuen Materialien,vgl. Kap. IV). Auch wird gelegentlich das Problem ge-nannt, dass bionische Lösungen die erforderlichen großenMengen für einen Massenmarkt nicht oder nur zu nichtkonkurrenzfähigen Preisen beibringen könnten (z. B. inder Klebetechnik, Kap. IV.2.3). Eher zwischen den Zeilenkann auch ein Misstrauen gegen den bionischen Ansatzder Selbstorganisation herausgelesen werden, der denklassischen betriebswirtschaftlichen Planungsstrategiendiametral entgegengesetzt ist (Kap. V.3). Es lassen sichalso die bestehenden Vorbehalte unterscheiden nachMisstrauen in die konkreten Produkteigenschaften undKonkurrenzfähigkeit sowie Misstrauen in die bionische„Denkweise“ oder „Kultur“.

2.4 Patentsituation Patenterteilungen stellen einen wichtigen Indikator fürdie Innovationskraft eines Forschungsfeldes dar. Die Pa-tentrecherche bionischer Erfindungen ist allerdings mitSchwierigkeiten in zwei Richtungen konfrontiert. Zumeinen werden bzw. wurden früher Patente häufig nicht mitdem Attribut „bionisch“ gekennzeichnet, obwohl sie ei-nem bionischen Gedankengang entsprungen sind. Zumanderen muss sich jedoch hinter einer als bionisch dekla-rierten Erfindung nicht unbedingt ein bionischer Ansatzverbergen. „Bionik“ ist kein geschützter oder klar defi-nierter Begriff. Ob die Attribution „bionisch“ im Einzel-fall zutreffend ist oder nicht, könnte nur in einer aufwen-digen Detailrecherche entschieden werden. Aus diesenGründen erlaubt eine Patentrecherche auf der Basis derBezeichnungen der Patente nur eine zurückhaltende Inter-pretation.

Die Zahl der Patentanmeldungen, in denen Erfindungenals bionisch beschrieben werden, ist deutlich zunehmend.So ergab eine Patentrecherche über die Patentdatenbankdepatisnet des deutschen Patent- und Markenamtes, überdie auch ein Zugriff auf umfangreiche Sammlungen aus-ländischer Patentdatenbanken erfolgt (u. a. die Patentda-tenbank des Europäischen Patentamtes und die Daten-bank des amerikanischen US Patent- and TrademarkOffice) für den Suchbegriff „Bionik“ 47 Treffer, für denSuchbegriff „bionisch?“ 73 Treffer, für den Suchbegriff„biomimetic?“ 212 Treffer und für den Suchbegriff „bio-inspired“ vier Treffer. Obwohl diese Trefferlisten sicher-lich einige Doppelungen erhalten (einzelne Patente sindsowohl durch Offenlegungsschrift als auch Patentschrift ver-treten), ist die Anzahl beachtlich (UMSICHT 2005, S. 63).


Ta b e l l e 3

Patentrecherche depatisnet

Quelle: nach UMSICHT 2005, S. 64; „?“ steht für eine beliebige Anzahl von Zeichen

Suchbegriff Trefferanzahl Suchbegriff TrefferanzahlBionik 47 hydrophob? 79.928bionisch? 73 superhydrophob? 47biomimetic? 212 ultrahydrophob? 86bio-inspired 4 Vorbild der Natur 16Lotus?Effekt 121 selbstheilend? 702Lotus?effect 27 self-repair? 524anti-fouling 924 self-heal? 703selbstreinigend? 3.979 selbst-organi? 234self-clean? 5.554 self-organi? 1.069

Noch größer wird die Anzahl der (potenziell) „bioni- Das Kompetenznetz Biomimetik wurde Ende 2002 ge-
schen“ Patente, wenn gezielt nach einzelnen Begriffen re-cherchiert wird, die bionische Erfindungen beschreibenoder charakteristisch für bionische Produkte sind (Tab. 3).Selbst wenn man davon ausgeht, dass es einige Überlap-pungen gibt und es sich bei einem Großteil dieser Paten-tanmeldungen nicht um tatsächlich bionische Erfindun-gen handelt, kann man feststellen, dass inzwischen einestattliche Anzahl von Patenten auf Erfindungen unterNutzung der Bezeichnung „Bionik“ oder „bionisch“ an-gemeldet wurde.
2.5 Netzwerke

Netzwerke und Fachgesellschaften stellen wichtige Ele-mente der Forschungsinfrastruktur dar. In Deutschlandgibt es zum Thema Bionik das überregional aufgestellteBionik-Kompetenz-Netz BIOKON mit Sitz in Berlin unddas regionale Kompetenznetz Biomimetik in Freiburg.Darüber hinaus sind die Gesellschaft für Technische Biolo-gie und Bionik (GTBB) und der Verein BIONALE – Ler-nen von der Natur e.V. mit Sitz in Starnberg zu nennen.

BIOKON ist ein vom BMBF seit 2001 gefördertes, bun-desweites Bionik-Kompetenz-Netz mit zurzeit 28 Mit-gliedern – 15 davon Universitäten oder universitäreEinrichtungen –, dem die wichtigsten deutschen Arbeits-gruppen im Bereich Bionik angehören. Hauptsächlich bil-det es eine Plattform für den fachlichen Austausch.Gleichzeitig dient BIOKON Interessierten aus Industrie,Bildung und Medien als Ansprechpartner, bietet fachlicheBeratung zu Bionikthemen, vermittelt die jeweiligenFachansprechpartner, organisiert Bionik-Veranstaltungenund stellt umfassende Informationen zur Bionik inDeutschland bereit (Biokon 2005a). BIOKON ist in achtthematische Fachgruppen und vier ständige Fachgruppen„Medien, Internet, Datenbanken, Öffentlichkeitsarbeit,Presse“; „Aus- und Weiterbildung, Methodik und Didak-tik“; „Ausstellungen, Messen, Kongresse, Workshops,Tutorials, Exponate“ und „Industrielle Umsetzung“ orga-nisiert (Tab. 4).

gründet. Kooperationspartner sind die Universität Frei-burg, die Universität Tübingen und das ITV Denkendorf.Die Förderung erfolgt über das Landesministerium fürWissenschaft, Forschung und Kunst. Das Kompetenznetzdient als Plattform für Wissenschaftler unterschiedlicherDisziplinen und Partner aus Industrie und Wirtschaft. Zielist die gemeinsame Entwicklung von Produkten undTechnologien. Die Forschungsschwerpunkte liegen in derEntwicklung neuer technischer Textilien (Vorbild pflanz-liche Wassertransportsysteme), in der Produktion vonselbstreparierenden und selbstadaptiven Materialien(Smart Materials) und in der Umsetzung pflanzlicherStrukturprinzipien in gewichts- und strukturoptimierteGradientenmaterialien (Biomimetik 2005).

Die Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik(GTBB) wurde im Jahr 1990 von Prof. Nachtigall (Uni-versität des Saarlandes) ins Leben gerufen, um u. a. dieBionik einer breiteren Öffentlichkeit bekannt zu machen.Die aktuelle Mitgliederzahl liegt bei 310. Zum kommer-ziellen Angebot der GTBB gehören ein Informations-dienst zum Thema Technische Biologie und Bionik unddie Vermittlung von Ansprechpartnern zur Unterstützungbei der Lösung von Problemen, die möglicherweise mitbionischen Ansätzen gelöst werden können (GTBB 2005).

Der Verein BIONALE – Lernen von der Natur e.V. siehtsich als populäres Bionik-Forum und möchte eine Platt-form bieten für den interdisziplinären Austausch und dieFörderung innovativer Ideen, die von der Natur inspiriertwurden. Ziel ist die Förderung der Interaktion und Ko-operation zwischen Künstlern, Wissenschaftlern, Desig-nern, Technikern, Architekten, Unternehmern, Ärzten etc.Der Verein hat es sich zur Aufgabe gemacht, jährlichKunst- und Fotowettbewerbe zum Thema Bionik auszu-richten und Finanzierungsprogramme zur Unterstützungjunger Künstler, Wissenschaftler, Ingenieure, Designer undFotografen zu erarbeiten. Fernziel ist die Schaffung einerBionikakademie zur Nachwuchsförderung (Bionale 2005).


Ta b e l l e 4

Biokon-Fachgruppen

Quelle: nach UMSICHT 2005, geändert

Fachgruppen Koordination Ziel

B1 „Architektur, Design“ Architekturbüro Oligmüller, Bochum Begleitung von Bionik-Projekten und Beratung hinsichtlich Design, Öffent-lichkeitsarbeit, Industriekontakte

B2 „Leichtbau, Materialien“ Forschungszentrum Karlsruhe, Universität Freiburg

Darstellung des Wissensstandes bionischer Leichtbauprinzipien und Materialien und fachlicher Austausch

B3 „Oberflächen und Grenzflächen – Strukturen und Funktionen“

TU Dresden kooperative Kompetenzzentrale für bionische Oberflächen und Grenzflächen

B4 „Fluiddynamik, Fliegen, Schwimmen, Robotik, DAMS“

Universität Bonn, Zoologie Forschungsgruppe zur Ergänzung des physiologischen Kenntnisstands der Biologie mit dem Ziel des techni-schen Erkenntnisgewinns

B5 „Biomechatronik, Biomedizin-technik, Mikrosystemtechnik, Aktuatorik, Robotik“

TU Ilmenau gemeinsame Projektbearbeitung im Bereich Robotik und Biomechatronik

B6 „Sensorik, Informations-verarbeitung, Kommunikation“

Universität Bonn, Zoologie Identifizierung technischer Anwen-dungsfelder für bionische Sensoren und Sensorsysteme

B7 „Bionische Optimierungs-methoden“

Forschungszentrum Karlsruhe Darstellung des Wissensstandes und fachlicher Austausch der Mitglieder

B8 „Bionik-Film“ TU Berlin, FG Bionik und Evolutionstechnik

k. A.

2.6 Lehre und Bildung Hauptstudium in der Fachrichtung Botanik diverse Veran-

Bionik in der Lehre ist wenig verankert. Häufig sind esSpezialangebote auf Initiative einzelner Personen hin.Den einzigen Vollstudiengang „Bionik“ bietet der Fach-bereich Schiffbau, Meerestechnik und Angewandte Na-turwissenschaften der Hochschule Bremen an. Dort star-tete zum Wintersemester 2003/2004 der weltweit einzigeinternationale Studiengang Bionik, der mit dem Bachelorof Science abschließt.

An Technischen Universitäten gibt es einige Lehrveran-staltungen zur Bionik. An der RWTH Aachen ist dasThema Bionik in den Fächern Biologie, Medizin, Maschi-nenbau und in der Informations- und Elektrotechnik ver-treten. An der TU Berlin wird Bionik im Fachgebiet „Bi-onik und Evolutionstechnik“ am Institut fürVerfahrenstechnik gelehrt. Die TU Darmstadt bietet Bio-nik als Studienschwerpunkt innerhalb eines natur- oderingenieurwissenschaftlichen Studiums an. Seit dem Win-tersemester 2002/2003 existiert dort der InterdisziplinäreStudienschwerpunkt Bionik mit 30 Einzelveranstaltun-gen. An der Universität Freiburg werden im Biologie-

staltungen zum Thema Bionik angeboten. An der TU Il-menau wird Bionik im Rahmen des 2002 neu eingerichte-ten Fachgebiets Biomechatronik unterrichtet, dasBestandteil des Studiengangs Biomedizinische Technikist.

An der Universität des Saarlandes ist mit der Emeritie-rung von Professor Werner Nachtigall im Herbst 2002auch der von ihm initiierte Studiengang „Technische Bio-logie und Bionik“ ausgelaufen. Eine neue Professur zumThema Bionik ist nicht geplant.

An Schulen ist Bionik kein fester Bestandteil von Lehr-plänen. Es gibt allerdings eine Vielzahl von Initiativen,die darauf hinweisen, dass in zahlreichen Schulen Pro-jekte und Veranstaltungen zum Thema Bionik durchge-führt werden. So lieferte die Abfrage „Bionik+Pro-jekt+Gymnasium“ bei Google 645 Treffer. Beispielhaftseien hier das Projekt „Bionik – Konstruktion vonLaufrobotern nach dem Vorbild der Natur und deren Steu-erung über den Computer“ des Werner-von-Siemens-Gymnasiums in Berlin und das fünftägige Bionik-Science


Camp an der Montessori-Schule Hofheim genannt. Auchbietet sich der Besuch von Ausstellungen5 mit entspre-chenden Exponaten an.

2.7 Forschungsförderung

Forschungsförderung stellt ein wesentliches Medium dar,um neuen Entwicklungen einen Raum des Experimentie-rens zu eröffnen. Im universitären Bereich hat der DFGSonderforschungsbereich 230 „Natürliche Konstruktio-nen“ an den Universitäten Stuttgart und Tübingen für diedeutsche Bionik-Forschung eine bedeutende Schrittma-cherfunktion gehabt.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung(BMBF) schrieb im Dezember 2003 erstmalig den Ideen-wettbewerb „Bionik – Innovationen aus der Natur“ aus,in dessen Rahmen 30 Studien gefördert wurden. In einerzweiten Runde dieses Ideenwettbewerbs, die im Septem-ber 2005 ausgeschrieben wurde, sollen maximal 20 Stu-dien gefördert werden. Mit dem neuen Förderkonzept„Bionik – Innovationen aus der Natur“ bündelt dasBMBF die Fördermaßnahmen auf diesem Gebiet undstellt in den Jahren 2006 bis 2010 bis zu 50 Mio. EuroFördermittel bereit (BMBF 2005a u. b). Im Rahmen der2004 begonnenen Fördermaßnahme „Innovationen alsSchlüssel für die Nachhaltigkeit in der Wirtschaft“machte das BMBF u. a. das Thema „Neuartige Konstruk-tionsprinzipien und Bauteile oder Geräte (u. a. nach bio-nischen Konzepten bzw. Vorbildern aus der Natur)“ zumGegenstand der Forschung. Eine Übersicht über dieBMBF-geförderten Forschungsvorhaben, die sich mit derBionik beschäftigen, findet sich in dem Gutachten vonUMSICHT (2005, Anhang 8).

3. Bionik im internationalen Umfeld

Vor allem in den USA, Japan, China, Großbritannien,Schweden, den Niederlanden, Frankreich sowie Russlandwird Bionik-Forschung im weiteren Sinne betrieben(UMSICHT 2005, S. 42). In diesen Ländern finden sichim Wesentlichen ähnliche Felder in bionischer Forschungund Anwendung wie in Deutschland. In den USA undGroßbritannien – die neben Deutschland als führend ein-zustufen sind – lassen sich Schwerpunkte in den FeldernWerkstoffe und Robotik erkennen, im Übrigen Europa(außer Deutschland) liegen diese auf dem Gebiet derStoffbildungs- und -umwandlungsprozesse. AsiatischeLänder legen tendenziell auf Werkstoffe und Robotikstarkes Gewicht. Allerdings erwies es sich dort aufgrundder nicht immer sehr ins Detail gehenden englischspra-chigen Außendarstellung der Forschungseinrichtungenals schwierig, Akteure auf dem Gebiet der Bionik undihre jeweiligen Fachgebiete zu recherchieren.

Die Motive für bionische Forschung liegen zum Teil – so-weit diese Informationen zugänglich sind – im militäri-

schen Bereich. So war der Kongress in Dayton 1960, derals eine der Geburtsstätten der Bionik gilt, ein Militärkon-gress, bei dem es z. B. auch um folgende Anwendungenging (BMBW 1970; Küppers 2001): Fledermaussonar fürmilitärische Ortungssysteme, IR-Grubenorgan vonSchlangen für militärische IR-Detektoren oder Körperfor-men von Fischen und Vögeln für Militärflugzeuge undRaketen. Andererseits geht es darum, sich durch bioni-sche Forschung mögliche Vorteile im globalen Wettbe-werb zu sichern. Die „Bionik als Versprechen“ im Sinnedes Kapitels II.3 nimmt im Ausland nur wenig Raum ein.Die in vielen Bereichen insgesamt herausragende Posi-tion Deutschlands wird auch im Ausland anerkannt.

In Internet- oder Literaturrecherchen zur Bionik trittgrundsätzlich die Schwierigkeit auf, dass der Begriff derBionik oder damit verwandte Begriffe (Kap. II.2.1) nichtgrundsätzlich zur Bezeichnung entsprechender Forschungverwendet wird. Forschung zu bionischen Themen wirdnicht zwangsläufig als solche deklariert. So wurden z. B.am Laboratory of Organic Solids der Chinesischen Aka-demie der Wissenschaften Nanotube-Beschichtungennach dem Vorbild des Geckofußes entwickelt (CAS2005), ohne dass die Bezeichnungen „bionic“ oder „bio-mimetic“ verwendet wurden (das Label „nano“ scheinthier attraktiver zu sein).

Aufschlüsse über die internationale Verteilung der Aktivi-täten gibt – vorbehaltlich der genannten methodischenProbleme – eine Analyse der wissenschaftlichen Publika-tionen zur Bionik (Abb. 2 auf der Basis einer Abfrage inder Datenbank SciFinder). Dabei zeigt sich das eingangserwähnte Bild. Insgesamt nehmen Forschungsaktivitätenzur Bionik in Asien deutlich zu. 2003 fand am ShanghaiInstitute for Advanced Studies ein Roundtable-Meetingunter dem Motto „Nature as Engineer and Teacher“ mitBeteiligung zahlreicher deutscher Bionik-Experten statt(SIAS 2003). Auch das seit 2004 von der chinesischenJilin University veröffentlichte „Journal of BionicsEngineering“ ist ein deutliches Indiz für ein verstärktesEngagement asiatischer Forschungseinrichtungen.

Die europäische Spitzenposition bei den Publikationennimmt das französische Centre national de la recherchescientifique (24) vor der Russian Academy of Sciences(23) und der britischen University of Oxford (23) ein.Ebenfalls vertreten sind die Leiden University aus denNiederlanden (16), die schwedische Stockholm Univer-sity (16), die ebenfalls schwedische Lund University (14)und die französische Université René Descartes (14).

Im Jahr 2002 wurde an der University of Reading das bis-lang einzige internationale Bionik-Netzwerk „BIONIS –network for industrial sustainability“ gegründet. SeineZiele sind die Vermarktung bionischer Lösungsansätze,die Koordinierung und Förderung wissenschaftlichenAustausches und des Austausches zwischen Forschung,Industrie und Finanzsektor; die Auslotung akademisch-industrieller Kooperationen sowie Öffentlichkeitsarbeit.Aktuell hat BIONIS weltweit 190 Mitglieder in 33 Län-dern. Bisherige thematische Schwerpunkte des Netzwer-kes sind Energie- und Ressourceneffizienz, Ersatz oderKontrolle gefährlicher Substanzen, erneuerbare und bio-

5 Ein Beispiel wäre hier etwa das Zukunftszentrum Mensch-Natur-Technik-Wissenschaft (ZMTW) der Nieklitzer Ökologie- und Öko-technologie Stiftung (NICOL) in Nieklitz, in welcher eine Daueraus-stellung mit bionischen Exponaten zu finden ist.


A b b i l d u n g 2

Publikationen ausschließlich aus Universitäten mitbionischem Bezug (SciFinder-Datenbank)

Quelle: UMSICHT 2005, ergänzt durch Rettweiler (2006). Für die Darstellung wurden Treffer ab zehn Einträgen in der Datenbank verwendet. An-derweitige Veröffentlichungen (z. B. von Privatpersonen zum Thema Bionik) sind in SciFinder nicht verzeichnet. Legende: US: USA, CA: Kanada,JP: Japan, CN: China, FR: Frankreich, UK: Großbritannien, NL: Niederlande, RU: Russland, SE: Schweden, DE: Deutschland

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abbaubare Materialien sowie neue Funktionalitäten vonMaterialien und Strukturen. Als Felder zukünftigerNetzwerkaktivitäten gelten biomedizinische und pharma-zeutische Anwendungen, Architektur und Design, An-wendungen in Expertensystemen zur Entscheidungsun-terstützung, Robotik sowie Erzeugung und Verpackungvon Nahrungsmitteln (Bionis 2005).

4. Fazit Die deutsche Bionik-Forschung ist thematisch breit auf-gestellt und hat eine sehr gute Ausgangsbasis. Die er-forschten Segmente der Bionik und die Anwendungsfel-der treffen weitgehend auf attraktive Märkte im In- undAusland. Sowohl etablierte als auch sich erst entwi-ckelnde Bereiche der Bionik-Forschung sind darauf ange-legt, innovative Beiträge zu industriell relevanter For-schung und Entwicklung zu leisten. In der Öffentlichkeitist das Attribut „bionisch“ positiv besetzt und wird gernefür Werbezwecke eingesetzt.

Neben den USA und Großbritannien, die ähnlich gut wieDeutschland aufgestellt sind, sind vor allem Frankreich,die Niederlande und Schweden als stark in der Bionik en-gagiert zu nennen. Auch für Japan – hier besonders imBereich Lokomotion und Robotik – und China (marineBionik) wird ein großes Potenzial gesehen. Die Informa-

tionslage ist allerdings teils recht dünn, besonders in Be-zug auf Russland und die USA, da dort viele Bionik-Pro-jekte in der Militärforschung angesiedelt sind undentsprechend der Geheimhaltung unterliegen.

Die wissenschaftliche Bionik-Forschung in Deutschlandist durch Partnerschaft und Kooperation statt durch Kon-kurrenz und Wettbewerb geprägt. Dies zeigt die zentraleBündelung der Kompetenzen im Netzwerk BIOKON unddie Zuordnung der Mitglieder in thematisch unterschied-lich ausgerichtete Fachgruppen, in denen der wissen-schaftliche Austausch und die Nutzung von Synergien imVordergrund stehen. Diese Bündelung ist auch eineStärke im internationalen Vergleich. Während es in ande-ren Ländern häufig schwierig ist und langwierige Recher-chen erfordert, Akteure und Projekte auf dem Gebiet derBionik zu identifizieren, bietet der BIOKON-Internetauf-tritt zumindest dem deutschsprachigen Besucher einenhervorragenden Überblick.

Generell wird ein starkes Bemühen erkennbar, der Bionikeine Bedeutung im Innovationsprozess zu geben. Esdrängt sich aber der Eindruck auf, dass Bionik vielfachauf die Initiative und das Engagement einzelner Personenoder FuE-Einrichtungen zurückgeht. Die kritische Massefür die Bionik, um den Innovationsprozess maßgeblich zugestalten, ist weder national noch international erreicht.


Zum einen liegt dies sicher daran, dass bionische Lö-sungsideen über eine sehr breite Palette von Anwen-dungsfeldern verstreut sind, so dass der jeweilige Anteilund damit Einfluss in den – zumeist großvolumigen –Anwendungsfeldern gering bleiben muss. Zum anderenlassen sich jedoch auch folgende Hemmnisse für einegrößere Rolle der Bionik im Innovationssystem ausma-chen (UMSICHT 2005 in Anlehnung an Küppers 2001 u.Küppers 2004):

– Vergleichsweise lange Entwicklungszeiten für bioni-sche Produkte und Prozesse: Nicht selten vergehenzwischen biologischer Erkenntnis bzw. identifiziertembiologischen Vorbild und hergestelltem bionischenProdukt Jahre bis Jahrzehnte. Neue Verfahren (z. B.der Nanotechnologie) versprechen erhebliche Verbes-serungen; dies ist jedoch bislang nicht demonstriertworden.

– Zurückhaltung bei der Industrie: Die Industrie – vonaktiven Ausnahmen abgesehen – operiert zögerlich, inumfassende Bionikprojekte zu investieren. Vorbehaltegegenüber Leistungsfähigkeit bionischer Produkte undihrer Konkurrenzfähigkeit verbinden sich mit einemMisstrauen gegenüber dem bionischen „Denken“.Dementsprechend wurde die kritische Masse an Ko-operationen zwischen Forschung und Industrie in denmeisten Fällen bislang nicht erreicht.

– Psychologische Barrieren: Ein deutlicher Teil derFuE-Ausgaben der Wirtschaft wird in die Verbesse-rung hergebrachter Technologie investiert, obwohlklar ist, dass damit höchstens marginale Erträge erzieltwerden können. Dass Ergebnisse der Bionik zum Teilrevolutionäres Potenzial haben, wird seitens der In-dustrie häufig nicht nur als Chance, sondern auch alsBedrohung empfunden.

– Konflikte zwischen Universitäten und Industrie: NachMeinung von Experten kommt es vor allem mit derGroßindustrie teilweise zu Problemen, da auf derenSeite häufig der Wunsch nach Übernahme der For-schungsergebnisse oder Produkte ohne entsprechendeHonorierung steht. Bei erfolgreichen Innovationen er-folgt nicht selten eine rasche Marktbesetzung durchGroßunternehmen, so dass Forscher und KMU nurnoch in bescheidenem Umfang an der wirtschaftlichenVerwertung partizipieren können. Auch mangelndepatentrechtliche Kenntnisse und Erfahrungen auf Sei-ten der Forschung führen gelegentlich zu Konfliktenmit der Industrie (UMSICHT 2005, S. 70).

– Marginale Forschungsförderung: die Forschungsför-derung ist zwar in den letzten Jahren gestiegen, es be-steht aber dennoch ein krasses Ungleichgewicht zwi-schen der Förderung für Bionik-Projekte und derFörderung „traditioneller“ Technik.

– Mangel an Kommunikation: Sowohl in Fachkreisenals auch in der breiten Öffentlichkeit ist das ThemaBionik trotz eines generell positiven Ansehens wenigvertreten. In allgemeinbildenden Schulen, Berufsschu-len oder im Handwerk hat es einen geringen Stellen-wert.

Deutschland gehört ohne Zweifel zu den bedeutendenForschungsstandorten in der Bionik weltweit. Das wis-senschaftlich hohe Niveau der deutschen Forschung giltes auch in Zukunft zu halten. Die internationale Reputa-tion muss weiter gestärkt werden, und bionische Heran-gehensweisen sind nachhaltig und zeitnah in die Innovati-onsprozesse der Industrie zu integrieren. Es wird für dieZukunft darauf ankommen, das Wissen aus der bereits ge-leisteten Forschungsarbeit an die nächste Bionik-Genera-tion weiterzugeben und vor allem durch Ausbildung ei-nen Multiplikatorenprozess zu initiieren. Dazu muss diebionische „Denkweise“ stärker in Bildung und Ausbil-dung integriert werden.

IV. Bionik für neue Materialien

An neue Materialien und technische Werkstoffe werdenhohe Erwartungen geknüpft in Erfüllung immanenter An-forderungen und Aufgaben in verschiedensten Einsatzbe-reichen. Biologische Materialien zeichnen sind durch Ei-genschaften und Funktionalitäten aus, wie hohe Stabilitätbei ultraleichtem Gewicht, Anpassungsfähigkeit an neueUmgebungsbedingungen, Verschleißarmut oder auch Au-toreparabilität. Daher sind diese für zukünftige Material-entwicklungen bedeutend. Zudem ist es ein Forschungs-bereich der Bionik, der bereits industrielle Anwendungenvorweisen kann. Das Kapitel befasst sich zunächst mitder Verwendung des „konventionellen Materialbegriffs“im Verhältnis zum „bionischen“ (Kap. IV.1). Zum Standder Forschung (Kap. IV.2) werden ausgewählte For-schungsfelder herausgestellt, um Sicht- und Herange-hensweisen an die bionische Materialforschung aufzuzei-gen, die für ausgewählte Anwendungsfelder (Kap. IV.3)weiter konkretisiert werden. Abschließend werden Chan-cen und Risiken bionischer Werkstoffentwicklungen(Kap. IV.4) herausgestellt.

1. Begriffliches

Der Materialbegriff wird – auch im Zusammenhang mitbionischen Aspekten – nicht immer einheitlich verwen-det. Da für „neue Materialien“ immer verfügbare Krite-rien als Maßstab herangezogen werden, werden im Fol-genden zur Einordnung relevante Aspekte aus der„klassischen Materialforschung“ aufgeführt.

1.1 Zum Begriff „neue Materialien“

Im Grunde genommen geht es in diesem Themenfeld umdie Erfüllung immanenter materialtechnischer Herausfor-derungen, für die jeweils der Anwendungskontext ent-scheidend ist. Zwei Beispiele sollen dies illustrieren: Sogehören etwa zu den geforderten Gebrauchseigenschaftenbei Hochtemperaturwerkstoffen hohe thermische und me-chanische Belastbarkeit, hohe chemische Beständigkeitder Materialoberflächen auch bei aggressiven Reaktions-bedingungen, geringes spezifisches Gewicht und hoheZähigkeit, um eine entsprechend lange Lebens- bzw. Be-triebsdauer6 bei wirtschaftlichem Betrieb zu gewährleis-ten. Andererseits werden etwa in der Medizin vor allemzwei Typen von Materialeigenschaften gesucht: Materia-lien, die mit biologischem Gewebe interagieren, z. B. für


Knochenimplantate, und die teilweise auch biologisch re-sorbierbar sind, sowie Materialien, die möglichst wenigmit anderen Substanzen und Strukturen in Wechselwir-kungen treten, z. B. für medizinische Instrumente, dienicht verschmutzen (Bernstein et al. 2001, TAB 2003).Für beide exemplarisch herausgestellte Bereiche bestehtfür heute verwendeten Materialien und Werkstoffe nochein nicht unerhebliches Verbesserungspotenzial, wozuauch beständig geforscht wird.

Der Begriff „neue Materialien“ wird – in Ermangelungeiner allgemein anerkannten wissenschaftlichen Defini-tion – oft in unterschiedlichen Bezügen verwendet. Imeher „klassischen Materialkontext“ hat er zumeist einenWerkstoffbezug, auch wenn in der aktuellen wissen-schaftlichen Diskussion nach wie vor keine scharfe Tren-nung zwischen den Begriffen „Material“ und „Werkstoff“existiert. Herkömmliche, etablierte Materialien undWerkstoffe zeichnen sich durch exakt festgelegte, viel-fach genormte Materialkennwerte wie chemische Zusam-mensetzung oder mechanische Kennwerte aus (z. B. DIN17100/EN 10025 für Baustahl). Sie sind zumeist in grö-ßeren Mengen verfügbar, kostengünstig herstellbar, wei-sen überprüfbare Qualitätskriterien auf und sind zudemvertraut im Umgang. Insbesondere die im Zusammen-hang mit Werkstoffen entwickelten Erfahrungen, Prüfkri-terien etc. repräsentieren den aktuellen Stand der For-schung und stellen damit eine gewisse „Messlatte“ für„neue Materialien“ dar.

In Anlehnung an frühere Arbeiten des TAB (TAB 1999)wird auch hier die wissenschaftlich-technisch orientierteAuffassung vertreten, den Bereich neuer Werkstoffe alsden jeweils aktuellen Frontbereich der jeweiligen For-schung und Entwicklung anzusehen. Neue Werkstoffesind demnach solche, die sich in ihrer physikalischenStruktur, ihrer chemischen Zusammensetzung oder in ih-rer Funktion von verfügbaren unterscheiden. Dies lässtsich entsprechend auf den übergeordneten Begriff „Mate-rial“ übertragen.

Für den praktischen Einsatz von neuen bzw. weiterent-wickelten Materialien und Werkstoffen spielen neben Ge-brauchs- auch immer fertigungstechnische Eigenschafteneine entscheidende Rolle. Hierzu gehören u. a. die Verar-beitbarkeit mit Hilfe etablierter Verfahren sowie – zur re-produzierbaren Herstellung von Werkstoffen, Bauteilen,Instrumenten etc. – das Vorhandensein entsprechenderPrüfkriterien. Gerade hier liegen Vorteile klassischerWerkstoffe, die von neuen Werkstoffen und Materialienin wesentlichen Eigenschaften erst übertroffen werdenmüssen (TAB 1999).

Die Entwicklung von neuen Materialien erfolgt grund-sätzlich auf zwei verschiedenen Pfaden, zum einen durchModifikation der physikalischen Struktur oder chemi-schen Zusammensetzung konventioneller Materialien undWerkstoffe oder auf der Basis neuer Konzepte. Für beideRichtungen lassen sich bionische Konzepte und Anregun-gen verwenden.

Antriebskräfte für neue Entwicklungen liegen in immerpräziseren Anforderungen an den Material- bzw. Werk-stoffeinsatz. Hierzu gehören z. B. die Einsparung vonEnergie (Minimierung von Energieverlusten bei der Her-stellung und von Reibungsverlusten bei der Anwendung),der verstärkte Einsatz regenerativer Energieressourcen(Verminderung der Abhängigkeit von fossilen Ressour-cen, Reduktion des Brennstoffverbrauchs, Nutzung biolo-gischer Zellenergie), Verbesserung der Effizienz (Wir-kungsgrade) technischer Prozesse, Verbesserung derWirtschaftlichkeit von technischen Systemen (Reduzie-rung der Herstellungs- und Betriebskosten, Erhöhung vonderen Leistung sowie Verlängerung der Lebensdauer),Verbesserung der Umweltverträglichkeit (u. a. durch Re-duktion von Abgasemissionen, Abbaubarkeit, Recyclier-barkeit), bessere organische Verträglichkeit, Substitutionproblematischer Materialien, individuelle Anpassungs-möglichkeit.

1.2 Der Materialbegriff in der Bionik

Der Materialbegriff in der Bionik ist relativ weit gefasstund nicht wirklich präzise definiert.7 In der Bionik geht esdabei um die Suche nach „biologischem Wissen“ überAufbau und Funktionsweise biologischer Materialien,welches extrahiert und dann auf konkrete technische An-wendungen übertragen werden kann. Es geht nicht um dieNutzung biologischer Stoffe selbst. Welche Erwartungenan biologische Materialien gestellt werden können, lässtsich anhand charakteristischer Merkmale von in der Naturentstandenen Materialien charakterisieren (vgl. a. Kap.II.3.2). Im Folgenden werden ausgewählte Aspekte auf-geführt (nach Nachtigall 2002, S. 57/58 und Nachtigall1997, S. 21 f. u. S. 74 f.). Biologische Materialien

– schichten sich oft bereits während des Entstehungs-prozesses.8 Die Materialschichten weisen dabei je-weils strukturfunktionelle Besonderheiten auf und ent-stehen oft zeitlich nacheinander. Dabei formen sicheinzelne Plättchen sukzessiv und einander überlap-pend aus (z. B. Spinnenhaar). Die zusammengesetztenMaterialien weisen neue Eigenschaften auf;

– differenzieren sich häufig durch Nutzung von Oberflä-chenkräften während der Genese aus. Ein Beispielsind hier die Radiolarien (Strahlentierchen des Mee-res), die ihre oft hochkomplexen Skelette nicht „Mole-kül für Molekül“ aufbauen; diese entstehen in einemeinzigen „Gussvorgang“ (aus flüssiger Kieselsäure),

6 Hochtemperaturwerkstoffe werden z. B. in Gasturbinen eingesetzt.Dort liegt die geforderte Lebensdauer bei ca. 100 000 h (TAB 1999).

7 Eine gängige Definition bzw. Eingrenzung bezieht sich z. B. auf Ma-terialien, biochemische, biophysikalische und Recycling-Aspekte,Materialkomplexe, Verbundmaterialien, biokompatible Materialienund Implantatwerkstoffe. Biologische Strukturelemente werden un-tersucht, beschrieben und verglichen. Die Eignung bestimmterunkonventioneller Materialien für spezielle Zwecke wird betrachtet.Auch unkonventionelle, naturentlehnte Strukturen wie z. B. anisotro-pe Verbundmaterialien und pneumatische Strukturen oder flächen-überspannende Membranstrukturen werden im Hinblick auf ihreEignung für technische Großausführungen untersucht. Formbil-dungsprozesse im biologischen Bereich bieten unkonventionelletechnische Vorbilder (nach Nachtigall 2002, S. 11).

8 Biologische Materialien werden selten „in einem Stück gefertigt“,sondern eher schrittweise (vergleichbar den „Strukturwerkstoffen“ inder „klassischen Werkstoffforschung“).


wobei die Formgebung durch Oberflächenkräfte ge-steuert wird;

– sind häufig funktionell und hierarchisch aufgebaut.D. h. sie setzen sich aus Einheiten zusammen, diefunktionell definierbare Teilsysteme bilden. Ein Bei-spiel hierfür sind Sehnen, deren Zergliedern in Unter-einheiten immer weiter möglich ist, bis hin zum Prote-inmolekül. Die Eigenschaften der einzelnen Bündelmachen in der Summe die „Mechanik des Materials“aus. Ein anderes Beispiel ist Holz,9 bei dem die Hie-rarchien von der Nanostruktur (Polymerketten) überMikro- und Makrofibrillen mit unterschiedlicher Zell-wandstruktur bis hin zum Baum geht;

– bestehen oft hochspeziell aus Mehrfachschichten(Polylayern). Im Ergebnis von Schichtungsprozessenüberkreuzen sich die Vorzugsrichtungen dieserSchichten, so dass sich ein anisotropes Material erge-ben kann, obwohl die Einzelschichten isotrop sind(z. B. Kutikula der Insekten);

– weisen häufig eine funktionelle Kompartimentierung10

auf. Ein Beispiel hierfür ist die funktionelle Einheit„Venenwand“, welche aus unterschiedlichen Materia-lien besteht, wie Abschlussmaterialien, elastische Ma-terialien, solche die sich kontrahieren können;

– bilden häufig unkonventionelle Sandwich-Bauweisenaus. Beispielsweise sind Vogelschädel äußerst leicht;sie bestehen aus einer schwammartigen Knochensub-stanz zwischen zwei Deckmembranen, die als „Sand-wich“ bezeichnet werden kann;

– werden auch aus chemisch identischen, physikalischjedoch unterschiedlichen Komponenten ausgebildet.Wesentlich ist hier, dass auch gegenläufige Eigen-schaften mit einem Material ausgebildet werden kön-nen. Als Beispiel lassen sich hier Seeigelzähne nennen,die Härte und Elastizität gleichzeitig – als einander wi-dersprechende Eigenschaften – dadurch bekommen,dass zwei chemisch identische Kalkmodifikationen(Calciumcarbonat) ineinander greifen, von denen dieeine druckfest, die andere eher zugfest ist. SolcheKomposite mit gegenläufigen Materialeigenschaftensind aus technischer Sicht gesuchte Kombinationen;

– sind sehr häufig ultraleicht. Ein Beispiel für ein „leich-tes Tragwerk“ sind die Schmetterlingsschuppen, wodas Chitin11 zu graziösen und extrem leichten Span-tenkonstruktionen12 ausgeformt ist;

– sind manchmal selbstreparabel. Bekannte Beispiele sinddas Zusammenwachsen von Knochen nach einem Bruchoder das Ausheilen von Baumrindenverletzungen;

– sind oft multifunktionell. Ein Beispiel ist das Ei derSchmeißfliege, dessen Chitinwand einerseits was-serundurchlässig ist, andererseits jedoch Wasserdampfdurchlässt. Ein anderes Beispiel ist das der Schmetter-lingsschuppe als Kombination von „Fachwerkbau“(statisch vorteilhaft), Entstehung physikalischer Schil-lerfarben (verhaltensbiologisch vorteilhaft) und ober-flächenrauher Flügel (flugbiologisch vorteilhaft). Alledrei Aspekte werden mit ein und derselben Strukturie-rung bedient (Nachtigall 1997, S. 77). Ein anderesBeispiel sind optische Sensoren, die gleichzeitig alsWärmetauscher fungieren (Auge der Libelle)(UMSICHT 2005, S. 101);

– besitzen häufig adaptive Fähigkeiten. An Stellen star-ker Belastungen und hoher Spannungen wird Materialangereichert, während an schwächer belasteten Stellenein Materialabbau erfolgt (Bsp. Bäume; Mattheck2003);

– weisen in der Regel eine terminierte Lebensdauer auf.Sie sind prinzipiell biologisch abbau- und damit recy-clierbar. Neben dem Problem der nachhaltigen Abfall-vermeidung13 wird aus bionischer Sicht auch über die„unnötige Haltbarkeit zivilisatorisch-kultureller Ge-bilde“ (wie z. B. Häuser) 14 diskutiert.

Welche Eigenschaften machen nun biologische Materia-lien so interessant für die Materialforschung? Hier ist eineReihe von Eigenschaften aufzulisten: Biologische Materia-lien sind ressourceneffizient gestaltet. Sie zeichnen sichsomit durch eine hohe Stabilität und Funktionalität beiverhältnismäßig geringem Materialeinsatz aus – was u. a.im Leichtbau eine Rolle spielt. Die eingesetzten Grund-bzw. Rohstoffe sind zudem in der Regel bequem aus derUmgebung beschaffbar (Opportunismusprinzip in derMaterialauswahl) bzw. leicht herstellbar – die konse-quente Umsetzung dieses Prinzips würde die Kosten derRohstoffbeschaffung vermindern. In der Natur findensich keine Hochleistungswerkstoffe, sondern eher einfa-che Materialien mit einer effizienten inneren Struktur, dieauf die jeweilige biologische Konstruktion perfekt abge-stimmt ist und so aus technischer Sicht z. B. erstaunlichemechanische Eigenschaften erzielt. Verwendet werdenUniversalbaustoffe wie Zellulose, Chitin oder Keratin, inKombination mit relativ wenig anderen Materialien (z. B.anorganische Materialien wie Kalk und Silikate). Das Er-gebnis sind oftmals streng funktionell, hierarchisch auf-

9 Holz kann als natürlicher, polymerer, faserverstärkter Verbundwerk-stoff betrachtet werden.

10 Kompartimente sind abgeschlossene Bereiche, in denen Reaktionenungestört ablaufen können.

11 Chitin kann „als der häufigste nachwachsende Rohstoff der Tiere“bezeichnet werden (Heydemann 2004, S. 30). Etwa 80 Prozent allerOrganismen-Arten haben als äußeres und inneres Gerüst-Elementden Stoff „Chitin“, einen wasserunlöslichen Zucker, eingebaut. Che-misch ist Chitin ein Polysaccharid bestehend aus den ElementenWasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff.

12 Die Spantenkonstruktion lässt sich auch beschreiben als „ein submi-kroskopisches Fachwerk von Pfeilern und „Zick-Zack-Dächern“,aufgebaut auf einer Tragemembran. Diese „Dächer“ kombinierenStabilität mit der Fähigkeit, Schillerfarben zu erzeugen – bei gerin-gem Bauaufwand und hoher Komplexität im Detail und mit gerin-gem Gewicht (Nachtigall 1997, S. 77).

13 Zerfall des zeitlich terminierten Materials („Die Natur kennt keinenAbfall.“) (Nachtigall 1997, S. 32), der im Wesentlichen an organisch-chemische Reaktionen gebunden ist (Bakterien, Pilze), um die Sub-stanzen wieder für Ausgangsprozesse zur Verfügung zu stellen(Kreislaufprinzip).

14 Hinter diesem Punkt steht u. a. die Überlegung, die Lebensdauer vonBaukonstruktionen auf deren durchschnittlich zu erwartende Lebens-zeit auszulegen – ein Prinzip, das in der Natur üblich ist. Damit wirddie lange Haltbarkeit technischer Errungenschaften (stabile Kon-struktionen etc.) unter dem Gesichtspunkt von Material- und Ener-gieeinsparungen in Frage gestellt (Nachtigall 1997, S. 31).


gebaute Werkstoffe. Die Verwendung chemisch einfacherGrundbausteine könnte z. B. den Aufwand für Material-logistik reduzieren (nach UMSICHT 2005, S. 108/109;Küppers/Tributsch 2002, S. 68).

Die Fähigkeit zum hierarchisch strukturierten Aufbau vonMaterialien ist im natürlichen Wachstum begründet. DasBottom-up-Prinzip ist in der Natur konsequent umgesetzt –natürliche Systeme werden aus einzelnen Molekülen auf-gebaut und gestalten sich sukzessive (bottom-up). In derbelebten Natur ist es möglich, den inneren Aufbau sowiedie Strukturierung von Grenz- und Oberflächen bis hin-unter zur Nanoskala besser zu kontrollieren, als es heu-tige Werkstofftechnologien bei synthetischen Materialienermöglichen. Dieser Gestaltungswunsch besteht jedoch inden Materialwissenschaften schon länger, und er wurdedurch Forschungen im Bereich des Einsatzes von Nano-technologien weiter verstärkt.

Zudem haben biologische Materialien (z. B. bei Tieren)oftmals die Fähigkeit, Struktur und Form zeitnah anzu-passen. Biologische Systeme sind insgesamt dynamischerangelegt, d.h. sie befinden sich permanent im Auf-, Um-und Abbau (Kreislaufprinzip) unter permanenter Anpas-sung an sich verändernde Umweltbedingungen. DieserAnpassungsprozess erfolgt direkt durch das Material,ohne dass es durch ein zentrales Nervensystem ausgelöstoder gesteuert wird (UMSICHT 2005, S. 100). In denWerkstoffwissenschaften werden solche Materialien als„Smart Materials“ bezeichnet. An diesen wird bereits län-ger geforscht; sie gelten zudem als herausgehoben inno-vativ, auch wenn konkrete Anwendungen zumeist noch infrühen Forschungsstadien sind. Die Natur bietet eineVielzahl intelligenter Materialien, die sich insbesonderedadurch auszeichnet, dass sie mit einer hohen Sensitivitätauf Veränderungen der Umwelt reagieren können. Dabeierfolgen Sensorik und Aktorik bis auf die molekulareEbene und bieten daher erhebliches Potenzial für Mini-aturisierung und Systemintegration. Interessant für dieMaterialforschung sind auch Materialien mit veränderba-ren Variablen, die das mechanische Verhalten des synthe-tischen Stoffes verändern können. So könnten z. B. mittechnischen keramischen Materialien neue Eigenschafts-kombinationen erreicht werden, z. B. bei gegebener spe-zifischer Bruchbeanspruchung eine günstige Zähigkeit.Anwendbar wären solche Aspekte auch auf synthetischePolymerfasern, Metallkomposite, strukturelle Kompositeauf Textilbasis sowie auf Fragen des Werkstoffversagens(z. B. lokales Stoppen von Bruchspalten) (Nachtigall2002, S. 58).

Ziele, unter denen von der Natur gelernt werden soll, sindin Bezug auf Materialien und Werkstoffe analog dem inKapitel II.3 ausgeführten „Doppelverhältnis“ der Bionikzu definieren – einerseits mit einer „technischen Brille“auf die Natur zu schauen und Lösungsoptionen zu abstra-hieren und andererseits orientiert an dem auch im Materia-lienbereich vorhandenem Erfordernis, mit konventionel-len Materialien oft vorhandene Konflikte zwischen Naturund Technik – zumindest partiell – aufzulösen (Recyclingetc.). Dennoch lässt sich festhalten, dass die heutige Ma-terial- und Werkstoffforschung sich langsam (in immer

kleiner werdenden Schritten) an Grenzen annähert (z. B.Wirkungsgradgrenzen bei der Energieumwandlung). Da-bei nimmt der Aufwand forschungs-, material- und kos-tenseitig im Verhältnis zum Ergebnis (z. B. Wirkungs-gradverbesserung) für relativ „kleine Schritte“ immerweiter zu. Hier kommt innovativen materialtechnischenEntwicklungen – in der Hoffnung auf „Durchbrüche“ –eine entscheidende Bedeutung zu.

Die Antriebskräfte für „biologische“ Materialentwicklun-gen sind durchaus vergleichbar mit denen für klassischeMaterialien – Reduzierung des Energie- und Materialein-satzes bei gleichzeitiger Optimierung von Funktionalitä-ten (z. B. für Nahrungssuche, Energieaufnahme, Fortbe-wegung). Biologische Lösungen stellen gemäß denverfügbaren Umgebungsbedingungen ein Optimum dar.Im Unterschied zur technischen Entwicklung (die meistim Top-down-Modus funktioniert) werden in der NaturBottom-up-Ansätze favorisiert, die bisher in keinemtechnischen Modell abbildbare, multikriterielle Optimie-rungsprobleme darstellen. Im Unterschied zu denWerkstoffwissenschaften ist die Evolution bei der Materi-alsuche eher „zukunftsblind“, das Optimieren erfolgtnicht vorausschauend, sondern konsequent nach strengenAuslesekriterien –, und vor allem nimmt sich die NaturZeit. Auch wenn in der Bionik versucht wird, durch Aus-nutzung „natürlicher“ Erfahrungen eher Zeit einzusparen,kommt es doch oft darauf an, eine Vielzahl von Details zuerfassen und ggf. miteinander zu kombinieren, um die ge-wünschte Wirkung zu erzielen. Daran schließt sich u. a.die Frage an, nach welchen Kriterien biologische Materia-lien mit herkömmlichen, etablierten Materialien undWerkstoffen (in Eigenschaften, Herstellung und Einsatz)verglichen werden können bzw. sollten.

2. Stand der Forschung

Die Forschung in der Material- und Werkstoffbionik er-folgt parallel an heterogenen Einzelthemen. Eine gängigeSegmentierung, wie in den „klassischen Werkstoffwis-senschaften“ vertraut, ist hier eher nicht vorhanden. Da„Material und Konstruktion“ thematisch zusammen gehö-ren, ist das Materialienthema auch in verwandten Themenwie etwa der Konstruktionsbionik präsent, was eine sys-tematische Darstellung erschwert. Im Folgenden soll derStand der Forschung anhand ausgewählter Beispielfeldercharakterisiert werden.

2.1 Bibliometrische Analyse

Die aktuelle Bedeutung der Materialforschung lässt sichexemplarisch anhand von Veröffentlichungen belegen.Von den in die Literaturdatenbank „SciFinder“ recher-chierten 7 109 Einträgen zu Biomimetik bzw. Bionik,beschäftigt sich der größte Teil mit neuen Materialien,insbesondere deren Herstellungsmöglichkeiten.15 EineVerkleinerung der Trefferzahl durch Extraktion derjeni-

15 Ein Schwerpunkt der Arbeiten ist beispielsweise die Mineralisationin Anwesenheit einer organischen Matrix, die das Wachstum und diesich ausbildende Morphologie steuert (UMSICHT 2005, S. 107).


gen, die den Begriff „Materialien“ enthalten (1 553 Tref-fer) und eine anschließende Auswertung nach dem Publi-kationsjahr ergibt die in Abbildung 3 dargestelltezeitliche Entwicklung zur Publikationshäufigkeit in derbionischen bzw. biomimetischen Materialwissenschaft(UMSICHT 2005, S. 106/107).

Es kann festgestellt werden, dass bionische bzw. biomi-metische Materialien ein noch junges Forschungsfeld dar-stellen, das sich etwa seit Mitte der 1990er Jahre rasantentwickelt hat. Eine inhaltliche Analyse der Einträgemacht jedoch deutlich, dass es zunächst vor allem um dasVerständnis biologischer Materialbildungs- und -um-wandlungsprozesse geht, deren technische Anwendungbislang aber kaum eine Rolle spielt. Letztendlich wird dasZiel der Bionik, verwertbare technische Lösungen bereit-zustellen, in den wissenschaftlichen Publikationen kaumangesprochen (UMSICHT 2005, S. 107).

Die Werkstoffwissenschaften wurden in der Vergangen-heit von unterschiedlichen wissenschaftlichen Diszipli-nen – oft getrennt voneinander – bearbeitet. Für moderneWerkstoffentwicklung ist ein enormer Bedarf an Interdis-ziplinarität zu verzeichnen: Ohne die Zusammenarbeitvon Experten aus Verfahrenstechnik, Medizin, Biologie,Informatik, Chemie, Physik und Materialwissenschaftlassen sich keine neuen Materialien mehr entwickeln. Derinterdisziplinäre Ansatz der Bionik entspricht einem Fak-tum, das auch in anderen Bereichen wie etwa der Nano-technologie gerne als „Markenzeichen“ verwendet wird,aber keine Exklusivität besitzt.

Die Begriffe bionische bzw. biomimetische Materialienwerden oft synonym nebeneinander verwendet und wur-den daher auch zusammen recherchiert. Im Folgendensoll vereinfachend von bionischen Materialien bzw.Werkstoffen gesprochen werden.

2.2 Forschungsgegenstand und AkteureForschungsbereiche, die derzeit vorrangig bearbeitet wer-den, lassen sich wie folgt beschreiben, auch wenn in derRegel von den Forschungsgruppen in Deutschland meh-rere unterschiedliche Themenstellungen abgedeckt wer-den (UMSICHT 2005, S. 108):

– Bei der direkten Nachbildung/Synthese natürlicherMaterialien werden Biomaterialien verwendet als

– Ideengeber, wobei die bionische Lösung darauf ab-zielt, natürliche Materialien zu gewinnen und z. B.als Biopolymer unmittelbar für technische Lösun-gen zu nutzen (Seidenraupe). Dazu zählt auch dieSynthese biologischer Materialien durch Nachbil-dung und Komposition ihrer chemischen Kompo-nenten;

– Templates16 für Materialsynthesen (z. B. für dieBiomineralisation von Nanopartikeln, die Syntheti-sierung perlmuttähnlicher Strukturen oder Nutzungvon pflanzlichen Strukturen als Kohlenstoffpre-forms (Vorformen) für zellulares Siliziumcarbid(SiC)).

– Bei der Nachbildung natürlicher Materialstrukturengeht es auch um die Nutzung von Materialmorpholo-gien und Bauteilformen zur Übertragung physikali-scher Mechanismen und Effekte auf technische Werk-stoffe:

– Grenzflächeneffekte (z. B. Selbstreinigung (Lotus-Effekt), tribologische Schichten (Sandfisch), Strö-mungsbeeinflussung, Antifouling);

16 Der Begriff Template (aus dem engl. für Kopierschablone, Vorlage)wird im Materialienbereich für chemische (meist organische) Verbin-dungen verwendet, die selbstorganisiert die Bildung gewünschtermakromolekularer Strukturen umsetzen können.

A b b i l d u n g 3

Zeitliche Entwicklung der Publikationshäufigkeit zubionischen/biomimetischen Materialien

Quelle: UMSICHT 2005, S. 107

Anz

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Sci

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1985 1990 1995 2000 2005

300

250

200

150

100

50

0


– Materialstruktureffekte (z. B. pflanzliche Achsenfür Textilien,17 Membranen, Bauteile, Faserver-bundwerkstoffe);

– modellgestützte Formoptimierung.18

Als wichtige Netzwerke in Bezug auf bionische Material-forschung und -entwicklung sind in Deutschland zu nen-nen: die Fachgruppe „Leichtbau, Materialien“ innerhalbdes Kompetenznetzes „BIOKON“ und innerhalb desKompetenznetzes „Biomimetik“ das Netzwerk „Pflanzenals Ideengeber für die Entwicklung biomimetischer Mate-

rialien und Technologien“ (zu den Netzwerken s. Kap.III.2.5). Universitäre und außeruniversitäre Forschungs-einrichtungen, die im Bereich bionikbasierte Materialienund Werkstoffe tätig sind, sind in Anhang 8 aufgeführt.Die Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständig-keit.

Nachfolgend sind Förderstellen und Förderprogrammebzw. thematische Schwerpunkte aufgeführt (Tab. 5), diefür die Finanzierung bionischer Werkstoffentwicklungengenutzt werden können. Es sind dies sowohl Förderpro-gramme, die explizit bionische Materialprojekte als För-dergegenstand nennen, als auch solche, die aufgrund ihrerallgemeinen Zielsetzung für die Förderung bionischerWerkstoffentwicklungen in Betracht kommen (UM-SICHT 2005).

Zu erkennen ist, dass im Materialbereich eine umfassendeFörderung besteht, deren Ergebnisse und thematischenFörderschwerpunkte im Detail (Art der Werkstoffe undMaterialien etc.) noch auszuwerten wäre.

17 Hierbei geht es um die Entwicklung von technischen Textilien, dieeinen Flüssigkeitstransport – basierend auf Wasserleitstrukturen vonHolzpflanzen – zulassen. Potenzielle Anwendungsbeispiele sindSchutzbekleidungssysteme mit ausreichendem Schweißtransport,Brennstoffzellen-Vliese, Windeln, Polsterbezüge für Automobilsitze(Biomimetik 2006).

18 Nach biologischen Designregeln entwickelte Konstruktions- und Op-timierungssoftware CAO (Computer Aided Optimization), SKO(Soft Kill Options) und CAIO (Computer Aided Internal Optimiza-tion).

Ta b e l l e 5

Förderprogramme zu neuen Materialien


Förderung Projektträger Gegenstand/Thema Volumen wann

VW-Stiftung diverse thematische Schwerpunkte: z. B. „Komplexe Materialien: Verbundprojekte der Natur-, Ingenieur- und Biowissen-schaften“

k. A. seit 2000

BMBF Projektträger Jülich, Außenstelle Berlin

Ideenwettbewerb/Machbarkeits-studien „Bionik – Innovationen aus der Natur“

1 Mio. Euro 2003

BMBF Rahmenprogramm: Werkstoffinno-vationen für Industrie und Gesell-schaft (WING)

250 Mio. seit 2003

BMBF Deutsches Zentrum für Luft- und Raum-fahrt e.V. (DLR), Bonn – PT Umwelt-forschung und -technik

„Innovationen als Schlüssel für Nachhaltigkeit in der Wirtschaft“ Förderschwerpunkt: neuartige Konstruktionsprinzipien von Bauteilen oder Geräten (u. a. nach bionischen Konzepten bzw. Vorbildern aus der Natur)

insgesamt 70 Mio. Euro für die gesamte Periode

2004–2005

EU neue nanotechnologische Verfahren nach dem Vorbild der Natur – STREP

ca. 6 Mio. Euro 2004–2005

BMBF Projektträger Jülich, Außenstelle Berlin

Ideenwettbewerb/Machbarkeits-studien „Bionik – Innovationen aus der Natur“ im Rahmenprogramm „Biotechnologie – Chancen nutzen und gestalten“

1 Mio. Euro 2006–2007


2.3 Ausgewählte Forschungsfelder

Die Material- und Werkstoffforschung taucht in der Bio-nik in verschiedenen Facetten auf – entweder direkt alssolche gekennzeichnet oder „untergeordnet“ in übergrei-fenden Forschungsgebieten (z. B. Perlmutt als Werkstoffin der marinen Bionik, wo eher der Bezug zum Meer alsIdeenquelle im Vordergrund steht).

Beispiel Biokeramik

Die bereits in Kapitel II aufgezeigten Abgrenzungspro-bleme zwischen „klassischer“ und „neuer“ Bionik sollenhier materialbezogen am Beispiel des mittlerweile weitgefächerten Feldes der Biokeramik verdeutlicht werden.Technische Keramik und Biologie hatten bis vor nichtallzu langer Zeit wenig miteinander zu tun. Das Kristal-line der Keramik mit ihren extrem lebensfeindlichen Her-stellungsbedingungen (Temperaturen über 1 000 °C) wareher ein extremer Gegensatz zum Biologischen undLebendigen. Mittlerweile repräsentiert die „Biokeramik“einen hochdynamischen, äußerst vielversprechendenZweig der keramikorientierten Materialwissenschaftenmit teilweise starkem bionischem Einfluss sowie explizi-tem Rückgriff auf Vokabeln wie „biogene Keramik“,„Biomineralisation“ und „biomimetische Materialsyn-these“ (IÖW/GL 2005, S. 13 f.).

Die Begriffsverwirrung war in diesem Bereich so großgeworden, dass Grathwohl – ein international renommier-ter Akteur in diesem Bereich – kürzlich den Versuch einerBegriffsklärung und Zuordnung der verschiedenen Berei-che der Biokeramik vorgelegt hat, an den sich die ver-schiedenen Akteure (zumindest im deutschsprachigenRaum) zunehmend zu halten scheinen (Grathwohl 2004,S. 16 ff.). Diese Darstellung verschafft zugleich auch ei-nen ersten Eindruck von aktuellen Gebieten der „Mate-rial- oder Werkstoffbionik“ bzw. der „biomimetischenMaterialsynthese“ (IÖW/GL 2005, S. 13 f.):

– Biofunktionale Keramiken sollten Keramiken in derEndoprothetik genannt werden (z. B. Implantate vonbzw. in Zähnen, Knochen), wenn der Herstellungspro-zess dieser Prothesematerialien nicht nach biologi-schem Vorbild erfolgt, sondern das Material nur eine„biologische Funktion“ erfüllt und ggf. noch in einebiologische Gestalt gebracht wurde. Das Ganze hatdann mit Bionik recht wenig zu tun.19

– Biogene Keramiken sollten diejenigen Keramiken ge-nannt werden, die von Organismen selbst (durch Bio-mineralisation (vgl. DFG 2005) für ihren Schutz bzw.für Stützfunktionen aufgebaut werden, also Muschel-

und Schneckenschalen, die Skelette von Kiesel-schwämmen oder von Wirbeltieren. Die Erforschungvon Struktur, Funktion und Genese dieser Schalen undSkelette gehört zur (Technischen) Biologie, soweit sie(noch) nicht auf die Lösung gesellschaftlich techni-scher Probleme ausgerichtet ist. Diese Forschungenliefern aber oft äußerst wertvolle Grundlagen für bio-nische Forschungen und Entwicklungen (s. a. Ausfüh-rungen zu Perlmutt als Bsp. für biogene Keramiken).

– Biomorphe Keramiken sollten Keramiken genanntwerden, bei deren Herstellungsprozess biologischeStrukturen formgebend wirken.20 So wird z. B. derzeitin einer interessanten Entwicklungslinie Holz zu-nächst verkohlt (karbonisiert). Die dabei entstehendenKarbonstrukturen erhalten das zelluläre Gefüge vonHolz weitgehend. Sie werden anschließend mit Kie-selsäure getränkt, wobei die Kieselsäure dann auchmit dem Kohlenstoff eine Verbindung eingehen kann(woraus dann Siliziumkarbid entsteht).21 Die Frage, obdiese Vorgehensweise bionisch ist oder nicht, ist nichtohne weiteres zu beantworten. Dagegen spricht dieTatsache, dass die materielle Umsetzung überhauptnicht bionisch ist. Die natürlichen Strukturen dienennur als formbildende Matritzen für einen Prozess undein Material ohne biologisches Vorbild. Andererseitswird jedoch durchaus auf das zelluläre „Strukturergeb-nis“ eines evolutionären Optimierungsprozesses mitBlick auf die Stabilität von Bäumen zurückgegriffen.

– Biomimetische Keramik sollten dagegen Keramikengenannt werden, deren Herstellungsprozess (Biomine-ralisation) und Ergebnis biologischen Vorbildernfolgt.22 Die von der wissenschaftlichen Aufklärungder Biomineralisation profitierende Template-gesteu-erte Herstellung von „biomimetischer Keramik“ setztauf Selbstorganisationsprozesse im nanoskaligen Be-reich (biomimetische Materialsynthese).23 Die von derUniversität Bremen derzeit in mehreren Projekten ver-folgte Herstellung von künstlichem Perlmutt für ver-schiedene Einsatzgebiete in der Oberflächentechnikgehört hierher und das Projekt eindeutig zur Bionik(Universität Bremen 2005).

19 Ein Problem dieses Vorschlags liegt allerdings darin, dass der Begriffbiofunktional in der Endoprothetik auch als Steigerungsform vonbiokompatibel gebraucht wird. Als biofunktional werden dabei Ober-flächen bezeichnet, die nicht nur keine toxische oder Immunreaktionhervorrufen (das wäre dann Biokompatibilität), sondern die z. B. inder Lage sind die Proteinexpression oder das Zellwachstum zu unter-stützen bzw. zu verbessern. Letzteres kann durch Nanostrukturierungund dabei auch durch Trägerfunktion für bestimmte Stoffe geschehen(vgl. z. B. Aachener Kompetenzzentrum (2005, S. 580), und VDI-TZ(2004a, S. 117).

20 Hier taucht das Problem auf, dass wichtige Akteure auf diesem Feldbisher hier mit dem Begriff der »biogenen Keramiken« gearbeitet ha-ben (insbesondere am Fraunhofer IKTS in Dresden; vgl. IKTS 2006).Es sieht allerdings danach aus, dass sich das in jüngster Zeit ändert(vgl. Hoppe 2000; IKTS 2004 sowie die Arbeitsgruppe umProf. Greil an der Universität Erlangen-Nürnberg). Letztere verwen-dete für dieses Vorgehen allerdings (ebenfalls wie die EMPA in derSchweiz) oft den Begriff der Biomimetik, der für dieses Verfahren(ohne echten Template-gesteuerten Selbstorganisationsprozess) nichtangewendet werden sollte.

21 Vgl. zu Details z. B. die Arbeiten der in der vorigen Anmerkung an-gesprochenen Arbeitsgruppen.

22 Der Begriff „biomimetische Keramik“ wird bisher nicht verwendet,allerdings die Begriffe „biomimetische Werkstoffe“ und »biomimeti-sche Knochen« schon (Europäisches Industriemuseum 2005). DasHerstellungsverfahren wird allerdings „biomimetische Materialsyn-these“ genannt (Pompe et al. 1999, Pompe 2004).

23 Vgl. für einen ersten Überblick Greil (2002) sowie die Ausschrei-bung „Biomimetische Werkstoffe“ im Rahmen des Programms„Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. JahrhundertsMaTech“ des BMBF (2000).


– Biocere schließlich sind Verbundeinheiten aus einer„biofunktionstüchtigen“ (lebenden) biologischen undeiner anorganischen Komponente (wobei das dabeizugrunde gelegte Prinzip der Immobilisierung in derBioverfahrenstechnik schon eine lange Tradition hat).Neu ist hier die Herstellung eines keramisch-biologi-schen Verbundmaterials mit „bioaktiven“ Komponen-ten – was nur mit Sol-Gel-Verfahren möglich ist. Diebiologische Komponente kann dabei von der moleku-laren Ebene (z. B. Zellwandproteine, Enzyme, DNA)bis zu lebenden Bakterien oder Pilzen reichen. Wennes bloß um eine besonders intelligente „Nutzung vonOrganismen und deren Funktionseinheiten“ geht, han-delt es sich um Biotechnologie und nicht um Bionik.Wenn es aber um mehr geht als um Immobilisierungund Behausung, wird es schon schwieriger: Wie wirdz. B. der interaktive Verbund zwischen einem Compu-terchip und einer Nervenzelle genannt? Bereits die Bio-keramik, als das Zusammenwachsen von Keramik undBiologie könnte man im Sinne von „converging tech-nologies“ interpretieren. Spätestens mit dem interakti-ven Verbund von Computerchip und Nervenzelle(Kap. V.2) aber sind wir vollständig in diesem Bereichangekommen (der sehr viel mit Bionik zu tun habenkann).

Beispiel Perlmutt

Perlmutt ist Gegenstand der Forschung, weil es sichdurch eine hohe Härte und gleichzeitig hohe Bruchfestig-keit auszeichnet (Nachtigall 2002). So hat Perlmutt, ob-wohl zu 97 Prozent aus Kalk bestehend, eine tausendfachhöhere Bruchfestigkeit als dieser (MPG 2005). Perlmutt– also die innere Schicht von Molluskenschalen (z. B.Seeohrschnecken) – ist ein Verbundwerkstoff (bzw. Kom-positwerkstoff), der durch Biomineralisation entstandenist. Er besteht aus einer regelmäßigen Anordnung vonetwa 500 nm dünnen Plättchen aus Aragonit (Kristallformvon Calciumcarbonat). Zwischen den Plättchen befindetsich eine etwa 40 nm dicke organische Schicht (organi-sches Biopolymer), die die Plättchen quasi miteinanderverkittet. Obwohl diese organische Schicht nur etwa ei-nen Anteil von 3 Prozent am Gesamtgewicht hat, ist sieentscheidend für die Materialeigenschaften des Perlmutts(Universität Bremen 2006a). Denn dieser Verbundwerk-stoff besitzt mechanische Eigenschaften, die die Eigen-schaften der einzelnen Komponenten weit übertreffen.Zudem ist das Material korrosionsresistent gegenüberSeewasser.

Perlmuttschalen und -gehäuse werden von Muscheln undSchnecken als Biomineral zum Zwecke des Fraßschutzesaufgebaut. Aus dem überreichen Kalkangebot der Meerekristallisieren sie diese biogene Keramik mit einem hoch-geordneten nanoskaligen Gefüge, wie es technisch bishernicht realisierbar war (Universität Bremen 2006b). Perl-mutt ist u. a. zäher als heutige Industriekeramik. Die ausdem Verständnis dieses Prozesses der Biomineralisationabgeleiteten Strukturregeln werden für die Entwicklunghochzäher Keramiken in Form von Folien, Membranen,Gerüststrukturen und hochtexturierten Beschichtungengenutzt.

Mögliche Einsatzgebiete werden auch im Bereich derMedizintechnik (Implantatwerkstoffe) gesehen, da heuteverwendete nicht keramische Werkstoffe oft problema-tisch bezüglich ihrer Biokompatibilität sind. Ihre Bevor-zugung gegenüber Keramik liegt in der eingeschränktenZuverlässigkeit spröder Werkstoffe (wie Keramik) be-gründet. Für die großtechnische Umsetzung perlmuttähn-licher Keramikstrukturen wird für Bauteile eine hoheSchadenstoleranz angestrebt, wobei stoffliche Zusam-mensetzung und Oberflächenbeschaffenheit unter physio-logischen Gesichtspunkten noch zu optimieren sind (Uni-versität Bremen 2006b). Vielversprechend sind auchPerlmuttwandfarben als hochtexturierte, abschiefernde(Verlust-)Beschichtungen für Einsatzbereiche im Fassa-denschutz (Antigraffiti) und im Schiffbau (Antifouling).Um auf der Basis der naturwissenschaftlichen Aufklärungmolekularbiologischer Prinzipien der Perlmuttbildung inder Schnecke zu technischen Lösungen zu kommen, mussdie Grundlagenforschung zur Biomineralisation aller-dings noch eine gewisse Reife erlangen.

Beispiel smart materials

Ein interessantes Themenfeld ist das der „intelligenten“Materialien. In der Natur haben sich Strukturen herausge-bildet, die sich an verändernde Umweltbedingungen an-passen können. Solche Materialien werden „smart mate-rials“ oder auch „adaptive Werkstoffe“ genannt.

Selbstreparatur – also Wundheilung – ist solch ein typi-sches, anpassendes Merkmal aller Lebewesen. Sie tritt inverschiedenen Ausprägungen bei allen Pflanzen und Tie-ren auf. Beispiele sind die Narbenbildung in der Haut,Kallusbildungen bei Bäumen24 und Reparaturvorgängebei krautigen Pflanzen. So hat man bei Lianen beobachtet(und bei Bohnenpflanzen verifiziert), dass bei einer Ver-letzung (z. B. zu 2/3 durchtrennter Halm) eine schnelleSelbstreparatur einsetzt, die letztendlich zur Wiederher-stellung der vollwertigen mechanischen Eigenschaftenführt (Biegsamkeit, Tragevermögen).25 Der natürlicheRissverschluss erfolgt zunächst mit Zellen aus dem um-liegenden Grundgewebe, indem diese in den Riss hinein-quellen. Ein anschließend einsetzendes zusätzliches Zell-wachstum führt zu einem „Wundverschluss“. Sobalddiese Zellen „verholzen“, ist die frühere Flexibilität derPflanze (Mechanik) nachweisbar wiederhergestellt. DieUntersuchungsergebnisse legen nahe, dass in der frühenPhase der Selbstreparatur bei Lianen und krautigen Pflan-zen überwiegend physikalisch-chemische Prozesse invol-

24 Über die Baummechanik, variable Steifigkeiten etc. existiert eineumfangreiche Literatur (u. a. Mattheck 2003).

25 Dies stellt hier – mit Bezug zum Kapitel II – exemplarisch den erstenSchritt bionischen Lernens dar: das Erkennen und Nachvollziehendes Naturvorgangs. Im zweiten Schritt muss dann ein Modell entwi-ckelt werden (z. B. ein prinzipielles Funktionsmodell für selbstrepa-rierende Membranen). Im dritten Schritt erfolgt dann die praktischeUmsetzung in verschiedenen Stufen (z. B. beginnend mit einemPilotmodell einer beschichteten Membran mit Polyurethan-Schaum,unter Überdruck ausgehärtet, der Löcher bis zu 5 mm faktisch ab-dichtet, so dass der Luftaustritt um 2 bis 3 Größenordnungen ver-langsamt wird – im Vergleich zu „ohne Verschluss“). Zukünftig gehtes, neben der weiteren Optimierung des Verschlussverfahrens, umdie Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften der Membra-nen (Speck et al. 2006).


viert sind, was für eine Umsetzung in technische Pro-dukte von Vorteil ist. Derzeit werden aufbauend aufdiesem Prinzip selbstreparierende Membranen für techni-sche Anwendungen entwickelt. Erste Erfolge gibt es für„Verletzungen“ in pneumatischen Strukturen. Zukünftigsoll dieses Konzept für alle weichen Strukturen einsetzbarsein (Speck et al. 2006).

Ein anderer „anpassender“ Ansatz ist das in vielen biolo-gischen Strukturen zu findende Zusammenspiel von Sen-sor, Steuereinheit und Aktuator. Beispielsweise verfügtdie menschliche Hand über einen Tastsinn, das Gehirnverarbeitet die Information dieser Drucksensoren undsetzt diese in Steuersignale für die Aktuatoren (z. B.Hand- und Armmuskeln) um. Ein relativ neues Ziel tech-nischer Entwicklung sind daher Materialien, die sich –ebenfalls mit Sensoren, Aktuatoren und Steuerungen aus-gestattet – ähnlich wie biologische Systeme „verhalten“und daher an veränderte Umgebungsbedingungen anpas-sen können. Beispiele sind hier Entwicklungen im Be-reich der Biomechatronik – etwa biologisch inspiriertesLaufen (Buehler et al. 2006) oder bionisch inspirierte Ro-boterarme (Klug et al. 2006).

Das „Prinzip der Selbstorganisation“ ist in der Natur weitverbreitet. Die in diesem Zusammenhang verwendetenBezeichnungen wie „adaptiv“ und „Selbstheilung“ sindnicht bionikspezifisch, sie werden z. B. auch im Zusam-menhang mit dem Einsatz von Nanotechnologien ver-wendet. Das Themenfeld „Nanobionik“ wird in KapitelV.1 behandelt.

Von den anpassungsfähigen Materialien wird ein hohesPotenzial für technische Anwendungen erwartet. Inzwi-schen gibt es neben den oben genannten eine Reihe vonEntwicklungen, z. B. Materialien die den Piezoeffekt nut-zen26 (Analogie: Nervenimpulse) und bei entsprechenderAnsteuerung als Vibrationsdämpfer27 bei Fahrzeugen ein-

gesetzt werden können, oder auch polymere Gele (Analo-gie: Gele von Quallenschirmen), die bei Anlage einerelektrischen Spannung Formänderungen ausführen undumhüllende Membranen unter Zugspannung setzen (Bsp.Flossenantriebe). Hintergrund ist hier, dass Polymere alsauch Lösemittel auf Veränderungen von Temperatur oderpH-Wert reagieren (Nachtigall 2002). Eingeordnet werdenhier auch Materialien, die in der Lage sind, Störungen imeigenen Bereich zu bemerken und anzuzeigen so wieMechanorezeptoren auf der Haut. Solch ein fein verzweig-tes Nervennetz könnte man sich in Form von Lichtleitfa-sern – nervensystemartig auf die Außenhaut von Flugzeu-gen aufgebracht – vorstellen, die feine lokaleVeränderungen (Mikrorisse etc.) monitorieren (Nachtigall2002).

Beispiel selbstreinigende, superhydrophobe Oberflächen und Materialien

Bionisch strukturierte Beschichtungen bieten mittlerweileEigenschaften, die weit über den bekannten Lotus-Effekt– also die Selbstreinigung in Verbindung mit Wasser28 –hinausgehen. So fallen hier auch Antihaftbeschichtungensowie Oberflächen zur Minimierung des Reibungswider-standes i.w.S. in diese Rubrik, da sie auf veränderten Ei-genschaften von Oberflächen – auch solche, die im Zu-sammenhang mit der „Lotus-Forschung“ gemachtwurden – aufbauen.

Die Idee – selbstreinigende Pflanzenoberflächen im bio-nischen Sinne auf technische Produkte zu übertragen – istAnfang der 1990er Jahre von Prof. Wilhelm Barthlott ent-wickelt worden. Hier geht es um den Lotus-Effekt29, zudessen Nutzung mittlerweile ca. 200 Patente angemeldetwurden (Andres 2005; Barthlott 2005 u. 2006). Beispieleaus der Praxis sind selbstreinigende Fassadenfarbe, dieals erstes Produkt 1999 am Markt eingeführt wurde undheute international vertrieben wird (Lotusan®, Fa. StoAG), selbstreinigender Putz (Fa. Sto) oder auch selbstrei-nigende Dachziegel (seit 2004 von der Fa. Erlus Bau-stoffe AG vertrieben (Bauzentrale 2004). Der Lotus-Ef-fekt wird auch in den Formgebungsprozess vonKunststoffbauteilen integriert (Fa. Degussa), wobei ersteSpritzgießteile mit selbstreinigender Oberfläche30 ohnezusätzlichen Verarbeitungsschritt mit PP, POM, ASA,

26 So zeigen Knochen beim Biegen lokale piezoelektrische Effekte,welche bei der Ausheilung von Brüchen eine Rolle spielen (Nachti-gall 2002, S. 86).

27 Gemeint sind hier multifunktionale Verbundwerkstoffe, die selbstän-dig in der Lage sind, Schwingungen zu dämpfen und den damit ver-bundenen Lärm zu reduzieren: Sensoren registrieren die Schwingungim Material, das Sensorsignal wird von einem Regler verarbeitet, derintegrierte Aktuatoren so ansteuert, dass die Bewegung umgehendabgedämpft wird. Verwendet werden dazu mikrometerfeine piezoe-lektrische Fasern aus Keramik, die mechanische oder thermischeSpannungen in elektrische Signale umsetzen. Wird umgekehrt eineelektrische Ladung angelegt, können die Fasern sich dehnen oder zu-sammenziehen. Die piezoelektrischen Fasern müssen allerdings sehrdünn sein. Bei einem Durchmesser oberhalb von 30 Mikrometerkönnten sie die Eigenschaften des Grundwerkstoffs – etwa Festigkeitund Steifigkeit – nachteilig beeinträchtigen. Der komplette Verbund-werkstoff setzt sich schließlich aus Stapeln aktiver und passiver Ein-zelschichten zusammen und besitzt sowohl sensorische als auch ak-tuatorische Eigenschaften. Wird zum Beispiel ein Pkw-Dach auseinem solchen Werkstoff aufgebaut, kann es sehr dünn sein, also denaktuellen Anforderungen nach Leichtbau entsprechen, und trotzdemden Komfort für die Insassen erhöhen, denn es senkt den Lärmpegelim Fahrzeug enorm. Weitere innovative Anwendungen werden dis-kutiert: Satellitenantennen, die sich im Orbit von selbst nachjustierenoder die Reduzierung der Lärmbelastung von Patienten in bislangnoch sehr lauten Magnetresonanz-Untersuchungsgeräten (VDI2006).

28 Der auf dem Selbstreinigungsprinzip spezieller Pflanzenblätter basie-rende Lotus-Effekt stellt eine Kombination superhydrophober undselbstreinigender Oberflächeneffekte dar. Realisiert werden diese Fä-higkeiten durch eine spezielle nanostrukturierte Oberfläche in Kom-bination mit einer darunter liegenden Makrostruktur. Nur so könnenneben großen Kontaktwinkeln auch niedrige Abrollwinkel (für Was-sertropfen) realisiert werden, was für eine vollständige Selbstreini-gung ausschlaggebend ist.

29 Ursächlich für den Lotus-Effekt ist, dass die Oberflächenstruktur, dieverhindert, dass Pilzsporen auf der Oberfläche haften bleiben, bei derLotus-Pflanze besonders effektiv ausgeprägt ist (nach Barthlott2006).

30 Ein Nachteil der momentan herstellbaren Lotus-Effekt-Schichten istihre fehlende Oberflächenverschleißfestigkeit. Der selbstreinigendeEffekt ist derzeit insoweit temporär, als er beispielsweise auf Kunst-stoffgeschirr aufgebracht, einen Spülwaschgang nicht aushält(Michel 2006).


PE-HD und PBT31 realisiert wurden (KI 2005). Dies lässteine serientechnische Umsetzung und damit eine breitereAnwendung in naher Zukunft realistischer erscheinen(nach UMSICHT 2005). Weitere Forschungsarbeiten lau-fen hinsichtlich der Entwicklung eines superhydropho-ben, technischen Textil (Cerman et al. 2004).

Ein weiteres bekanntes Beipiel – eher mit Bezug zu Ver-minderung des Reibungswiderstandes – sind die sog. Rib-let-Folien32 für Flugzeuge. Diese bewirken eine Verän-derte Reibung auf der Außenhaut von Flugzeugen unddamit eine Treibstoffersparnis von bis zu 8 Prozent (wasbis zu 15 Passagiere mehr pro Flug ermöglichen würde).Allerdings ist die technische Umsetzung bis heute nichtwirklich gelungen (Folie muss manuell aufgeklebt wer-den), und sie ist nicht reibungsresistent (z. B. bei Repara-turarbeiten am Flugzeug) (Barthlott 2006).

Beispiel Kleben und Haften

Klebstoffe, die blitzschnell aushärten, die an Eis klebenoder solche mit Zementhärtungseigenschaften bis hin zuHybridklebstoffen zum funktionalen Kleben und Lösen,sowie solche mit hochadhäsivem Klebevermögen unterextremen Umweltbedingungen – hier bieten sich natürli-che Klebelösungen für das technische Kleben (Fügengleicher oder ungleicher Werkstoffe unter Verwendungeines Klebstoffs) an. Die Forderung technischer Anwen-der etwa nach einem Kleben ohne Vorbehandlung erfül-len einschlägige Naturlösungen seit langem. Zudem sindalle in der Natur verwendeten Klebstoffe umweltverträg-lich. Exemplarische Anwendungsbereiche sind die Ver-packungsindustrie, die Bauindustrie (z. B. Kleben vonBodenbelegen) und der Medizinbereich (Gewebechirur-gie, Zahnmedizin, Prothetik) (Nachtigall 2002, S. 89).

In der Klebetechnik gibt es eine Reihe ungelöster Frag-stellungen wie das Kleben unter bzw. in Anwesenheit vonWasser, der Einsatz von Klebstoffen in der Medizin (dielebende Gewebe kleben und zudem biokompatibel sind)sowie lösbare Klebeverbindungen. In der Natur existierenOrganismen, die derartige Klebesysteme besitzen. Des-halb stellt ein biomimetischer Ansatz für die genanntenFragestellungen eine grundsätzliche Lösungsstrategie dar(IFAM 2006a). Beispielsweise bilden maritime Organis-men extrem stabile, adhäsiv vielseitige und in (Salz)Was-ser aushärtende Klebesysteme an. Derzeit ist ein sog.„Miesmuschelklebstoff“33 verfügbar. Durch Verwendungdes originären Biomaterials (Gewinnung aus Miesmu-scheln) kann der Klebstoff allerdings nicht der Bionik(s. Kap. II) zugeordnet werden, auch wenn diese Proteinesehr gute Hafteigenschaften aufweisen. Der bionischeAspekt käme zum Tragen, wenn der Klebemechanismusauf eine technische Anwendung übertragen werden

könnte. Beispielsweise wird derzeit an Hybridklebstoffengeforscht, die ein „synthetisches Rückgrat“ aufweisen(z. B. aus synthetischen Acrylaten bestehen) und mit Pro-teinsegmenten modifiziert werden (d.h. nur Verwendungder Segmente, die klebewirksam sind34) (Rischka 2006).

Klebungen sind hier aufgeführt, da sie beispielhaft für ei-nen „Dualismus“35 stehen, der im Zusammenhang mit bi-onischem Lernen öfter auftaucht: einerseits das Kleben(Verbinden) und andererseits das Lösen, technisch ein-setzbar für die Entwicklung von neuen Haft- und Anti-haftsystemen. Beispielsweise werden in der maritimenBionik Anhaftungen von Seepockenzement untersucht,der an maritimen Anlagen unerwünscht ist (Antifouling).És gibt bis heute aber keinen Klebstoff, der dauerhaft un-ter Salzwasserbedingungen haftet. Das Verständnis derAdhäsionsmechanismen (z. B. der Seepocke) könnte zumHaften auf glatten Oberflächen genutzt werden, wobeider „Klebstoff der Seepocke“ für permanentes Kleben ge-eignet wäre. Erkenntnisse zum Klebemechanismus kön-nen darüber hinaus für die Gestaltung von Oberflächengenutzt werden, die Antihaftungseigenschaften aufweisensollen.

Ein Problem für die Nutzung zum Kleben, dass zumeistein physischer „Haftvermittler“, der eigentliche Kleb-stoff, notwendig ist. Für die Überführung von „bioni-schen/biomimetischen Klebstoffen“ in eine industrielleDimension werden seitens potenzieller industrieller An-wender Herstellungsmöglichkeiten von marktrelevantenMengen zu marktgängigen Preisen gefordert, was bishernicht umsetzbar war. Andererseits ist zu bedenken, dassmöglicherweise weniger Klebstoff für eine vergleichbareHaftung notwendig sein könnte als bei heutigen Syste-men. Hintergrund für die intensive Suche nach neuen Lö-sungen ist die Tatsache, dass Verbindungstechniken wieSchweißen oder Kleben kostenintensive Prozesse sind:Einmal auf diese Weise verbundene Bauteile lassen sichbei Reparaturen oder einem späteren Recycling nichtmehr ohne Materialverlust voneinander lösen.

Neben dem Kleben mit Haftvermittler geht es in diesemBereich auch um klebfreies Haften (wieder ablösbareVerbindungen zwischen Materialien/Oberflächen). Ge-forscht wird daher auch an Haftsystemen, die es erlauben,reversible feste Verbindungen von Werkstoffen ohneSchweißen oder Kleben aufzubauen. Ausgangspunkt istdie Fähigkeit von Insekten und Geckos, kopfüber selbstauf glatten Flächen laufen zu können. Die Laufflächendieser Tiere sind mit feinsten Häärchen überzogen, die

31 Abkürzungen: PP=Polypropylen; POM=Polyoxymethylen; ASA=Acry-nitiril/Styrol/Acrylester; HD-PE=High-Density Polyethylen; PBT=Poly-butylenterephthalat

32 Bionische Basis ist hier ein Modell der Haifischhaut.33 Die Vertriebsbezeichnung lautet „cell-tak“ (BD Biosciences 2006,

USA). Der Preis für das biologische Material liegt bei ca. 160 US-Dollar/mg (Rischka 2006).

34 Zentrale Forschungsgebiete sind das Verständnis von Protein-Prote-in- und Protein-Oberflächen-Wechselwirkungen unter Berücksichti-gung der hierbei ausgebildeten molekularen Adhäsionsmechanis-men. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse werden für dieEntwicklung von Peptid-Polymer-Hybriden auf der Basis von Mefp-Peptiden der Miesmuschel genutzt. Es wird daran gearbeitet, dieWirkprinzipien auf voll-synthetische Materialien zu übertragen. An-wendungsgebiete für Proteinklebstoffe ergeben sich hierbei nicht nurim Bereich des „Klebens unter Wasser“, sondern insbesondere in derMedizin, also zum Kleben von Wunden (IFAM 2006b).

35 Ein weiteres Beispiel für einen „Dualismus in der Bionik“ könnteman in der Entwicklung von selbstschärfenden Schneidwerkzeugensehen (vgl. FN 4).


extrem hohe Adhäsionskräfte besitzen. Aus der Analyseder Zusammenhänge zwischen Struktur und Haftverhal-ten auf glatten und rauen Flächen entwikkelten Material-wissenschaftler allgemeine Gesetze für das Verhalten sol-cher Verbindungssysteme (Arzt/Gorb 2005). Meistensbraucht man auch hier noch einen Kontaktvermittler (istauch bei den Tieren der Fall) (Gorb 2006). Neueste For-schungsergebnisse zeigen jedoch, dass diese Kontakteauch ohne die Zugabe von Flüssigkeiten funktionierenkönnen (biopro 2006).

3. Ausgewählte Anwendungsfelder

Neue Erkenntnisse in der Materialentwicklung wirkensich häufig in unterschiedlichen Technologiefeldern aus.Im Folgenden werden exemplarisch ausgewählte Anwen-dungspotenziale mit Materialbezug im Automobilbau undin der Bautechnik thematisiert. Die beiden Bereiche zei-gen auch, dass „Material und Konstruktion“ thematischzusammengehören, so dass hier auch auf konstruktiveAspekte eingegangen wird.

3.1 Automobilbau

Der Automobilbau ist traditionell eine „High-Tech-orien-tierte“ Branche, die Spitzentechnologien relativ schnellauch einem breiten Kundenkreis zugänglich macht.

Aktuelle Trends

Der heute noch dominierende Werkstoff im Automobil istStahl mit ca. 50 Prozent. Aktuelle Tendenzen der Werk-stoffentwicklung zeigen ansteigende Anteile von Leicht-metallen und Polymerwerkstoffen, insbesondere faser-verstärkten Thermoplasten. Die Substitution vonmetallischen Komponenten durch Faserverbundbauteileist bei Verkleidungselementen, Motorträgern, Kardanwel-len und Schraubenfedern zu erkennen. Der Fahrzeugbaulässt sich insgesamt durch ein „Multi-Material-Design“charakterisieren. Zukünftige Herausforderungen werdenin der Auswahl des optimalen Werkstoffmixes gesehen(UMSICHT 2005).

Eine Schlüsseltechnologie im modernen Automobilbauist der Leichtbau – als Zusammenspiel integraler Kon-struktionsprinzipien, optimierter Auslegung, angepassterHerstellungsverfahren und zweckgerechtem Werkstoff-einsatz aller Fahrzeugkomponenten. Ziel ist u. a. dieEinsparung von Material, Gewicht und Kraftstoff-verbrauch.36 An Leichtbauentwicklungen bzw. Leicht-baumaterialien werden dieselben hohen Anforderungengestellt wie an traditionelle Materialien: Sie müssenFunktion und Sicherheit gewährleisten, eine gute Verar-beitbarkeit, akzeptable Herstellkosten und geringe Unter-haltungskosten in sich vereinen (Universität Kassel2005a).

Zukünftig sollen Automobile zudem „intelligenter“ wer-den. Dieses Ziel soll durch den Einsatz zusätzlicher elek-tronischer Komponenten und durch die Integration intelli-genter Werkstoffe (Smart Materials) erreicht werden,z. B. durch Bauteile, die sich bei ansteigender Belastungverfestigen. Anwendungsmöglichkeiten werden auch vonMetallen mit „Memory-Effekt“ erwartet. So genannte„elektro-rheologische Flüssigkeiten“ könnten in Stoß-dämpfern Anwendung finden, damit diese sich spezifi-schen Belastungen anpassen können (Universität Kassel2005b).Ein weiterer innovativer Trend im Automobilbau ist dieNanotechnologie. Das Spektrum nanotechnologischer In-novationsbemühungen reicht von bereits eingesetztenKomponenten über konkrete Entwicklungsaktivitäten bishin zu Ideen mit allenfalls langfristiger Realisierbarkeit.Zum Teil handelt es sich dabei um grundlegend neue Ent-wicklungen mit weit reichenden Auswirkungen auf dasProdukt. Nanotechnologische Entwicklungen können inallen Subsystemen bzw. Komponenten des Automobilseine Rolle spielen. Beispiele sind Nanopartikel als Füll-stoff in Autoreifen (realisiert, Weiterentwicklung), Anti-reflexbeschichtungen (realisiert), nanopartikelverstärktePolymere und Metalle (Entwicklungsphase, zum Teil re-alisiert), nanotechnologisch modifizierte Klebetechnikenund Haftvermittler (in Entwicklung), katalytische Nano-partikel als Zusatz in Kraftstoffen (Forschungsstadium),nanoporöse Filter zur Minimierung der Emission von Par-tikeln im Nanometerbereich (Zukunft), hydrophile Ober-flächenschichten als Antibeschlagschichten (Zukunft),„selbstausheilende“ Lacke, z. B. durch Selbstorganisation(allenfalls langfristig) (TAB 2003).

Bionische LösungenDie Erwartungen der Automobilbranche an die Bioniksind soweit ausgeprägt, dass es bereits konkrete Umset-zungen gibt. Ansatzpunkte für fahrzeugtechnische An-wendungen liegen in der Konstruktion nach bionischemVorbild (Stichwort optimierter Leichtbau), in der strö-mungstechnischen Optimierung von Fahrzeugen sowie inder Optimierung einzelner Komponenten. Beispiele hier-für sind die lt. Fahrzeughersteller nach einem biologi-schen Vorbild optimierte Form eines Konzeptfahrzeuges(Bionic-Car), spezielle Felgenentwicklungen oder auchdie Reifenprofiloptimierung.Das sog. „Bionic-Car“ hat optische Analogien zum Kof-ferfisch37; es weist einen ähnlichen cW-Wert auf, vergli-chen mit dem aerodynamisch berechneten Kofferfisch-modell (Mercedes-Benz 2005), welcher imKleinwagenbereich bisher nicht erreicht wurde. Für dieKonstruktion der Karosserie wurde eine weiterentwi-ckelte Software (SKO-Methode38, Soft Kill Option) ver-

36 Bis 2011 wird eine Gewichtsreduktion um 30 Prozent prognostiziert,was einer potenziellen Einsparung von 1,6 Litern pro 100 Kilometerentspricht (Zschech/Rauh 2001).

37 Zu Analogien zum Kofferfisch als Formvorbilder für wendige Unter-seeboote und widerstandsarme Kraftfahrzeuge s. a. Nachtigall (2002,S. 202 f.).

38 Das Computerprogramm zur Optimierung von Bauteilen wurde ur-sprünglich von Prof. Mattheck vom Forschungszentrum Karlsruheentwickelt. Dieses orientiert sich ebenfalls an der Natur, wobei nachdem „Vorbild von Fresszellen“ im menschlichen Körper, die etwa inKnochen Material an wenig belasteten Stellen abbauen, in mehrerenStufen z. B. die Karosserie reduziert wird.


wendet, wobei mittels Computersimulation Werkstoff inBereichen mit geringer Belastung weicher gestaltet undim Ergebnis völlig herausgeschnitten („gekillt“) wird. Einähnliches Verfahren wird auch von der Fa. BMW zur Op-timierung von Motorradfelgen genutzt. Diese wurden imErgebnis etwa 20 Prozent leichter gestaltet (Szentpétery2005).Beispiele für die Nutzung biologischer Vorbilder findensich auch in der Reifenentwicklung. Lt. Hersteller wurden– um die Kraftverteilung des Reifens auf der Straße wei-ter zu optimieren – beispielsweise die Füße des Baum-froschs sowie von Katzen analysiert. Das Ergebnis wirdmit einer besonderen Profilform und verbesserten Kraft-übertragung39 beim Bremsen beschrieben (Andres 2005;Burgdorf 2001; Mundl/ Stache 2005). Zum Stichwort„smart materials“ gibt es Entwicklungen, Verletzungenbei pneumatischen Strukturen automatisch abzudichten(z. B. der Autoreifen „Protetis“ der Fa. Kléber, wo einehochelastische Polymerbeschichtung Verletzungen dauer-haft abdichten soll) (Speck et al. 2006).

Ein schon länger am Markt verfügbarer Werkstoff istSchaumaluminium, das als Sandwichkonstruktion hoheFestigkeiten mit niedrigem spezifischem Gewicht (1/10des Vollmaterials) verbindet. Die Anbindung an die Bio-nik wird darin gesehen, dass das Konstruktionsprinzip inAnlehnung an natürliche Knochengewebe aufgebaut ist.40

Automobilhersteller setzen Metallschäume z. B. für dieProduktion von PKW-Frontscheiben ein (UMSICHT2005.)

Weiterhin sind insbesondere für zukünftige Anwendun-gen als Ideengeber die folgenden Themenfelder interes-sant:

– Strukturen und Materialien pflanzlicher Achsen: Alsbiologische Vorbilder für Leichtbaukonstruktionenkönnten z. B. die des Winterschachtelhalms (Equise-tum hyemale) und des Pfahlrohres (Arundo donax)dienen. Ein derzeit entwickelter Werkstoff ist aus PU-Schaum und Hanfgewebe aufgebaut und vereint ver-schiedene Prinzipien des Winterschachtelhalms unddes Pfahlrohrs. Er zeichnet sich, bezogen auf das spe-zifische Gewicht, durch sehr hohe Biegesteifigkeiten,ausgeprägte dynamische Belastbarkeit und Dämpfungaus (Harder 2005; Speck et al. 2005).

– Adaptive und selbstreparierende Werkstoffe (etwaauch auf Basis von Pflanzenhalmen): So zeichnen sichAchsen von Süßgräsern und Schachtelhalmen durchvariable Steifigkeiten aus, die aus ihrer Konstruktions-weise, ihrer inneren Struktur und dem veränderbarem

Innendruck spezieller Zellen resultiert. Für die techni-sche Umsetzung sind auf äußere Einflüsse anpassbareWerkstoffe denkbar, z. B. im Automobilbau als vari-able Bauteile, wie Spoiler, die sich wechselnder Aero-dynamik anpassen können (UMSICHT 2005, S. 107).

– Selbstreinigende Oberflächen: Systeme, die auf demLotus-Effekt basieren, stehen hier in Konkurrenz zu„easy-to-clean“-Systemen auf Nanobasis. Bei konkur-rierenden Systemen werden nanoporöse Strukturendurch Sol-Gel-Prozesse an der Oberfläche ausgeprägt.Diese Beschichtungen sind gegenüber der bionischenAusführung jedoch kratzfest und transparent und stel-len trotz ihrer geringeren Effizienz als Glasbeschich-tungen den Stand der Technik am Automobil dar. Anweiterführenden Entwicklungen zur Überwindung derNachteile der bionischen Ausführung arbeiten ver-schiedene Firmen41 (u. a. BASF AG, Degussa) (BASF2002; Frisch 2004, Küppers 2004; UMSICHT 2005d).

– Oberflächentechnik: z. B. werden Mottenaugenstruk-turen zur Entspiegelung von Kunststoffbauteilen ge-nutzt. Über holographische Strukturierung lassen sichgroßflächige Prägestempel mit künstlichen Mottenau-genstrukturen herstellen, wodurch sich Mottenaugen-strukturen über verschiedene Replikationsverfahren inKunststoffe abformen lassen. Das Verfahren wird ak-tuell zur Entspiegelung von transparenten Abdeckun-gen im Automobil durch die Robert Bosch GmbH biszur Serienreife geführt. Ein Hemmnis bei der Mark-teinführung stellt die so genannte Fingerprintproble-matik dar: Durch Fingerabdrücke verliert die Oberflä-che ihre optische Wirkung. Bei konventionellen Anti-Reflex-Beschichtungen können diese trocken abge-wischt werden, beim Mottenaugeneffekt muss das Fettnass mittels Wasser und Tensid aus der nanometerfei-nen Struktur entfernt werden (FhG-2005; UMSICHT2005d).

– Kleben: Kleben statt Schweißen ist auch im Automo-bilbau ein wesentliches Thema (Kesel 2005). Bio-nische Lösungen könnten auch hier verwendet wer-den, wobei der Entwicklungsstand momentan nocheher in der Grundlagenforschung angesiedelt ist.

An den aufgeführten Beispielen ist ersichtlich, dass derÜbergang zu Phänomenen der Nanotechnologie fließendist (z. B. Oberflächenphänomene). Bionische Aspekte,die zu Fortschritten im Automobilbau geführt haben, sindhauptsächlich im konstruktiven Bereich (Leichtbaustruk-turen) zu finden. Inwieweit in den aufgeführten Produk-ten alle benannten Beispiele auch wirklich Aspekten des„bionischen Lernens“ gefolgt wird (oder diese eher als

39 Die Katzenpfote macht sich beim Bremsen breit und überträgt dahermehr Kraft auf den Untergrund als beim normalen Laufen. Diese Ei-genschaft wurde mittels eines neuartigen Verfahrens, auf den Reifenübertragen und im Ergebnis der Bremsweg verringert.

40 Ähnliche Strukturen sind in Knochen zu finden. Hier besteht dasschwammartige Gerüstwerk aus feinen Knochenbalken, den sog.Spongiosa, die an bestimmten belasteten Stellen im Knochen entlangder Spannungstrajektorien ausgerichtet sind. Spongiosa sind zudemin der Lage, sich bei Änderung der Belastung relativ schnell neuauszurichten, was Aluminiumschäume allerdings nicht können(Rechberger 2006).

41 Eine serientechnische Umsetzung von Kunststoffbauteilen mit Lo-tus-Struktur wurde kürzlich von der DEGUSSA AG erreicht. Dabeibewirken Nanopartikel eine Strukturierung der Oberfläche. Die Na-nopartikel werden auf die Oberfläche konventioneller Spritzgießfor-men gesprüht. Nach erfolgtem Einspritzprozess sind die Partikel imWerkstoff verkrallt. Zurzeit wird an Lösungen mit anderen Kunst-stoffverarbeitungsprozessen wie Extrudieren, Tiefziehen und dem fürden Automobilbau bedeutenden Sinterprozess geforscht. Zukünftigsollen Lotus-Effekt-Partikel direkt in das Material eincompoundiertwerden können (KI 2005).


Marketingmaßnahme aufzufassen sind), lässt sich imRahmen dieser Vorstudie nicht abschließend beurteilen.Offen bleibt in den meisten Fällen, wie eine Gesamtbi-lanz (z. B. Ökobilanz, die die energetische Seite sowiedas Recycling integriert) des Produktes aussieht. Hier be-steht sicher noch Forschungsbedarf.

3.2 Bautechnik und Architektur

Beide Bereiche verbinden sich mit der Bau- oder auchArchitektur-Bionik. Auch hier gibt es bereits umgesetzteProjekte und einen deutlichen Bezug zur konstruktivenSeite.

Aktuelle Trends

Ebenso wie in der Automobiltechnik ist ein Trend zumLeichtbau zu erkennen. Allerdings soll darauf verwiesenwerden, dass in der Architektur mehr noch als in anderenBranchen eine sog. „visuelle Bionik“42 zum Einsatzkommt (Schäfer et al. 2005).

Bauwerke sollen zunächst visuell leicht und transparentsein, allerdings ohne dass ihre Funktion eingeschränktwird. Da auch funktionelle Steifigkeit und Robustheit ge-fordert wird, kommen Fortschritte auf dem Gebiet desLeichtbaus zum Tragen. Oft werden neue Entwicklungenvon der materialtechnologischen Seite ausgelöst. So ha-ben es neue Baustähle und die Entwicklung neuer hoch-fester Betontypen Architekten ermöglicht, leichter zubauen. In diesem Zusammenhang wird zukünftig Ver-bundwerkstoffen eine entscheidende Rolle zugesprochen(UMSICHT 2005, S. 108).

Als besondere Herausforderung vor dem Hintergrund desLeichtbaus und der damit verbundenen offenen Bauweisesowie verglaster Strukturen gilt die Regulierung des Ge-bäudeklimas. Neben konstruktiven Lösungen zumLuftaustausch wird eine Regulierung des Gebäudeklimasdurch innovative Materialien verfolgt. Beispielsweisekönnen so genannte „Phase Change Materials“ (PCM)Energie speichern und zeitversetzt wieder abgeben.Durch den Einsatz im Putz beispielsweise helfen sie, dieRaumtemperatur zu regulieren und Heiz- bzw. Kühlener-gie einzusparen. Gebäudehüllen werden zunehmend mul-tifunktionell. Ihre Materialien sollen die Lichttransmis-sion regulieren, aber auch Energie erzeugen können.Durch den Einsatz von Solarzellen dienen Fassaden zu-künftig auch der Energiegewinnung. Die großen Glasflä-chen moderner Fassaden erfordern zudem einen hohenReinigungsaufwand. Entsprechende Beschichtungssys-teme, die eine Selbstreinigung der Flächen ermöglichen,sind aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv. Gleiches gilt für

Beschichtungen zur Entspiegelung von Glasflächen (UM-SICHT 2005).

Der heutige Trend zu wandelbaren Bauten, die als Multi-funktionstragwerke kurzfristige Nutzungsänderungen er-lauben, soll dahingehend erweitert werden, dass Bau-werke zukünftig auch intelligente Komponenten besitzen.So sollen sich beispielsweise Brücken eigenständig wech-selnden Belastungen durch Verkehr- oder Windlasten an-passen können. Zurzeit wird versucht, adaptive Fähigkei-ten durch Integration makroskopischer Systeme inGebäudehüllen und Tragwerke zu erzielen. So werdenbeispielsweise Längenänderungen in Seilsystemen durchPressen realisiert, die über eine entsprechende Sensorikund Steuerelemente angesprochen werden. GroßeSchwingungsdämpfer könnten Hochhäuser erdbebensi-cherer machen (Innovationsreport 2005; Schlaich 2004).

Als Zukunftsvisionen sind jedoch mikroskopische unddamit werkstoffliche Lösungen angedacht: „SmartMaterials“, wie formvariable Materialien (piezoelektri-sche Keramiken und Polymere, chemostriktive und elek-troaktive Materialien), phasenveränderliche Materialien(elektrorheologische oder magnetrheologische Fluide),lichtemittierende Materialien (Photo- oder Elektrolumi-neszens), farbveränderliche Materialien (z. B. gasochro-mes Glas) und adhäsionsveränderliche Materialien(photo- oder thermoadhäsive Materialien) sollen zukünf-tig in der Bautechnik Einsatz finden (UMSICHT 2005).

Auch im Bauwesen gibt es eine Fülle von Möglichkeitenfür Anwendungen nanotechnologischer Entwicklungen.So können Siliziumdioxid-Nanopartikel in synthetischenKieselsäuren (Nanosilica) als Zusatzmittel für Spritz- undHochleistungsbeton eingesetzt werden und zur Verbesse-rung der Haftzug- und Haftscherfestigkeit zwischen Be-ton und Bewehrungsstahl beitragen. Durch nanometer-dünne Multilagenbeschichtung aus leitenden Polymerenist ein verbesserter Korrosionsschutz bei Verwendungvon Karbonstahl oder Edelstahl als Baumaterial realisier-bar. Weitere Anwendungen finden sich im Bereich derGebäudewärmedämmung (z. B. Einsatz von Fensterflä-chen zur transparenten Wärmedämmung durch Aufbrin-gen einer wenige nanometerdicken, unsichtbaren Silber-schicht), bei der Außenflächengestaltung (z. B.Einstellung von Funktionen wie Selbstreinigung, Anti-Graffiti-Schutz oder hohe Kratz- und Abriebfestigkeit beiKunststoffen durch geeignete Beschichtungen) und im In-nenbereich (z. B. Einsatz von Titandioxid-Nanopartikelnals Additive in Lacken zum Schutz vor Verfärbungendurch Kunst- und Tageslicht) (TAB 2003).

Bionische Lösungen

Für konstruktive Lösungen gibt es in der Architektur „bi-onische Klassiker“. Ein Beispiel für die „Versteifungdurch Faltung“ ist der Bau des Kristallpalastes (1851)durch Joseph Paxton. Er setzte mit seinem Konzept nachkonstruktiven Erkenntnissen um Stabilitätszusammen-hänge der Riesenseerose (Victoria amazonica) eine fürdamalige Verhältnisse extrem große Konstruktion um.Eine gefaltete Oberfläche verlieh ihr die notwendige Aus-

42 Gestalterische, formale Ideen aufgrund visueller Ähnlichkeiten mitdem natürlichen Phänomen werden i.A. nicht unter bionisches Arbei-ten gefasst. So wenig wie ein Flugzeug, das aussieht wie ein Vogel,fliegen kann, genauso wenig ist ein Hochhaus strukturell optimiert,das aussieht wie ein Grashalm. Ein Wohnhaus ist auch nicht deshalbräumlich optimiert, weil es wie eine Bienenwabe aufgebaut ist.„Visuelle Bionik“ bleibt an der Oberfläche, der erste optische Ein-druck ist ausschlaggebend, aber für den strukturellen Optimierungs-prozess wenig hilfreich (Schäfer et al. 2005).


steifung. Anlässlich der Weltausstellung von 1851 inLondon war es zudem das erste Bauwerk, das lediglichaus Stahl und Glas bestand. Auch für „Querkraftstruktu-ren“ (z. B. Konstruktion von Deckenunterschichten einesFabrikgebäudes (Gatti in Rom) durch Nervi, welche ana-logen Verlauf zu lastabtragenden Linien zeigten) und„zugbeanspruchte Konstruktionen“ (z. B. Zeltkonstruk-tionen nach Spinnenweben von Otto für den deutschenPavillon auf der EXPO 1967) finden sich Anwendungenin der Bauhistorie (Nachtigall 2003; Schäfer et al. 2005).

Im Zuge neuer mechanischer und statischer Berechnungs-methoden kann heute materialgerecht und am Kraftflussorientiert entworfen werden. Hierbei ergeben sich oft er-staunliche Analogien zu natürlichen Gebilden, wobeiweiterhin jedoch konventionelle Materialien verarbeitetwurden. Das Ergebnis eines bewussten bionischen Ein-flusses hingegen wird in der Fachwelt als „BionischeBaukunst“ bezeichnet, beschränkt sich aber bislang aufkonstruktive Elemente. Im Vordergrund stehen hier Be-lüftungskonzepte zur Bauklimatisierung, z. B. nach demVorbild des Präriehundbaus, oder solare Konzepte, diesich beispielsweise an der Bauweise von Termitenhügelnorientieren (Biokon 2005b; Nachtigall 2002; Schlaich2004).

Direkte werkstoffliche Entwicklungsansätze im Sinne derBionik sind im Bereich von Tragstrukturen zu erkennen.Hohe Lasten, die von kleinen Querschnitten getragenwerden sollen, bieten Ansätze für die Anwendung hierar-chisch strukturierter Verbundstrukturen. Hier kommenauch pflanzliche Achsen, beispielsweise die des Bam-bus43, als Ideengeber zur Entwicklung neuer Kompositein Frage. Diese befinden sich derzeit im Entwicklungssta-dium (UMSICHT 2005).

Ein Hemmnis ist in diesem Zusammenhang das im Bau-wesen übliche „Safe-Life-Konzept“, die Realisierung un-bedingter Ausfallsicherheit, wodurch die Bauwirtschafttraditionell konservativ-zurückhaltend auf neue Werk-stoffe reagiert. Aktuell ist aber eine Öffnung der Bauwirt-schaft für bionisch inspirierte Lösungen zu verzeichnen,da das Potenzial natürlicher Prinzipien zunehmend er-kannt wird. Für adaptive bzw. intelligente Bauwerke kanndie Bionik insbesondere bei der Entwicklung mikroskopi-scher materialintegrierter Systeme als Ideenquelle dienen.Aktuell werden in diesem Zusammenhang „atmende Fas-saden“ entwickelt, die nach Vorbild der Hautatmung vonAmphibien entstehen. Ziel ist es, eine gaspermeable Glas-matrix zu entwikkeln (UMSICHT 2005b).

Transparente Isoliermaterialien (TIM) wirken nach demPrinzip des Eisbärenfells.44 Durch die Kombination vonStreuung, Totalreflexion, Lumineszenz und Luftein-schluss wirkt das Fell des Eisbären als solar betriebeneWärmepumpe, welches gleichzeitig dämmt und heizt. Inder technischen Umsetzung werden dünne Glasröhrchendicht nebeneinander senkrecht auf schwarz gestrichenenBeton geklebt und mit Glasputz oder Scheiben verschlos-sen. Das Material wurde bereits vor ca. 20 Jahren entwi-ckelt. Es ist nicht eindeutig klar, ob das Eisbärenfell beider Ideenfindung im Sinne der Bionik als Vorbild gedienthat. Aktuell wird das Prinzip dahingehend weiterentwi-ckelt, dass durch saisonale Verschattung ein Überhitzenbei zu starker Sonneneinstrahlung vermieden wird. Dazuwerden spezielle Prismen als Abdeckung auf die Glas-röhrchen geklebt, wodurch erreicht wird, dass bei großenSonneneinstrahlungswinkeln ein Großteil des Lichts re-flektiert wird. In einem aktuellen Entwicklungsprojektder Firma INGLAS Innovative Glassysteme GmbH wirdversucht, die Prismenstruktur über Kunststofffolien mitMottenaugenstruktur (s. a. Kap. IV.3.1) aufzubringen.INGLAS erhofft sich so eine deutliche Kostenreduzie-rung im Vergleich zu bisherigen Lösungen (s. a. DBU2004; Nachtigall 2002; UMSICHT 2005c).

Selbstreinigende Oberflächen können an Bauwerkenheute auf verschiedene Weise aufgebracht werden sowohlals selbstreinigende Fassadenfarbe (StoLotusan Color derFa. STO AG) wie auch als Putz mit Selbstreinigungsef-fekt (StoLotusan K bzw. MP). Die Fa. CREAVIS entwi-ckelt aktuell selbstreinigende Kunststofffolien, wobei dienotwendigen Nanostrukturen über Prägeverfahren aufge-tragen werden (FHG 2005; UMSICHT 2005d). Seit Mitte2004 bietet die Firma ERLUS Baustoffwerke AG selbst-reinigende Dachziegel in drei unterschiedlichen Formenund je drei Farbtöne an. Durch den kombinierten Einsatzvon Lotus-Effekt und speziellen Nanopartikeln sowie na-türlichen Mineralien werden organische Verunreinigun-gen oxidiert und abgewaschen, ein Prozess, den Biologenals „oxidative burst“ bezeichnen (Bauzentrale 2004).

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass materialsei-tig unter bionischen Aspekten bei den „Baustoffen derZukunft“ nicht viel wirklich Neues zu finden ist. Dagegensind aus konstruktiver Sicht bionische Bauweisen nachwie vor hoch interessant. Neben der Orientierung an na-türlichen Formen bei Bauwerken, was meistens nichtwirklich unter bionischem Lernen einzuordnen ist, habensich bionische Entwicklungen bisher eher auf konstruk-

43 Neben dem Bambus als Ideengeber für neue Materialstrukturen gibtes auch die Ideen, diesen als Vorlage für ein Hochhaus zu nutzen. Der„Bionik-Tower“, der in Singapur gebaut werden soll, hat aber keinenwirklichen bionischen Bezug. „Das ist ein knapp zwei Kilometer ho-hes Bürogebäude, das ein bisschen so aussieht wie ein Bambushalm.In diesem „Bionik-Tower“ ist aber – zumindest soweit bekannt ist –wenig Bionik drin, denn wenn er tatsächlich nach dem Vorbild desBambus gebaut würde, dann hätte er bei zwei Kilometern Höhe ander Spitze eine Schwingungsamplitude von mehreren hundert Me-tern. Das wäre sicherlich nachteilig für die dort arbeitenden Men-schen« (Speck 2005).

44 Detaillierte Arbeiten zum Eisbärenhaar, die dieses beschreiben als ei-genartige, total reflektierende innere Zentralzylinder, wobei die In-sertion (Einbau) der Haare in eine dunkle Schicht der Oberhaut er-folgt, was zu einer besonderen Isolationseigenschaft des Fells führt,wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. H. Tributsch durchgeführt. Indiesen Arbeiten haben sich erstaunliche Analogien herausgestelltzwischen dem modernen Bau- und Funktionsstoff TIM und dem Felldes Eisbären. Auch wenn beide Entwicklungen getrennt verlaufensind, erlaubt einerseits die Anwendung der TIM-Prinzipien auf dasEisbärenfell ein besseres Verständnis dieser biologischen Konstrukti-on (Gesichtspunkt der „technischen Biologie“), und Eigenheiten desFells können andererseits Anregungen für weiteres technisches Ge-stalten geben (Gesichtspunkt „der Bionik“) (Nachtigall 2003, S. 35).


tive Elemente beschränkt. Auch ein „komplett bionischkonstruiertes Haus“ existiert noch nicht. Für eine weitereIntegration von Bionik in die Bautechnik müsste mansich sicherlich auch mit der „Lebenszeit von Gebäuden“befassen. Darüber hinaus wäre bei neuen Entwicklungenauch die ökologische Gesamtbilanz (energetisch, Recyc-ling der Baustoffe etc.) zu berücksichtigen.

4. Chancen und Risiken

Hier gibt es verschiedene Aspekte zu betrachten, welcheim Folgenden speziell auf den Einsatz von bionischenMaterialien und Werkstoffen bezogen betrachtet werdensollen. Die Ausführungen bauen auf UMSICHT (2005)auf.

Biologische Materialbildungsprozesse sind im Vergleichzu technischen Materialbildungsprozessen (Massenkris-tallisation, Erstarrung von Schmelzen etc.) hochkomplex.Das detaillierte Verständnis der hier zu Grunde liegendenMechanismen der Selbstorganisation von Biomolekülenetwa zu Template-Strukturen, die exakte Steuerung derÜbersättigung – als eine zwingende Voraussetzung für dieFeststoffbildung – und die Regulierung der Produktmor-phologie ist für eine technische Übertragung evident.Derzeit dominiert in diesem Bereich noch die Grundla-genforschung.

Gute Chancen für eine technische Anwendung bestehenbereits heute bei der Gestaltung von Oberflächen. Hierspielt die Tatsache, dass biologische Materialbildungs-prozesse eher langsam ablaufen, aufgrund der in vielenFällen geringen Materialmenge, die zur Einstellung be-stimmter Oberflächeneigenschaften abzuscheiden ist,keine Rolle. Vielfach ist eine Übertragung des strukturel-len Aufbaus biologischer auf technische Werkstoffe mög-lich, ohne dass dabei die Herstellung bionischen Prinzi-pien entsprechen muss.45 Insbesondere neuere technischeMöglichkeiten, die aus den Fortschritten in der Mikro-und Nanotechnologie resultieren, bieten das Potenzial,technische Materialien ähnlich hoch zu strukturieren wieihre biologischen Vorbilder. Eine Abgrenzung von nano-technologisch zu bionisch ist an dieser Stelle nicht mehrohne weiteres möglich.

Großes Potenzial für die Zukunft dürften im Bereich derOberflächen bei den bereits bekannten Effekte zur Strö-mungsbeeinflussung und Selbstreinigung sowie bei denbislang erst geringfügig bearbeiteten Mechanismen derverbesserten Abriebsbeständigkeit und Selbstheilung lie-gen. Ein ähnlich hohes Potenzial kann für bionischeMembranen und Textilien erwartet werden. Vorsichtigerzu bewerten sind die Chancen für bionische Werkstoffe inder Anwendung als kompakte Bauteile, da technischeUmsetzungsschwierigkeiten bei der Nachbildung der in-neren Struktur biologischer Vorbilder (entstanden aus lan-gen Wachstumsprozessen) zu erwarten sind.

Ein weiteres zentrales Problem stellt die Tatsache dar,dass biologische Materialien in der Regel hochstruktu-rierte Komposite sind, die aber trotzdem problemlos bio-logisch abbaubar sind. Zudem sind deren Rohstoffe breitund unkompliziert verfügbar. Eine vergleichbare Abbau-barkeit bei einer Übertragung auf heute technisch rele-vante Werkstoffe ist derzeit nur selten gegeben, was u. a.am Anforderungsprofil heutiger Werkstoffe (z. B. Sicher-heit) liegt. Darüber hinaus erschwert gerade der Kompo-sitcharakter heutiger Werkstoffe das entsprechende Recy-cling, welches für eine effiziente, ressourcenschonendeMaterialwirtschaft ein wesentliches Kriterium darstellt.Daher ist auch die Materialwahl von besonderer Bedeu-tung bei bionischer Materialentwicklung.

Eigenschaften biologischer Materialien, die zumindestteilweise auch bei der Übertragung auf technische Materia-lien erreicht werden sollen und aus denen sich die Hoff-nung speist, dass bionische Materialien auch nachhaltigeMaterialien sein können, sind: Multifunktionalität, modu-larer bzw. hierarchischer Aufbau, adaptive und nicht toxi-sche Eigenschaften, ressourceneffiziente Auslegung,kreislauffähiges Recycling, Opportunismus in der Materi-alauswahl. Daraus ließe sich dann auch eine entspre-chende Wirtschaftlichkeit bei Herstellung und Nutzungableiten. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, dasssich bei der bionischen Übertragung einer biologischenLösung auch der Kontext ändert und die Eingepasstheitder technischen Lösung in diesen Kontext nicht per se ge-geben ist. Um dies dennoch zu erreichen, wäre eine um-fassende Ähnlichkeitsbetrachtung bei der bionischenTransformation erforderlich, die die Verfügbarkeit derRessourcen und ihre ökotoxikologischen Wechselwirkun-gen mit der Umgebung einbezieht. Damit würde derÜbertragungsvorgang deutlich an Komplexität zuneh-men. Momentan geht es in vielen Fällen jedoch nochmehr um das Grundverständnis biologischer Vorgänge.

Gute Einsatzchancen wiederum haben konstruktive An-sätze, die bionisches Wissen etwa für Leichtbaukonstruk-tionen verfügbar machen. Hier sind bereits Computersi-mulationen im Einsatz (z. B. SKO-Methode), die denMaterialbedarf für gegebene Konstruktionsentwürfe ent-sprechend der Belastung optimieren. Dies führt zu signi-fikanten Materialeinsparungen und auch zu unkonventio-nellem Design. Durch deren Einsatz ist jedoch nichtzwingend gegeben, dass die dann verwendeten Materia-lien und Werkstoffe auch ökologischen Kriterien entspre-chen. Auch stehen bei bisherigen Umsetzungen in poten-zielle Produkte ökobilanzielle Bewertungen (im Sinneeiner Gesamtbilanz) noch aus.

5. Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass biologischeMaterialien ressourceneffizient gestaltet sind und sichdurch eine hohe Stabilität und Funktionalität bei verhält-nismäßig geringem Materialeinsatz auszeichnen. Die Ma-terialien sind zudem in der Regel in der Umgebung leichtverfügbar (Opportunismusprinzip in der Materialaus-wahl). In der Natur finden sich keine Hochleistungswerk-stoffe, sondern einfache Materialien mit einer effizienten

45 In der Regel werden ja auch andere Materialien benutzt als in der Na-tur, da sich die Belastungssituation in der Technik oft von der in derBiologie unterscheidet. Die Gestaltung der Herstellung nach bioni-schen Prinzipien wäre ein Zusatzeffekt.


inneren Struktur, die auf die jeweilige biologische Kon-struktion perfekt abgestimmt sind, und so aus technischerSicht erstaunliche mechanische Eigenschaften erzielen.Das Ergebnis sind oftmals streng funktionell, hierar-chisch aufgebaute Werkstoffe, was u. a. im Wachstum na-türlicher Materialien begründet ist. Natürliche Systemewerden aus einzelnen Molekülen aufgebaut und gestaltensich daher sukzessiv „bottom-up“.

Ein charakteristisches Merkmal natürlicher Materialienist oft die Verwendung chemisch identischer Grundwerk-stoffe, die, unterschiedlich strukturiert, physikalisch un-terschiedliche Eigenschaften besitzen. Durch ihre Kombi-nation als Mehrkomponentenmaterialien oder Kompositezeichnen sich viele Materialien durch eine aus techni-scher Sichtweise ideale Kombination sich vielfach wider-sprechender Materialeigenschaften, wie Festigkeit undElastizität, aus. Multifunktionalität stellt einen wesentli-chen Beitrag zur Effizienz biologischer Materialien dar.Biologische Materialien besitzen eine an die Funktion an-gepaßte Lebensdauer. Aufgrund der einfachen chemi-schen Basis sind alle Materialien biologisch abbaubar unddamit Bestandteil eines natürlichen Kreislaufs.

Die Menge an werkstoffbasierten Entwicklungen istschier unüberschaubar, so dass eine Einordnung, was denStand der Forschung anbelangt, nicht trivial ist. Dennochist festzuhalten, dass die Bionik bei zukünftigen Material-entwicklungen eine bedeutende Rolle einnehmen kann.Denn Eigenschaften natürlicher Materialien – wie adap-tive Fähigkeiten, Multifunktionalität und ressourceneffi-zienter Aufbau – sind gleichzeitig auch Eigenschaften,die Ziele aktueller Werkstoffentwicklungen darstellen.Voraussetzung ist jedoch ein tieferes Verständnis für dasZusammenwirken von Funktion und Aufbau natürlicherMaterialien sowie der Mechanismen der Entstehung, Um-formung und Selbstheilung.

Für Automobilbau und Bautechnik/Architektur kann zu-sammenfassend festgehalten werden, dass Bionik unter-schiedlich wirksame Beiträge zu (zukünftigen) Technolo-gien leisten kann. Dabei garantiert die unmittelbare„Nähe zur Natur“ – als Vorbildfunktion und als zumeisterster Verfahrensschritt bionischer Forschung – nicht perse einen nachhaltigen, heute oder zukünftig praxisrele-vanten Einsatz. Ein sich abzeichnendes Charakteristikumumgesetzter bionischer Lösungen ist, dass sie eine hoheAnzahl neuer Entwicklungs- und Produktideen nach sichziehen – nicht notwendigerweise ausschließlich bioni-scher Art, wie am Beispiel selbstreinigender, superhydro-phober Oberflächen und Materialien dargestellt.

V. Neue BionikDie so genannte „neue Bionik“ schließt an aktuelle Ent-wicklungen in Nanotechnologie und Evolutionsbiologiean. Sie umfasst einerseits molekularbiologisch inspirierteAnsätze der Nanobiotechnologie (Kap. V.1), der Prothe-tik (Kap. V.2) mit engen Verbindungen zu den „konver-gierenden Technologien“ (Roco/Bainbridge 2002). Ande-rerseits bestehen neue Verbindungen aus der

Evolutionsbiologie vor allem zur Informationstechnik(Kap. V.3) und in Bezug auf die Nutzung von Prinzipienkollektiven Verhaltens von Lebewesen für Organisationund Management (Kap. V.4).

1. Nanobionik

Nanobionik ist ein erst mehrere Jahre verwendeter undnoch nicht durchgängig etablierter Begriff. In der Nano-bionik wird der bionische Gedankengang – der Transfervon an lebenden Systemen erworbenem Wissen auf tech-nische Problemlösungen – auf die molekularbiologischeEbene übertragen. Dieses Kapitel beruht zu großen Teilenauf dem Gutachten von IÖW/GL (2005).

1.1 Begriffliches zur Nanobionik und ihrem Umfeld

Der Begriff der Nanobionik wird zum Teil deckungs-gleich mit „Nanobiotechnologie“ verwendet. Ein klarerSprachgebrauch hat sich bislang nicht etabliert. Charakte-ristisch ist, dass Methoden aus der Nanotechnologie zurAnalyse und zur Beeinflussung lebender Systeme Ver-wendung finden, bis hin zum Ziel des Designs künstli-chen Lebens in der Synthetischen Biologie.

1.1.1 Nanobiotechnologie

Bio- und Nanotechnologie gelten als zukunftsträchtigeTechnologien des 21. Jahrhunderts. An ihrer Schnittstellehat sich die Nanobiotechnologie herausgebildet. Der Be-griff der Nanobiotechnologie – auch das Wort „Bionano-technologie“ wird gelegentlich verwendet – ist im Jahre2000 im Kontext der National Nanotechnology Initiativeder USA (NNI) geschaffen worden. Nanobiotechnologieschlägt die Brücke zwischen der unbelebten und belebtenNatur und zielt darauf ab, biologische Funktionseinheitenin molekularer Hinsicht zu verstehen sowie funktionaleBausteine im nanoskaligen Maßstab unter Einbeziehungtechnischer Materialien, Schnittstellen und Grenzflächenkontrolliert zu erzeugen (VDI 2002).

Häufig wird unterschieden zwischen „Nano2Bio“, wo esum die Nutzung der Nanotechnologie für die Analyse undHerstellung biologischer Nanosysteme (z. B. subzellula-rer Strukturen und Vorgänge) geht, und „Bio2Nano“, dasfür die Nutzung von Materialien und Bauplänen aus le-benden Systemen zur Herstellung technischer Nanosys-teme steht (VDI 2002, TAB 2003). Bereits von der Defi-nition her ist klar, dass aus Sicht der Bionik „Bio2Nano“im Mittelpunkt steht. Ausgangspunkt ist, dass sich grund-legende Lebensprozesse im Nanomaßstab abspielen, dawesentliche Bausteine des Lebens gerade diese Größen-ordnung haben (wie z. B. Proteine oder die DNA). DieVorgänge in einer Zelle können mit nanotechnologischenVerfahren analysiert und technisch nutzbar gemacht wer-den. Molekulare „Fabriken“ (Mitochondrien) und „Trans-portsysteme“, wie sie im Zellstoffwechsel eine wesentli-che Rolle spielen, können Vorbilder für kontrollierbareBio-Nanomaschinen sein (Nachtigall 2002, S. 122 ff.).Auch Mechanismen der Energieerzeugung, molekulare


Fabriken und Transportsysteme sowie Datenspeicher undDatenlesesysteme großer Kapazität, in denen funktionelleBiomoleküle als Bestandteile von Lichtsammel- und Um-wandlungsanlagen, Signalwandler, Katalysatoren, Pum-pen oder Motoren arbeiten, finden das Interesse derNanobiotechnologie.

Mit der Nanobiotechnologie werden vielfältige Poten-ziale zur gezielten Nutzung biologischer Prozesse fürtechnische Zwecke verbunden (VDI 2002). Um dieseMöglichkeiten zu erschließen, sind neue interdisziplinäreAnsätze erforderlich, um zu lernen, wie biologische Na-nostrukturen gebaut sind, funktionieren und innerhalbvon größeren biologischen Systemen interagieren. Essind Analyse- und Manipulationswerkzeuge sowie Me-thoden zu entwickeln, um Bauteile zu schaffen, die ausbiologischem und anorganischem Material bestehen.Diese Schnittstellen und Übergänge zwischen biologi-schen und anorganischen Systemen auf der molekularenEbene zu verstehen, ist ein zentraler Schritt in diese Rich-tung.

1.1.2 Nanobionik

Vor diesem Hintergrund wurde der Begriff Nanobionikgeschaffen: „Immer detailliertere Einblicke in die mole-kulare Funktion biologischer Makromoleküle ließen ei-nen neuen Zweig der Bionik entstehen, die Nanobionik.Die erarbeiteten Prinzipien der Bionik kommen auf derNanoskala erneut zur Anwendung, auf einer Skala, beider die klassischen Grenzen zwischen Biologie, Chemieund Festkörperphysik verfließen“ (Hampp/Noll 2003).Dabei entsteht der Eindruck einer begrifflichen Gleichset-zung von Nanobiotechnologie (wenigstens in der Aus-richtung Bio2Nano) mit Nanobionik (Abb. 4). Danachverfertigen Nanobionik und Nanobiotechnologie biomi-metische Materialien auf der Basis der Struktur- undFunktionsanalyse biologischer Materialien. Analog zuder Weise, wie lebende Systeme biologische Materialien

erzeugen, verfertigt die Nanobionik „biomimetische“,d.h. den biologischen Materialien nachgeahmte Materia-lien. Es ist der klassische bionische Schritt von der Struk-tur- und Funktionsanalyse lebender Systeme oder ihrerBestandteile zum Design technischer Problemlösungenauf der Basis des damit erzeugten Wissens.

In diesem Sinne scheint die Gleichsetzung von Nanobio-nik und Nanobiotechnologie gerechtfertigt zu sein: In An-lehnung an die Nanotechnologie spricht man nicht von ei-ner „Nanobiologie“, sondern von der Nanobiotechnologie(auch wenn sich die entsprechende Forschung hierzunoch weitgehend im Grundlagenbereich befindet), wo-durch das Ziel der technologischen Nutzung des (Funk-tions- und Struktur-) Wissens bereits impliziert wird. Ausder Analyse von Elementen des Lebens für technischeAnwendungen zu lernen – der Definitionskern der Bio-nik, vgl. Kapitel II.2 – trifft damit für die Nanobiotechno-logie (im Sinne von Bio2Nano) generell ebenfalls zu.

In dieser Sicht verschwimmen klassische, wenn auchhäufig unausgesprochene Grenzziehungen zwischen derBionik und anderen Nutzungsweisen des Wissens über le-bendige Systeme. So würde es schwer fallen, die Gen-technik nicht ebenfalls unter Bionik zu zählen. Auch hiergeht es darum, aus der Analyse von Strukturen und Funk-tionen lebender Systeme entsprechendes Struktur- undFunktionswissen zu generieren, das dann zielgerichtet fürmenschliche Zwecke (z. B. der Erzeugung herbizidresis-tenter Nutzpflanzen) eingesetzt werden kann. Würde dieGleichsetzung von Nanobionik und Nanobiotechnologie(im Sinne von Bio2Nano) wohl noch von vielen Bioni-kern mit getragen (so kann man z. B. die Ausführungen inNachtigall 2002, S. 122 ff. verstehen), so wäre bei derEinordnung der Gentechnik in die Bionik sicher mit er-heblich größerer Zurückhaltung zu rechnen (dies hat auchmit der Frage nach den möglichen Risiken zu tun, vgl.Kap. V.1.3).

A b b i l d u n g 4

Arbeitsweise von Nanobionik und Nanobiotechnologie

Quelle: Hampp 2005

Struktur- Funktions-

Design

Nanobionik, Nanobiotechnologie

Struktur- Funktions-

Analyse

biomimetische Materialien

biologische Materialien


1.1.3 Der englische SprachraumIm englischen Sprachraum ist die bereits in Kap. II.2 er-wähnte, allerdings nicht streng durchgehaltene Unter-scheidung zwischen „biomimetics“ und „bionics“ auchim Kontext der Nanobionik relevant. Zumeist wird indiesem Zusammenhang von Biomimetik gesprochen„With the recent developments of molecular and nano-scale engineering in physical sciences, and advances inmolecular biology, biomimetics is now entering the mo-lecular scale. By combining nature's molecular tools withsynthetic nanoscale constructs, molecular biomimetics isemerging as a hybrid methodology“ (Sarikaya et al. 2003,S. 577). Das Ziel dieser Ansätze besteht vor allem in derIdentifizierung und Nutzung der Funktions- und Struktur-mechanismen der „bottom-up“-Produktionsprozesse, wiesie die Natur hervorgebracht hat. Hoffnungen auf eine na-turgemäßere Technik mit weniger Risiken werden in die-sem Kontext kaum geäußert (IÖW/GL 2005, S. 50).

Der Terminus „bionics“ ist gegenüber „biomimetics“stark an der Prothetik orientiert: „Bionics (presentlycalled hybrid systems) can be defined as augmenting orreplacing operations and functions of human extremitiesthrough machinery controlled by neural systems“ (Bio-nics Symposium 1960). Bionics has also come to meanthe application of knowledge of living organisms to thesolution of engineering problems. The essential aspect ofbionics was, at least at one time, considered by the mili-tary for advanced weaponry that combined the strengthsof artificial mechanical systems with those of living hu-man and animal brains“ (Johnson/ Schreuders 2003).Deutlich wird, dass der Begriff „bionics“ in starkemMaße auf „enhancement“ üblicher Körperfunktionen hinausgerichtet ist.

Dies betrifft auch generell die Sicht auf zelluläre Pro-zesse. Zwar wird häufig auf die „Erfahrungen“ und die„Fähigkeiten“ der Natur im Umgang mit den molekularenMaschinen verwiesen. Diese Vorbildfunktion der Naturwird dabei jedoch nicht als bereits erreichtes Optimumaufgefasst, sondern als Ausgangspunkt für technischeVerbesserungen der Natur unter menschlichen Zielsetzun-gen: „...it would be foolish to assume that nature has allthe best ideas, which the engineer must then determinehow to translate into workable solutions. The caricatureof evolution in which nature explores all options andfinds the best is still surprisingly pervasive. Nature hasgood reasons to avoid metallic components, for example,but this does not mean that human engineers should striveto do so“ (Ball 2001, S. 416). Auf diese Weise wird deut-lich, dass im angelsächsischen Umfeld eine Einschätzungvorherrscht, nach der die Natur vielfältige Vorbilder undMaterial für technische Lösungen bietet, dass dieses Ma-terial aber jeweils einer „technischen Adaptation“ und derOptimierung auf menschliche Zwecke und Bedürfnissehin bedürfen.

1.1.4 Nanobionik und die „konvergierenden Technologien“

Die Faszination der Nanobiotechnologie (und damit derNanobionik), wie sie aus vielen spekulativen, aber auch

aus den zwar bescheideneren, aber immer noch hinrei-chend visionären Anwendungsideen (Kap. V.1.2) spricht,besteht zu einem guten Teil in der Konvergenz physikali-scher, chemischer und biologischer „Welten“ auf der Na-noebene. Durch gezielte Ausnutzung der physikalischenPrinzipien, der chemischen Synthesemöglichkeiten undfunktionaler Eigenschaften von biologischen Nanostruk-turen soll es, so die Erwartung, gelingen, neue technischeFunktionalitäten in bislang unerreichter Komplexität zurealisieren – letztlich dabei auch mit der Natur als Vor-bild: „Nature has made highly precise and functionalnanostructures for billions of years: DNA, proteins, mem-branes, filaments and cellular components. These biologi-cal nanostructures typically consist of simple molecularbuilding blocks of limited chemical diversity arrangedinto a vast numbers of complex three-dimensional archi-tectures and dynamic interaction patterns. Nature hasevolved the ultimate design principles for nanoscale as-sembly by supplying and transforming building blockssuch as atoms and molecules into functional nanostruc-tures and utilizing templating and self-assembly princi-ples, thereby providing systems that can self-replicate,self-repair, self-generate and self-destroy“ (Wagner2005). Wissenschaftler und Ingenieure im Bereich derNanobiotechnologie arbeiten daran, synthetische Materi-alien auf der Nanoebene zu entwickeln, mit dem Ziel, diemolekulare Architektur biologisch relevanter Molekülezu gestalten und zu einer Integration von biologischenund künstlichen Materialen zu kommen. Die „bio-inspi-rierte“ Synthese verbindet Prinzipien der molekularen Er-kennung (recognition) und der Selbstorganisation, um bi-omimetische Nanostrukturen und -funktionen zuschaffen.

Eine über diese „instrumentelle“ Sicht hinausgehendeund spekulative Perspektive auf die Nanobionik nimmtan, dass es durch technische Nachahmung der Funktionender DNA möglich würde, einen zweiten Typ von Evolu-tion zu begründen: „Another example is given by the ri-bosome present in each cell, which is actually a nano-as-sembling machine which reads the DNA and translatesthe code into protein. It works wonderfully in nature. Thedifficulty is to mimic the idea and to use it in practicabletechnology. This type of Nanobionic requires a secondtype of evolution. This evolution II is the whole idea ofNano“ (Heckl 2004). Diese „nanobionische“ Evolutionwäre ein Evolutionsprozess, in welchem die „natürliche“Evolution durch eine auf die vermeintlichen menschli-chen Bedürfnisse bzw. industriellen Prozesse ausgerich-tete Evolution „ersetzt“ werden soll. Deutlich wird in die-sem Beispiel, dass sich in der Nanobionik weit reichendeGedanken, die ursprünglich aus der Gentechnikdebattekommen, einen neuen Raum und neue Aktualität ver-schaffen (s. dazu auch WWF 1995).

1.2 AnwendungsgebieteNanobiotechnologie ist gegenwärtig noch weitgehend derGrundlagenforschung zuzuordnen. Mit konkreten Umset-zungen in Produkte oder Verfahren ist erst in größerenzeitlichen Abständen zu rechnen. Es sind jedoch weit rei-chende Anwendungspotenziale in unterschiedlichen Fel-


dern erkennbar. Im Folgenden wird zunächst ein kurzerÜberblick gegeben, bevor die Beispiele der technischenNutzung des Photosyntheseprinzips und der Herstellungfunktionaler Zellen vertieft behandelt werden.

1.2.1 ÜberblickZur Darstellung der potenziellen Anwendungsgebiete derNanobionik ist es sinnvoll, von vorliegenden Überlegun-gen zur Nanobiotechnologie auszugehen und dann je-weils im Einzelfall zu beurteilen, ob und inwieweit einbionischer Gedankengang zugrunde liegt. Wie in Kapitel IIerläutert, sind pauschale Urteile in der Regel nicht mög-lich. In Deutschland wurden die Anwendungspotenzialeder Nanobiotechnologie in zwei Studien des VDI-TZ er-hoben (VDI 2002; VDI-TZ 2004). Weitere Darstellungenfinden sich in Seeman/Belcher (2002), Ball (2001),Goodsell (2004), Jones (2004) sowie Sarikaya et al.(2003). Dabei wird zumeist die Unterscheidung vonNano2Bio und Bio2Nano zugrunde gelegt.

Im Bereich Nano2Bio – der für Nanobionik im Einzelfallrelevant ist, jedoch nicht im Mittelpunkt liegt – stehen dieNutzung nanotechnologischer Verfahren und Materialienfür die Untersuchung biologischer Fragestellungen imMittelpunkt. Anwendungsgebiete liegen vor allem immedizinischen Bereich, genereller in den Lebenswissen-schaften. Hervorzuheben sind hier folgende Bereiche(dazu ausführlich TAB 2003):

– neue diagnostische Möglichkeiten, z. B. über Biosen-soren, und Möglichkeiten des permanenten Monito-ring des Gesundheitszustandes;

– zielgenaue Verfahren in Wirkstofftransport und -depo-sition („drug delivery“);

– neue biokompatible Materialien und Oberflächen(z. B. in der Prothetik, vgl. Kap. V.2).

Im Bereich Bio2Nano (der bereits von der Definition hereng mit bionischem Denken verbunden ist) lassen sichdrei Ebenen von Anwendungsbereichen unterscheiden(IÖW/GL 2005):

– Nanofabrikation und Nanostrukturierung mit bioba-sierten Methoden: Ziel ist die Nutzung des Prinzipsder Selbstorganisation molekularer Einheiten zu kom-plexeren Gebilden (Biomineralisation).

– Technische Nutzung funktioneller Biomoleküle undvon Hybridsystemen: Es geht um den Einsatz derFunktionen isolierter Biomoleküle (z. B. von biomole-kularen Motoren und Aktuatoren) in technischen Sys-temen oder in Kombination mit nicht biologischenBauteilen (z. B. in Form des so genannten DNA-Com-puting, Kap. V.3).

– Konstruktion technisch-biologischer Schnittstellen:Hier geht es um die Realisierung von Schnittstellen-funktionen zwischen biologischen und technischenMaterialien (z. B. für Neuroimplantate oder in derProthetik).

Mit diesen Anwendungsfeldern und entsprechendenfunktionalen Kombinationen können z. B. Biosensoren

und Biomembranen in der Umwelttechnik eingesetzt wer-den, oder es kann durch die Nutzung lichtenergetischerProzesse die Photovoltaik biologisch unterstützt werden.Wie generell in der Nanobiotechnologie ist zur Realisie-rung dieser Potenziale erheblicher Forschungsaufwandund interdisziplinäre Kooperation erforderlich.

Inwieweit diese Anwendungen dann als bionisch bezeich-net werden können, wird von Einzelfall zu Einzelfall va-riieren. Im Allgemeinen ist der Gedanke des Wissens-transfers aus der Erforschung der Grundprinzipien undBauplänen des Lebens zu ihrer technischen Nutzungkompatibel mit dem bionischen Gedankengang (Nachti-gall 2002, S. 124). Vorstellungen evolutionärer Optimie-rung und von der Nutzung von Prinzipien der Selbstorga-nisation durchziehen auch die Nanobionik (IÖW/GL2005; s.a. Universität Marburg 2005).

Da jedoch das „Leben“ dabei immer weiter in seine mole-kularen Bausteine zerlegt wird, um entsprechendes Wis-sen zu gewinnen, entfernt sich die Nanobionik weit vonden ursprünglichen Vorstellungen, die einmal mit der ma-kroskopischen Bionik und ihrer Orientierung an Organis-men wie Vögeln, Haien oder der Klettpflanze verbundenwaren, und wird zu einer molekularbiologisch arbeiten-den High-Tech Bionik, deren Unterscheidung von der inden gleichen Feldern arbeitenden (Nano-) Biotechnologiezunehmend unscharf wird.

1.2.2 Beispiel biomimetische Energie-erzeugung

Pflanzen und manche Bakterienarten sichern ihre Ener-gieversorgung durch Photosynthese. Dabei wird das Son-nenlicht genutzt, um aus Kohlendioxid und Wasser kom-plexe Kohlehydrate zu synthetisieren, die dann sowohlder Energiespeicherung als auch der Energieversorgungdienen. Anders als die gegenwärtige Solarzellentechnikfunktioniert dieses Prinzip auch bei diffusem oder sehrschwachem Lichteinfall. Das Photosyntheseprinzip, imLaufe der Evolution entstanden und „optimiert“, tech-nisch zur Sicherung der menschlichen Energieversorgungzu nutzen, ist außerordentlich verlockend. Eine Energie-versorgung auf der Basis dieses Prinzips wäre CO2-neu-tral, würde leicht speicherfähige Energie bereitstellen,wäre dezentral realisierbar, praktisch unerschöpflich undwürde keine problematischen Abfälle erzeugen. Es ist da-her nicht überraschend, dass diese – typisch bionische –Lösungsidee eines gewaltigen Problems in der aktuellenForschung vielfach bearbeitet wird. Bezeichnungen wie„Light Harvesting Complex“ oder „Protonenpumpe“ zei-gen den „technischen“ Blick auf die Photosynthese an.Die Nanobiotechnologie liefert die erforderlichen Verfah-ren, um die natürlichen Vorgänge auf der molekularenEbene zu verstehen und ggf. nachbauen zu können.

Ein Beispiel stellt die „biomimetische Lichtsammlung“dar (Balaban/Buth 2005). Ausgangspunkt ist die Beob-achtung, dass sich – jenseits des gemeinsamen „Prinzips“der Photosynthese – eine Vielzahl unterschiedlicherLichtsammelverfahren in der Natur entwickelt haben, dieauf jeweils verschiedene Bedingungen hin optimiert sind.Insbesondere die Licht sammelnden Vorrichtungen – die


„Antennen“ – unterscheiden sich, z. B. je nach verfügba-rem Lichtangebot. Allerdings gilt: „Die Architektur desChromophorproteinkomplexes der Pflanzen ist viel zukompliziert, um in künstlichen lichtsammelnden Anord-nungen nachgebildet zu werden“ (Balaban/ Buth 2005,S. 204). Daher konzentriert sich die Suche auf Nachbil-dungen der einfacheren Funktionsweise von Bakterio-chlorophyllen. Synthetische Porphyrine, die eine struktu-relle Ähnlichkeit zu den Bakteriochlorophyllenaufweisen, dabei aber robuster und leichter verfügbarsind, werden hierzu genutzt. Dabei wird auf das Prinzipder Selbstorganisation gesetzt, um die entsprechenden na-noskaligen Strukturen (Nanostäbe oder röhrenartigeStrukturen) zu bilden (Balaban/Buth 2005, S. 206).

Es besteht die Hoffnung, dass derartige Forschungsarbei-ten zur Entwicklung künstlicher Antennen beitragen kön-nen, die auch noch bei schwachem und diffusem Licht-einfall funktionieren. Sie könnten damit für das Designvon Hybridsonnenzellen auf Basis kostengünstigerKunststofftechnologien von Nutzen sein (Balaban/Buth2005, S. 207). Entsprechende Forschungsarbeiten befin-den sich jedoch noch sämtlich im Bereich der Grundla-genforschung. Es geht zunächst darum, wesentliche Pro-zesse in ihrem „technischen“ Funktionszusammenhangzu verstehen. Schemata der pflanzlichen photosyntheti-schen Membran z. B. existieren, es sind jedoch nochlängst nicht alle relevanten Prozesse und Abhängigkeitenbekannt.

1.2.3 Beispiel künstliche Zellen

Die Erkenntnisse der Nanobiotechnologie können auchgenutzt werden, um neue Funktionalitäten durch Modifi-kationen von natürlichen Biomolekülen, durch Modifika-tionen am Design von Zellen oder durch das Design vonkünstlichen Zellen zu erzeugen. Hier radikalisiert sich dasbionische Denken in Richtung auf eine „Neuerfindung“von Natur, auf die Schaffung von künstlichem Leben aufder Basis des Wissens über das „natürliche“ Leben.

Dieses Programm verfolgt die Synthetische Biologie(Ball 2005), um die Nanobiotechnologie systematischervoranzutreiben und die Anwendungsmöglichkeiten zu er-weitern. Bislang bestehen erhebliche Schwierigkeiten, bi-omimetische Lösungsansätze systematisch für technischeProblemlösungen nutzbar zu machen: „There is further-more a grey area where biomimesis merges with bioengi-neering – where the pre-existing nanoscale devices andstructures of the cell can be adapted to suit technologicalgoals“ (Ball 2005, S. R1). Synthetische Biologie differen-ziert zwischen einer Ausrichtung, die künstliche Mole-küle nutzt, um emergentes Verhalten aus der Biologie zureproduzieren, und einer Ausrichtung, die Teile aus der„natürlichen“ Biologie nutzt und sie quasi neu zu Syste-men zusammensetzt, die in nicht „natürlicher“ Weisefunktionieren (Benner/Sismour 2005). Der Gedanke derErzeugung künstlichen Lebens (Artificial Life, AI) odereines technisch modifizierten, teils mit neuen Funktionenausgestatteten Lebens steht hier Pate: „how far can it[life] be reshaped to accomodate unfamiliar materials,circumstances and tasks?“ (Ball 2005, S. R3). Beispiele

für diese Bemühungen reichen vom Design künstlicherProteine über die Virusnachbildung bis zu Ansätzen derZellprogrammierung (Ball 2005; Benner/Sismur 2005, S.534-540).

Zellen werden dabei als Maschinen interpretiert, beste-hend aus Bauteilen: „Dem Maschinenparadigma folgend,werden Proteine und Botenmoleküle als Bauteile begrif-fen, die der Mensch beliebig verändern oder einfügenkann“ (Boeing 2006). Ganz in der Tradition des Standar-disierungsdenkens im Maschinenbau wurde bereits das„MIT-Verzeichnis biologischer Standardteile“ begründet.Dort sind zurzeit 2109 Gensequenzen als Vorlagen fürverschiedene Zellmaschinenteile gespeichert (Boeing2006). Mit dem gezielten Design von künstlichen Zellenauf der Basis solcher Bauteile sollen Mikromaschinen er-zeugt werden, die z. B. Informationen verarbeiten, Nano-materialien herstellen oder medizinische Diagnosen vor-nehmen können.

Dabei wird teils nicht nur – wie in der klassischen Ma-schinenbautradition – Bauteil für Bauteil nach einem top-down entworfenen Bauplan zusammengesetzt, um einfunktionsfähiges Ganzes zu erhalten. Sondern es gibtauch Ansätze, Prinzipien der Evolution zu nutzen, um be-stimmte neue Effekte zu erreichen. So können z. B. Zel-len einem „Evolutionsdruck“ ausgesetzt werden, indembestimmte Gensequenzen „ausgeschaltet“ werden, die fürden Aufbau bestimmter Aminosäuren zuständig sind.Durch Zugabe von chemischen Substanzen, die der dannfehlenden Aminosäure chemisch hinreichend ähnlichsind, kann die Zelle dazu gebracht werden, die Substituteanstelle der Aminosäuren zu verwenden. Ergebnis istdann eine Zelle mit veränderten Eigenschaften.

Entscheidend ist bei diesen Ansätzen die Kombinationgentechnischen Wissens und der neuen Möglichkeitender Nanotechnologie. Zurzeit ist dieses Feld im Stadiumdes systematischen Erkennens und Versuchens und damitnoch weit von möglichen Umsetzungen entfernt. Voraus-setzung für das zielgenaue Design künstlicher Zellenwäre ein (hinreichend) vollständiges Verständnis aller er-forderlichen subzellulären Prozesse und Wechselwirkun-gen. Der gegenwärtige Wissensstand ist hiervon nochdeutlich entfernt; Forschung und Entwicklung in der syn-thetischen Biologie dient zu großen Teilen der Vervoll-ständigung dieser Wissensbasis durch Manipulationenvon Zellbestandteilen.

1.2.4 Nanobionik als technisierung der Natur?

Dass das Verhältnis zwischen Natur und Technik in derBionik komplexer ist, als es die einfache These der tech-nischen Nachahmung der Natur nahe legt, wurde bereitsin Kapitel II.3.3 angesprochen. In der Nanobionik findensich dafür besonders eindrucksvolle Beispiele. Der „tech-nische Blick“ auf das Leben spiegelt sich in einer Füllevon Formulierungen wider, in denen die Zelle und ihreBestandteile als molekulare Maschinen gekennzeichnetwerden. Um die Funktionsprinzipien der Zelle zu ver-deutlichen, werden Analogien zu bestehenden und ver-trauten technischen Artefakten hergestellt (Tab. 6).


Ta b e l l e 6

Analogien technischer und molekularer Maschinen

Quelle: IÖW/GL 2005 und Zhang 2003, verändert

technische Maschinen molekulare Maschinen

Fahrzeuge Hämoglobin

Assembly lines Ribosomen

Motoren, Generatoren ATP-Synthese

(Bahn-)Schienen Netze aus Aktin-Filamenten

Zugleitstellen Centrosom

digitale Datenbasen Nukleosom

Kopiermaschinen Polymerasen

Bulldozer, Zerstörer Proteasen, Proteosome

Briefsortiermaschinen Protein sortierende Maschinen

elektrische Zäune Membranen

Tore, Schlüssel Ionen-Kanäle

Internetknoten Synapsen von Neuronen

Bionik und Biomimetik sind danach durch eine Ambigui-tät gekennzeichnet: Einerseits gilt die Natur als Vorbild,von der man im Hinblick auf die (molekularen) Nanoma-schinen lernen könne, auf der anderen Seite wird dieTechnik als Vorbild für die Beschreibung der Natur ge-nutzt und die Anpassung der Natur (oder der Nanoma-schinen) an die Bedarfe der industriellen Produktiongefordert. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass dieNatur, die zum Vorbild genommen wird, im Kontext derNanobiotechnologien selbst technisiert wird: „Die Na-tur … baut funktionelle, hochkomplexe >Maschinen< immolekularen Größenbereich“ (Nachtigall 2002, S. 125).Am Beispiel der Bakteriengeißel erläutert Nachtigall dasdort realisierte technische Prinzip der Rotation. Dabei fin-den Begriffe wie „Miniaturkugellager“, „Maschinenteile“und Nanorotationsantriebe“ Verwendung. Besonderes In-teresse gilt der Energieversorgung solcher „Maschinen“.

Bereits 1981 hat Drexler (nach Bensaude-Vincent 2004)diesen Blickwechsel gewählt, indem er Funktionen be-kannter Techniken darstellt und diesen Funktionen Bei-spiele von Zellen oder Organismen gegenüberstellt unddadurch schließlich die biologische Welt als Maschine in-terpretiert. In diesem Sinne wäre auch die kontrovers dis-kutierte Idee von „Nanorobotern“ letztlich als eine bioni-sche Idee einzuordnen: Erzeugung künstlicherLebewesen auf der Basis von Wissen, das an natürlichenLebewesen und ihren Bestandteilen (z. B. Viren) gewon-nen wurde. Die ursprüngliche Idee der an makroskopi-schen Organismen (z. B. Vögel und ihre Flugbefähigung)

orientierten Bionik und die Bionik „als Versprechen“(Kap. II.2.3) erscheinen hier weit entfernt.

1.3 Chancen und RisikenChancen und Risiken nanobionischer Entwicklungen las-sen sich angesichts des frühen Entwicklungsstadiumsnicht konkret thematisieren. Gleichwohl sind einige ver-allgemeinernde Aussagen auf der Basis bisheriger Erfah-rungen möglich.

Mit der Nanobiotechnologie sind zweifelsohne deutlicheUmweltentlastungen perspektivisch möglich (Kap. V.1.2.3).Chancen liegen ebenso im Bereich der Gesundheit und inder Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Wirt-schaftliche Potenziale sind, gemäß der Bedeutung dieserAnwendungsfelder, damit sicher ebenso zu erwarten,auch wenn diese sich noch in keiner Weise beziffernlassen. Vor allem aber ist die Nanobionik (oder die Nano-biotechnologie allgemein) zurzeit ein faszinierendesForschungsfeld, in dem, durch die wechselseitige Über-schreitung der bisher unüberwindlichen Grenzen zwi-schen Technik und Lebendigem, vielfältige Erkenntnisse,Neuerungen und Überraschungen zu erwarten sind.

Die Möglichkeiten, die sich mit der Entwicklung derNanobiotechnologie ergeben können, sind so weit rei-chend, dass auch sorgfältig über Risiken nachzudenkenist (EU 2004). Dabei ist zunächst zu bedenken, dassNanobiotechnologie eng mit den Biotechnologien gene-rell verbunden ist. Eine Trennung der Risikopotenziale


der Gentechnik und der Nanobiotechnologie ist von daherkaum möglich (IÖW/GL 2005, S. 54). Edwards (2005)stellt in diesem Sinne fest, dass „[t]he green goo scenario,somewhat more likely, if only because it is more easily inreach, suggests that a DNA-based artificial organismmight escape from the lab and cause enormous environ-mental damage“. Diese potenziellen Risiken entsprechenletztlich denen der Gentechnik, bei denen allerdings be-reits seit einiger Zeit Erfahrungen mit Strategien des Con-tainment und der kontrollierten Freisetzung vorliegen(Sauter 2005). Auch andere Befürchtungen, die etwa mitdem „Wandern“ von genetischen Manipulationen und de-ren Folgen zu tun haben, sind nicht spezifisch für dieNanobionik.

Die Komplexität der molekularen biologischen Vorgängestellt ebenfalls ein Einfallstor für mögliche Risiken dar:„A more concrete rationalisation of this distrust is the fee-ling that unpredictable consequences can follow from re-arranging a complex system that is not fully understood.The recent history of gene therapy offers us a cautionarytale. To introduce genes into patients, it has been neces-sary to use what is essentially a piece of nanotechnology –an adapted virus is used to introduce the new genetic ma-terial into the cell. But fatalities have occurred due to un-expected interactions of the viral vector with the cell“(Jones 2004, S. 214 ff.).

Weiterhin ist daran zu erinnern, dass auch die Berufungauf die Millionen Jahre währende Evolution ambivalentist. Soll sie Vertrauen in die bionischen Lösungsvor-schläge auslösen („optimiert in Jahrmillionen“), soschickt sich nun der Mensch an, etwa im Bereich der Er-zeugung künstlichen Lebens (Kap. V.1.2.3), diese Evolu-tion in wenigen Jahren oder Jahrzehnten selbst in dieHand zu nehmen: „Ponder for a moment the incrediblehubris of the entire endeavour of bionanotechnology. Thenatural environment has taken billions of years to perfectthe machinery running our bodies and the bodies of allother living things. And in a single generation we usurpthis knowledge and press it to our own use“ (Goodsell2004, S. 309). Ähnlich wie in der Debatte zur GrünenGentechnik, in der die Gentechnik teilweise als effizien-tere Art der Züchtung dargestellt wurde, und diese selbstwiederum als „evolutionäres“ Fortschreiten, Schritt fürSchritt, mit der Möglichkeit frühzeitiger Fehlererkennungund -ausmerzung, so erscheint auch hier die gewaltigeBeschleunigung der natürlichen Entwicklung durch denEinsatz der Nanobionik als die große Herausforderungunter Risikoaspekten. Sind künstliche Zellen im Umlauf,so haben sie, auch wenn sie auf an natürlichen Zellen ge-wonnenem Wissen beruhen, keine Millionen Jahre langeEvolution hinter sich, sondern möglicherweise nur einigeJahre des Experimentierens im Labor. Die Neukonstruk-tion von Zellen oder die Umprogrammierung von Virenbedürfen hier besonderer Beobachtung.

Neben der unbeabsichtigten Freisetzung ohne Rückhol-möglichkeit ist auch an die Möglichkeit der Konstruktionneuartiger biologischer Waffen auf der Basis neu konstru-ierter oder veränderter Zellen zu denken. Dabei zeigt sichauch die Ambivalenz des Verweises auf die Potenziale

der Selbstorganisation. Werden damit vor allem positivbesetzte Fähigkeiten lebender Systeme bezeichnet (Kap.II.3), so stellen die Selbstorganisationsfähigkeit und dieSelbstreplikationsfähigkeit lebender Systeme auch einBedrohungspotenzial dar. Wie die Debatte um das „greygoo“-Szenario in der Nanotechnologie gezeigt hat, kön-nen hier positive Visionen rasch in das negative Gegenteilumschlagen: In diesem Beispiel wurde die Vision derSchaffung von Nanorobotern für eine Vielfalt positiverZiele von der Befürchtung abgelöst, dass gerade wegender Selbstorganisationsfähigkeit dieser Nanoroboter einKontrollverlust des Menschen drohe und letztlich „dieZukunft uns nicht mehr brauche“ (Joy 2000). Der bioni-sche Gedankengang zeigt hier ein tief greifendes inhären-tes Risiko: Lebende Systeme können in dramatischerWeise anders aus der Kontrolle geraten als klassischetechnische Systeme.

Häufig wird zutreffend darauf verwiesen, dass die Wahr-scheinlichkeit gering sei, dass die künstlichen Systeme inder natürlichen Welt überleben – und dann Schaden an-richten – können. Eine geringe Wahrscheinlichkeit istaber dennoch eine endliche Wahrscheinlichkeit, weswe-gen Probleme dieser Art einer sorgfältigen Beobachtungbedürfen. Deutlich wird vor diesem Hintergrund, dass dasLeitbild der Bionik in den molekularen Kontexten ggf.neu interpretiert werden bzw. konkretisiert werden muss.Für das Selbstverständnis der Bionik und dem vielfachdamit verbundenen normativen Leitbild (Kap. II.2.3) ent-steht aus dem Zusammenwachsen von Biotechnologie,Gentechnologie und Nanotechnologie und angesichts derneuen Möglichkeiten einer synthetischen Biologie eineernsthafte Herausforderung.

2. Neurobionik und ProthetikInteressant und widersprüchlich zugleich ist die Frage, obbzw. inwieweit Nachbildungen lebender Systeme oder ih-rer Teile – und damit auch Prothesen – zur Bionik gerech-net werden können. Der Begriff „Bionik“, in der Verwen-dung von J. E. Steele 1958 (Kap. II.2.1), schließt genaudiese Nachbildung ein. Andererseits wird heute von denmeisten Bionikern in Deutschland die Prothetik nichtwirklich als Teilgebiet der Bionik anerkannt. Da es je-doch immer mehr Forschungsarbeiten im Rahmen derProthetik gibt, die bionische Bezüge aufweisen, soll aufdiesen Grenzbereich explizit eingegangen werden. Diefolgenden Ausführungen stützen sich auf das GutachtenIÖW/GL (2005).

2.1 Begriffliche Bezüge und Aspekte zur Einordnung

Bionik im Zusammenhang mit dem menschlichen Körperzu betrachten bedeutet, einen Grenzbereich zu betreten.Materialseitig wird im Zusammenhang mit bionischen/biomimetischen Materialien zwar explizit auch von medi-zinischen Materialien gesprochen. Dennoch verbindensich hier gemachte Fortschritte nicht zwingend mit An-wendungen „direkt am Menschen“.

Eine Prothese ist der künstliche Ersatz für ein menschli-ches Körperteil, der in seiner Funktionsweise das zu er-setzende Teil nachahmt. Befindet sich die Prothese außer-


halb des Körpers, spricht man von einer Exoprothese (wiez. B. bei künstlichen Gliedmaßen), andernfalls von einerEndoprothese oder einem Implantat. Das Ziel der Prothe-tik ist die Wiederherstellung von eingeschränkten oderverloren gegangenen Körperfunktionen. Spannend undbisher weitestgehend unbefriedigend gelöst ist „die kon-krete Anbindung“ der Prothese an das Nervensystem desMenschen.

Neurobionik

Der Bereich der Neurobionik46 kann eingeteilt werden indie Neuroprothetik, in Biohybridelemente und in „Re-chenvorschriften“, mit denen die Natur Informationsver-arbeitung betreibt. In diesen Bereichen hat es in den letz-ten Jahren durch das zunehmende Verständnis derbiologischen Elemente sowie den technischen Fortschrittim Bereich Miniaturisierung und Materialien enormeFortschritte gegeben (Luksch 2005). Daher ist zu erwar-ten, dass die Neurobionik in den kommenden Jahren eineklarere Rolle in der bionischen Forschung beanspruchenwird als bisher. Der Bereich der Neurobionik wird durch-aus kontrovers diskutiert. Die Gründe dafür sind vielfäl-tig. Sie lassen sich u. a. auf das Unbehagen des Menschenzurückführen, technische Eingriffe in das menschlicheGehirn zuzulassen (z. B. für die „Ansteuerung“ von Pro-thesen bzw. Implantaten).

Eine klare Definition der Neurobionik ist bislang nichtgegeben. Ausgehend von der Grundidee der Bionik als„Lernen von der Natur für eigenständiges technischesHandeln“ (W. Nachtigall) sollte neurobionische For-schung die Grundlagen und Prinzipien neuronaler Infor-mationsverarbeitung untersuchen und daraus Anregungenfür die Implementierung technischer Systeme in Robotikund Automatisierung ableiten. Allerdings wird in der öf-fentlichen Wahrnehmung Neurobionik primär mit Neuro-prothetik assoziiert (Luksch 2005).

Die Neurobionik wird von vielen Bionikern unter originärbionischen Gesichtspunkten gesehen solange es um dasLernen von der Natur mit Blick auf evolutionäre Aspektegeht (Kap. II.3.1) sowie um das Umsetzen in neue techni-sche Anwendungen. Das „Pausen“ der Natur für einen„nicht wirklich guten Nachbau“ (als Prothese bzw. Im-plantat) wird in diesem Zusammenhang eher abgelehnt(Kap. II.3.3), auch wenn für eine bessere, effizientere An-bindung von Prothesen an das menschliche NervensystemErkenntnisse und deren Anwendung aus der Funktions-

weise von menschlichen Extremitäten und Sinnesorganeneine notwendige Basis darstellen. Hinter dem Einsatz vonProthesen steht ein komplexes, multikriterielles Anforde-rungsprofil, wobei eine „1:1-Kopie“ vermutlich nichtpraktisch umsetzbar sein wird, sondern eher eine „techni-sche Analogie“ der internen Informationsübertragung(Reizweiterleitung) darstellen würde. Dennoch grenzensich viele Bioniker von der Neurobionik für prothetischeAnwendungen ab, da diese mehr auf den „Ersatz von Sin-nen“ ausgerichtet ist und weniger auf der Evolution beru-hende Erkenntnisse verarbeitet.

Auswahl dokumentierter Begriffe und Bezüge

Derzeit gibt es keine einheitliche Verwendung von Be-grifflichkeiten in Bezug auf Bionik und den menschlichenKörper. Medizingeschichtlich versuchen Ärzte und Wis-senschaftler schon seit Jahrtausenden, ge- oder zerstörtekörperliche Funktionen durch künstliche Nachbildungender betroffenen Körpereinheiten wieder herzustellen.Hierzu zählen die ersten Prothesen ägyptischer Ärzte ge-nauso wie moderne Herzschrittmacher und künstlicheHüftgelenke, die von einer Reihe von Medizintechnikhis-torikern als „bionic engineering“ bezeichnet werden(Gaggioli et al. 2003).

Andererseits sind auch Bezüge dokumentiert zur sog. An-thropotechnik, die die Anpassung von Maschinen an denMenschen und seine Bedürfnisse, die für Nachtigall(2002, S. 287) eine der „vornehmsten Forschungsaufga-ben auf dem Gebiet einer erweiterten Bionik“ darstellt.Im Sinne der Anthropotechnik47 fasst Nachtigall die bio-nischen Bezüge sehr weit: Entwicklungspriorität hat inseinem Verständnis die Anpassung der Technik an dieFunktionsweise des Menschen. Die Verbindung zur Bio-nik wird von Nachtigall insofern hergestellt, als die Ent-wicklung von an den Menschen angepasster Technik dasVerständnis des biologischen Systems „Mensch“ voraus-setzt. Das gleiche Prinzip gilt für ihn auch hinsichtlich derEntwicklung von künstlichen Hüftgelenken, Prothesen,Retina- und Cochleaimplantaten sowie die Verknüpfungvon lebenden Zellen mit künstlichen Schaltkreisen (IÖW/GL 2005). Zur ethischen Dimension der „Mensch-Ma-schine-Fusion“ stellt Nachtigall fest, dass jede Maß-nahme gerechtfertigt sei, so lange sie „einem schwer be-hinderten Menschen ein Stückchen Lebensqualitätzurückgibt“ (Nachtigall 2002, S. 287).

Enger fassen Herr et al. (2003) den Bezug der Prothetikzur Bionik. Für sie ist die Entwicklung biomimetischerKontrollschemata zur Steuerung exogener Prothesen, diesich wie Muskeln verhalten, Voraussetzung zur Entwick-lung von Prothesen. Ihre Verwendung des Begriffs „bio-mimetisch“ ist dabei stellvertretend für eine Vielzahl vonVerwendungsweisen in der technisch orientierten Litera-tur im Feld Prothetik. Biomimetisch steht dabei – zumeistundiskutiert – für das Verstehen und Umsetzen (nicht un-

46 Der Begriff „Neurobionik“ ist – in Bezug zur Prothetik – in Deutsch-land Anfang der 1990er Jahre von einigen Neurochirurgen geprägtworden. Er beschreibt den Einsatz von Technik in der Medizin zurKontaktierung von Nerven. Nach Fortschreiten der technischen Ent-wicklung und dem Auftreten von Produkten zur Elektrostimulationvon Patienten zu Therapie und Diagnose ist seine Verwendung relativschnell wieder zurückgegangen. Heute noch existent ist die internati-onale Stiftung Neurobionik mit Sitz in Hannover (Stieglitz/Rosahl2005). Forschungsseitig wird der Begriff „Neurobionik“ heute weitergefasst. Er integriert die Weiterentwicklung von Informationsverar-beitung und Steuerung (z. B. durch intelligente Schaltungen, die Ver-schaltung von Parallelrechnern und Neuronale Schaltkreise) ausge-hend von Anregungen aus dem Bereich der Neurobiologie undbiologischen Kybernetik (IÖW/GL 2005).

47 Als Beispiele nennt er etwa die Entwicklung von Automobilen derZukunft, die eine „biomechanisch angepasste Optimalhülle“ für das„biomechanische System Mensch“ darstellen (Nachtigall 2002,S. 288). So soll beispielsweise die Konstruktion von Autoinnenräu-men optimal auf das Verhalten des menschlichen Körpers im Falle ei-nes Aufpralles angepasst sein (IÖW/GL 2005).


bedingt 1:1 kopieren) der Funktionsweisen des menschli-chen Körpers. Dem entspricht auch die Verwendung desBegriffs von Bar-Cohen (2005), der nicht zwischen Bio-nik und Biomimetik unterscheidet; er versteht Bionik alsKopieren, Imitieren und Lernen von der Biologie undsieht Prothetik als ein Anwendungsfeld dieser Erkennt-nisse (IÖW/GL 2005, S. 74).

Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) zählt explizit die„bionische Prothetik“ zu den Feldern der Bionik undnennt als Unterkategorien die „Funktionsoptimierung vonProthesen, einwachsende Prothesen und Verbesserung derVerträglichkeit“ (VDI 1993, S. 15). Auch die EuropeanSpace Agency führt in ihrer Übersicht zum Thema Bio-mimicry die Entwicklung künstlicher Muskeln (im Sinneeiner Entwicklung von Materialien und Mechanismen zurÜbernahme muskulärer Funktionen) auf (Ayre 2004).Klassische Prothesen sowie Chochlear Implantate undkünstliche Retinas sind jedoch nicht explizit benannt.

Firmen mit prothetischen Produkten ordnen sich teilweiserelativ eindeutig der Bionik zu. Zum Beispiel plant dieFirma Victhom-Human Bionics die Entwicklung künstli-cher Exo-Muskeln, die innerhalb von Prothesen Muskel-funktionen übernehmen sollen. Einer der größten Produ-zenten von Cochlea-Implantaten, nennt sich AdvancedBionics. Das Unternehmen unterhält eine Vereinigung fürCochlea-Patienten und -Ärzte, die den Namen Bionic EarAssociation trägt (IÖW/GL 2005, S. 75).

Sieht man die aufgeführten Begriffseingrenzungen undhistorischen Entwicklungen in einem historischen Konti-nuum, dann waren frühe Prothesen in zurückliegendenPhasen zwar von den natürlichen Gliedmaßen inspiriert(oft auch in Analogie zum Original gefertigt), aber siewaren oft relativ weit weg vom Original (Stock als Bein-prothese, Haken als Hand etc.). Mit zunehmender wissen-schaftlicher Erkenntnis wurden diese deutlich verbessert.Dies entspräche in etwa der Begriffsverwendung des VDImit seiner Betonung der inkrementellen Verbesserung.Mit dem wissenschaftlichen Fortschritt in den verschiede-nen Bereichen der Biologie und der Medizin und der da-mit verbundenen Möglichkeit des tieferen Verständnisseswurde über die Zeit aus der vereinfachten, zweckmäßigenAnalogie das Ziel einer komplexeren „Kopie bzw. Imita-tion“ (z. B. vergleichbar mit dem Ziel des „perfekten Ar-mes“). In der praktischen Entwicklung von Prothesen las-sen sich somit Analogie und Kopie nicht klar voneinandertrennen (IÖW/GL 2005).

Angrenzende Bereiche

Als einen angrenzenden Bereich könnte man die Gewebe-züchtung auffassen.48 Sie spielt jedoch in der Bionik-Community nur am Rande eine Rolle. Teilweise wird sie

implizit in Übersichtsdarstellungen mitgeführt wie z. B.in einer aktuellen Broschüre des BMBF zur Bionik in ei-nem Unterkapitel zu Menschen und Material, wo diePrinzipien des Knochenwachstums als Vorbild für dieEntwicklung von Hartgewebeimplantate genannt werden(BMBF 2005c).49 Der Bereich der Gewebezüchtung sollhier zunächst nicht weiter verfolgt werden.50

Bei der Entwicklung von Prothesen ist ein zentralerPunkt, die Signale vom Gehirn zur Prothese zu lenkenund umgekehrt. Werden Signale vom Gehirn zu einemComputer gelenkt, spricht man auch von Brain-Compu-ter-Interfaces (BCI). Es ist davon auszugehen, dass neueEntwicklungen im Bereich der neuronalen Steuerung inprothetische Anwendungen einfließen können. Das trifftinsgesamt auch auf das breiter fassbare Themenfeld„Schnittstelle Mensch – Maschine“ oder auch „Biologie –Maschine“ zu, welches zunächst nicht weiter separat aus-geführt werden soll.

Ein weiteres Forschungsfeld ist das der Mechatronik(auch Biomechatronik). Es verbindet interdisziplinär er-zielte Ergebnisse aus dem Maschinenbau, der Elektronikund der Informatik, um die Leistungsfähigkeit klassischerSysteme zu verbessern und um vollständig neue Funktio-nen zu realisieren. Aktuelle Entwicklungen sind gekenn-zeichnet von einer zunehmenden Komplexität, wobei sichdiese in technischen Systemen mehr und mehr der Naturannähert. Die damit eng verbundene Frage, ob der Be-reich biologisch-technischer Interaktion bzw. Schnittstel-len (Bioelektronik oder Biomikromechanik), die direktdie Verknüpfung biologischer und technischer Strukturenauf der Mikroebene betreiben, zur Bionik gehört odernicht, bleibt kontrovers. Im Themenfeld „SchnittstelleMensch/Biologie/Maschine“ gibt es beispielsweise Ar-beitsgruppen an der TU Ilmenau (Institut für Mikrosys-temtechnik, Mechatronik und Mechanik; FB Biomecha-tronik, Prof. Dr. Hartmut Witte; Themengebiet: Bionikund Mechatronik für das Biomedical Engineering; Bio-nisch inspirierte Robotik) (Biokon 2005b; TU Ilmenau2005) und an der TU Darmstadt (Biotechnik-ZentrumDarmstadt, Dr. Torsten Rossmann; Themengebiet: Bioni-scher Roboterarm) (Biokon 2005b; Bitz 2005; UMSICHT2005, S. 53). Das Themenfeld Biomechatronik wird hierzunächst auch nicht weiter ausgeführt. Ergänzend ist dasThemenfeld Robotik zu nennen, welches auf der Analyse

48 Gewebezüchtung wird hier aus zwei Gründen thematisiert: Erstenswird der Einsatz von Nanotechnologie hier bereits jetzt breit disku-tiert, so dass Gewebezüchtung als eine Art Vorstufe zum Themen-komplex Nanotechnologie/Nanobiotechnologie gesehen werdenkann. Zweitens werden am Beispiel Gewebezüchtung die Problemebeim Kopieren von der Natur deutlich. Letztendlich strebt die Gewe-bezüchtung ein Verständnis der natürlichen Prozesse zur Reproduk-tion von ganzen Körperteilen mit all den damit verbundenen Chan-cen und Risiken an (IÖW/GL 2005).

49 Für das BMBF fällt Gewebezüchtung unter das Thema „Regenerati-ve Medizin“.

50 Auch in diesem Bereich gibt es unterschiedliche Auffassungen, in-wieweit eine Zuordnung zur Bionik nachvollziehbar ist. Im U.S.-amerikanischen National Institute of Dental and CraniofacialResearch (NIDCR) werden Biomimetics und Tissue Engineering ex-plizit in Zusammenhang gebracht. Demnach ist Biomimetics dieWissenschaft, in der Biologie und Ingenieurwissenschaft zusammen-kommen, um die biologischen Prinzipien zu erforschen, die zur Her-stellung von bioinspirierten Materialien zur Gewebezüchtung not-wendig sind (NIDCR 2005, S. 1). Einen direkten Zusammenhangvon Gewebezüchtung und Bionik stellen auch Firmen über ihre Pro-dukte her. So zählt die Firma Dentigenix, die die Züchtung von gan-zen Zähnen und Zahnschmelzkomponenten beabsichtigt, biomimeti-sche Methoden als Teil ihrer Entwicklungsverfahren auf, ohne sieweiter zu beschreiben. Das Unternehmen Biomimetic Pharmaceuti-cals, das Gewebe zum Ersatz von beschädigten Knochen zu züchtenplant, stellt den Bezug bereits im Firmennamen her. Die Liste ließesich fortsetzen (IÖW/GL 2005).


der natürlichen Bewegungen aufbaut. Eine potenzielleAnwendung läge hier z. B. in einem Datenhandschuh fürArbeiten unter Wasser (für Montagearbeiten in 10 000 mTiefe), der wie eine menschliche Hand funktioniert.

2.2 Ausgewählte prothetische AnwendungenMit den heute verfügbaren Prothesen und Implantaten istdas Ziel der Prothetik – die Wiederherstellung von einge-schränkten oder verloren gegangenen Körperfunktionen –zwar partiell, jedoch noch nicht umfassend erreicht. Indiesem Bereich gibt es eine breite medizinische For-schung sowie eine entsprechende Dokumentation derFunktionsweise einzelner Prothesen und des aktuellenStandes der Forschung (VDE 2005). Im Folgenden sollendaher nur exemplarisch einige Anwendungsbereiche he-rausgestellt werden, wobei der bionische Bezug im Vor-dergrund stehen soll.

Historische Hinweise für die Konstruktion und Applika-tion von Prothesen finden sich bereits lange vor Beginnder christlichen Zeitrechnung. Historisch gesehen standzunächst die Entwicklung von Exoprothesen im Vorder-grund (z. B. Bein-, Zahnersatz); im Zuge der technischenEntwicklung nahm die Bedeutung von Endoprothesen zu.Anfang des 20. Jahrhunderts wurden erste künstlicheHüftgelenke eingesetzt, die erste künstliche Herzklappewurde 1951 und das erste künstliche Herz 1982 implan-tiert. Mit der Zunahme des Wissens nahmen auch dieKomplexität der Prothesen und damit auch die Zahl derbeteiligten Disziplinen an der Entwicklung von Prothesenzu (IÖW/GL 2005, S. 74 f.). Das zunehmende Verständ-nis des Nervensystems im 20. Jahrhundert erlaubte esnachfolgend, einen direkten Zugriff auf die peripherenund zentralnervösen Bestandteile des Nervensystems vor-zunehmen und dadurch einerseits zerstörte Sinnesepithe-lien zu ersetzen und andererseits eine unmittelbare An-

steuerung mechanischer Prothesen zu erzielen (Luksch2005).

Nach dem zweiten Weltkrieg wurden die Veteranenkran-kenhäuser systematisch in die Forschung von medizini-schen Forschungseinrichtungen eingebunden. In dieseZeit fallen auch die ersten Untersuchungen der menschli-chen Fortbewegung (Lokomotion) zur Verbesserung vonProthesen. Auch heute noch ist zum Beispiel in den Ver-einigten Staaten das Ministerium für die Angelegenheitender Veteranen (Department of Veteran's Affairs, VA) einsder wichtigsten Akteure bei der Weiterentwicklung vonProthesen (Bristol 2005).

Zentral ist bei verschiedenen Anwendungen (trotz unter-schiedlicher technischer Prinzipien), dass in allen Fällendas Prinzip der neuronalen Steuerung eine Rolle spielt.Dies beruht auf der Tatsache, dass es Ähnlichkeiten beider Informationsübertragung zwischen Neuronen undelektronischen Bausteinen gibt. Elektronische Bausteinetransportieren Information als Stromstöße in Form vonElektronen, die sich in Metallleitern fortbewegen; Neuro-nen transportieren Information als Stromstöße in Formvon Ionen, die sich in Wasser bewegen. Aus diesem Grundwird angenommen, dass es über die richtigen Schnittstel-len möglich sein sollte, mit elektronischen Bausteinenneuronale Aktivität aufzuzeichnen und anzuregen.

2.2.1 Ausgewählte Akteure

Akteure im Bereich der Prothetik, die aus industriellerSicht einen bionischen Bezug aufweisen, sind in Tabel-le 7 aufgeführt. In Bezug auf Forschungsarbeiten in FuE-Einrichtungen sei im Zusammenhang mit Akteuren aufden Anhang 1 verwiesen. Dort wird die Prothetik zwarnicht separat aufgeführt, jedoch findet sich eine Reihevon Einrichtungen, die im medizinischen sowie in

Ta b e l l e 7

Akteure im industriellen Bereich (Auswahl)

Quelle: UMSICHT 2005, S. 62 u. 84

Unternehmen Themengebiet/Produkt QuelleAdvanced Bionics, Sylmar, USA „bionic ear“;

Cochlea-Implantate (implantierbare Hörhilfen)

Advanced Bionics 2005

Chendo GmbH, Saalstadt trabekulär orientierte Endoprothesensysteme (bionisches Dämpfungssystem)

Chendo 2005

Cochlear Headquarters, Lane Cove, Australien


Cochlear 2005

MED-EL Worldwide Headquar-ters, Innsbruck, Österreich


MED EL 2005

Össur Europe, Pulheim (Stammsitz Island)

bionische Prothesen Össur 2005

Otto Bock HealthCare GmbH, Duderstadt

bionische Armprothese Otto Bock 2005, Hamburger Abendblatt 2005

Phonak Gruppe, Stefa, Fellbach (Hauptsitz Schweiz)

Hörgerätelinie Savia, Chiptechnologie, die Fähigkeiten von biologischen Systemen mit Digitaltechnologie umsetzt

Phonak 2005


angrenzenden Bereichen (Biomechanik, Biosensorik,Reizweiterleitung etc.) tätig sind.

Ein zunehmend wichtiger werdender Akteur ist die US-amerikanische Raumfahrtbehörde, die eine Reihe vonForschungsprogrammen im Bereich Bionik inklusiveProthetik unterhält (Bar-Cohen 2005).

2.2.2 Arm- und Beinprothesen

Die Entwicklung von Arm- und Beinprothesen kann indrei Entwicklungsabschnitte unterteilt werden: mechani-sche Prothesen, elektrische Prothesen und computerge-steuerte Prothesen. Auf die Beschreibung von passiven,rein kosmetischen Prothesen wird verzichtet.

Die ersten mechanischen Prothesen entstanden mit Betei-ligung von Uhrmachern an der Entwicklung, und es ge-lang die Fertigung von komplexeren Funktionen mit Fe-dern und Zahnrädern.51 Für den Alltag gab es einfacheHolzbeine und Handhaken. Elektrische Prothesen, auchmyoelektrische Prothesen genannt, haben gegenüber me-chanischen Prothesen den Vorteil, dass sie besser und fes-ter greifen können sowie vielseitiger und einfacher zu be-nutzen sind. Die zentralen Komponenten elektrischerProthesen sind kleine Elektromotoren, die die Finger-,Hand- und Ellenbogengelenke der Prothese bewegen.52

Die am weitesten entwickelte myoelektrische Prothese istder so genannte bionische Arm. Der bionische Arm isteine Prothese im Falle des vollständigen Armverlustes(Rehabilitation Institute of Chicago o.J.).

Computergesteuerte Prothesen unterscheiden sich vonmyoelektrischen Prothesen dadurch, dass eine komple-xere Sensorik und ein Computerprozessor in die Protheseintegriert sind. Die zusätzliche Sensorik dient der Über-wachung der Bewegungsausführung. Die leistungsfä-higste Prothese ist momentan das C-Leg,53 wobei C für

„computerised“ steht. Es ist die erste Prothese, derenKniegelenksystem mit einer elektronisch geregelten hy-draulischen Stand- und Schwungphasensicherung ausge-stattet ist. Die Grenzen zwischen myoelektrischen undcomputergesteuerten Prothesen sind in den einzelnen Pro-thesen fließend. Während das C-Leg ohne myoelektrischeSchnittstelle konstruiert ist, gibt es myolelektrischeHandprothesen, die per Sensor die Stellung der Hand unddes in der Hand gehaltenen Objektes kontrollieren, umbei Bedarf etwa automatisch den Druck der Hand zu er-höhen (IÖW/GL 2005, S. 79).Trotz signifikanter Fortschritte bei künstlichen Körperex-tremitäten können die erhältlichen Prothesen heute kei-neswegs mit dem gesunden Arm oder Bein konkurrieren.Für die Zukunft der Prothetik werden neuronale Steue-rung, biohybride Systeme und muskelähnliche Bewe-gungsauslöser (Aktuatoren) entscheidend sein.Unter dem Oberbegriff Biomimetics wird eine Reihe vonForschungsaktivitäten unternommen, die erst im zweitenSchritt zur Entwicklung verbesserter Prothesen beitragen.Im ersten Schritt wird versucht, den Aufbau und den Ab-lauf menschlicher Bewegungen, des dafür notwendigenDesigns und des Zusammenspiels von Knochen, Muskelnund Gelenken zu verstehen. Daher kann man davon aus-gehen, dass Prothesen sich weiter den natürlichen Funk-tionen von Gliedmaßen annähern werden.So gehen einige Entwickler beispielsweise davon aus,dass die Bewegungsfreiheit von Handprothesen verbessertwerden würde, wenn das Handgelenk der Prothese in Auf-bau und Funktionsweise dem menschlichen Original mög-lichst nahe ist. Dies erfordert ein umfassendes Verständnisder Anatomie sowie des Muskelzusammenspiels und de-ren Übersetzung in mathematische Modelle. Die bioni-sche Komponente wird z. B. in der Nachahmung derKrümmung von Knochen (Elle und Speiche beim Arm)gesehen (Herr et al. 2003). Weiterhin wird versucht, einebessere Überwachung der Stellung der Prothese im Raumzu erreichen54 und diese Information an den Prothesenträ-ger über Nerven rückzukoppeln (Stichwort Neuroprothe-tik). Dies würde die Anforderungen an die Signalübertra-gung signifikant erhöhen. Hier besteht nochForschungsbedarf.

2.2.3 HörprothesenHörgeräte und Implantate unterscheiden sich dadurch,dass bei ersteren der Schall verstärkt weitergegeben wird,während beim Implantat der Hörnerv direkt über eineElektrode stimuliert wird (Shields/Gadre 2002).

Elektrische HörgeräteBei elektrischen Hörgeräten wird der Schall von einemMikrophon aufgenommen und über mehrere Schritte in

51 Ein herausragendes Beispiel von prothetischer Handwerkskunst istder Arm von Götz von Berlichingen (1480 bis 1562). Jedes Armge-lenk konnte über die gesunde Hand einzeln bewegt werden. DurchFedern konnten die Gelenke arretiert und gelöst werden. Die Handder Prothese konnte pronieren and suprinieren und war an Lederbän-dern am Unterarm befestigt (Meier 2004).

52 Dabei nehmen kleine Oberflächenelektroden im Sokkel der Protheseauf der Haut des Armstumpfes elektrische Spannungen auf, die beiMuskelkontraktion im Stumpf entstehen. Sie werden verstärkt undschalten die Elektromotoren für bestimmte Bewegungen an. Die neu-esten Elektroden können verschiedene Signale unterscheiden und er-möglichen verschiedene Bewegungen. Voraussetzung für Benutzungist allerdings, dass der Träger die Muskeln im verbliebenen Stumpfeinzeln an- und entspannen kann (Dailami 2002).

53 Das C-Leg besteht aus einem Carbonrahmen mit Hydraulik, Servo-motoren, Elektronik und Akku sowie einem Unterschenkelrohr. EinSensor im Unterschenkelrohr misst kontinuierlich, in welcher Phaseeines Schrittes sich der Prothesenträger befindet. Die Daten werdenan einen Mikroprozessor weitergeleitet, der die entsprechenden Be-wegungswiderstände für die Hydraulik berechnet. Ein weiterer Sen-sor misst die nötigen Daten für die Schwungphase des Beines, einKraftmesser misst die Fersen- und Vorfußlast. Neben der Komplexi-tät der Prothese (Sensorik, Datenübertragung, Datenverarbeitung,Impuls an Hydraulik) hat sich mit dem C-Leg auch die Komplexitätfür den die Prothese anpassenden Prothetiker verändert. Der Prothe-senträger benötigt neben der entsprechenden Schulung auch spezielleGeräte zur Anpassung und Justierung der Prothese (Jung 2004). DieProthese wird über einen vasenförmigen, mit Gelkissen gepolstertenSilikonschaft mit dem Beinstumpf verbunden (Jung 2004).

54 Wird die Stellung der Prothese im Raum erfasst, muss die Positioneinzelner Prothesenteile in Beziehung zu einer Reihe von äußerenParametern gesetzt werden (Krümmung des Fingergelenks am Zeige-finger in Bezug zu den einzelnen Gliedmaßen am Daumen, zur Han-dinnenfläche, zum gehaltenen Objekt, etc). Dadurch wird einerseitsdie zu verarbeitende Datenmenge größer, werden die Rechenaufga-ben aufgrund der erhöhten Zahl an zu berücksichtigten Parameternkomplexer und die Auswahl Reaktionsmöglichkeiten, über die auto-matisch entschieden werden muss, größer (IÖW/GL 2005).


ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses wird über ei-nen Verstärker zu einem Empfänger weitergeleitet, erneutin ein akustisches Signal umgewandelt und verlässt danndas Hörgerät. Problematisch bei elektrischen Hörgerätenist, dass der verstärkte Schall mit zunehmender Laut-stärke an Hörqualität verliert, da Hintergrundgeräuschemit verstärkt werden. Die meisten Hörgeräte sind immernoch analog. Bei älteren Modellen wurden die eingehen-den Geräusche einfach linear verstärkt. Inzwischen gibtes auch analoge Hörgeräte, die mit Hilfe eines Computersdigital programmiert werden können (bessere Modulationder Verstärkung). Der fortgeschrittene Stand der Technikin diesem Bereich sind digitale Hörgeräte, bei denen derSchall in numerische Daten übertragen wird. In einemChip wird der Schall so bearbeitet, dass er relativ origi-nalgetreu weitergegeben werden kann. Elektrische Hör-geräte unterscheiden sich weiterhin durch den Ort, andem sie getragen werden: hinter dem Ohr, in der Ohrmu-schel, in einer Brille (Shields/Gadre 2002).

Cochlea-Implantate

In Deutschland leiden etwa 3 Mio. Menschen an einer In-nenohrschwerhörigkeit, die mit herkömmlichen Hörgerä-ten nicht behoben werden kann. Meist liegt der Grunddafür in einer irreversiblen Schädigung der Haarsinnes-zellen im Hörorgan, der Cochlea oder auch Innenohr-schnecke. Da die zum Zentralnervensystem führendenNerven in diesen Fällen noch intakt sind, kann durch einedirekte Elektrostimulation der Nervenendungen die feh-lende Sinnesübertragung ersetzt werden. Schallsignalewerden durch ein Mikrophon aufgefangen, in ihre Fre-quenzanteile zerlegt, und dieses Signal wird durch Bün-del von Elektroden frequenzspezifisch an die Nervenen-dungen übertragen (Luksch 2005).

Allerdings erreicht die Dichte der Elektroden bei weitemnicht die Dichte der Sinneszellen in der Cochlea. Das mo-mentane Maximum besteht aus 22 Kanälen über 22 Elek-troden. Damit kann das Cochlea-Implantat55 wesentlichweniger Signale an den Hörnerv weiter geben, als eine in-takte Cochlea, was zu einem hohen Informationsverlustund zu einer verzerrten Schallaufnahme führt. Für diemeisten Träger erlaubt das Implantat nur die Erkennungvon Geräuschen (ASHA 2004). Das Hören über das Im-plantat muss deswegen erlernt werden (mehrmonatige

Trainingsphase56). Die Gründe für die Hörergebnisse beiden Betroffenen sind nicht genau bekannt. Die Erklä-rungsansätze reichen von den individuellen Eigenschaf-ten der Patienten (Kurzzeitgedächtnis) bis zu der Häufig-keit der gehörten Wörter und ihrer akustischenÄhnlichkeit. Einigkeit besteht lediglich darüber, dass derGrund nicht in den unterschiedlichen Produkten der dreiAnbieter liegt (Zeng 2004).

Der Erfolg der Cochlea-Implantate ist zum Teil darauf zu-rückzuführen, dass im Innenohr eine vergleichsweise ein-fache Abbildung der akustischen Signale erfolgt, die Pro-these also an diesem Übertragungsprinzip unmittelbarankoppeln kann.57 Forschungsbedarf besteht noch in derGrundlagenforschung (wie genau die neuronale Verarbei-tung im Nukleus cochlearis erfolgt), um eine adäquateStimulation zu generieren und dem Patienten einen „nor-malen Höreindruck“ zu vermitteln. Zudem konzentriertsich die aktuelle Forschung auf die Optimierung der tech-nischen Vorverarbeitung des Signals (Luksch 2005).

Zukünftig sollen Cochlea-Implantate kleiner werden undverbesserte Funktionen zum Verstehen von Musik undSprache, zur Schallquellenortung, zur Tonunterscheidungetc. erhalten. Auch hier setzen Wissenschaftler auf wei-tere Entwicklungen in Nanotechnologie und Bionik: „Mi-cromachining, and nano- and biomimetic technology willproduce innovative interfaces, electrodes, microphones,power sources, and packaging for totally biocompatibleand totally implantable cochlear implants“ (Zeng 2004,S. 28).

2.2.4 Retina-Implantate

Während Cochlea-Implantate bereits häufig eingesetztwerden, sind Prothesen für einen Ausfall des Sehsystemsnoch nicht marktreif. Problematisch ist vor allem dienoch weitgehend unverstandene Vorverarbeitung opti-scher Signale in der Netzhaut des Auges. Nicht nur dieAnzahl der Sinneszellen ist mit über 120 Mio. sehr hoch,auch die Vorverarbeitung des Signals in der Retina bis zuden ins Gehirn projizierenden Ganglienzellen ist hoch-komplex. Neben den Ansätzen, das optische Signal aufder Ebene der Retina in das visuelle System einzukop-peln, gibt es auch Bestrebungen, die optischen Nervenoder die visuellen Zentren der Großhirnrinde direkt zu sti-mulieren. Während die Einkopplung in den optischenNerven vor allem mit technischen Problemen verbundenist, ist die Stimulation des visuellen Cortex – aufgrundvon Wissenslücken um dessen Verarbeitungsprinzipien –problematisch. Hier besteht noch enormer Forschungsbe-darf (Luksch 2005).

55 Ein Cochlea-Implantat besteht aus zwei integralen Bausteinen, vondenen nur der interne Teil implantiert wird. Der interne Baustein istein Stimulator, der über einen Bleidraht mit einer Infracochlea-Elek-trode verbunden ist und in den Schädel nahe der Cochlea implantiertwird. Der äußere Baustein besteht aus einem Mikrophon (am äußerenOhr angebracht), einem Sprachprozessor (am Ohr oder am Körperangebracht) und einem Sender (hinter dem Ohr platziert). Über dasMikrophon empfangener Schall wird in elektrische Signale übersetzt,dann im externen Prozessor digitalisiert und zum Sender geschickt.Von dort gehen sie über Radiowellen zum Stimulator. Dort wird dasSignal in ein elektrisches Signal gewandelt und zur Elektrode ge-schickt, die den Hörnerv anregt (Toh/Luxford 2002). Momentan gibtes Implantate von drei verschiedenen Anbietern, deren Modelle aberalle nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Unterschiede bestehen inder Gestaltung der Elektroden und verschiedenen Mustern derSprachcodierung (Zeng 2004).

56 Der Erfolg bei der Wiedererlangung des Hörvermögens nach einererfolgten Implantation variiert stark von Patient zu Patient. DieBandbreite reicht von Patienten, die lediglich eine sehr geringe Ver-besserung erfahren, bis zu Patienten, die in einer ruhigen Umgebungso gut hören wie vor Beeinträchtigung der Hörfähigkeit (IÖW/GL2005).

57 Sobald pathologische Veränderungen am Hörnerv vorliegen, wird dieAnbindung komplizierter, da das Signal dann direkt auf das erstezentralnervöse Zentrum übertragen werden muss.


Schematisch sind die Retina-Implantate den Cochlea-Im-plantaten ähnlich. Statt Schall wird Licht aufgenommen,von einem Mikroprozessor verarbeitet, und über eineElektrode wird der Sehnerv angeregt. Es gibt zwei Artenvon Retina-Implantaten, die sich zwar vom Prinzip herähneln, in der Lage der Elektrode leicht, in der techni-schen Umsetzung aber stark unterscheiden. Bei epiretina-len Prothesen58 wird die Elektrode auf der Netzhaut, beisubretinalen Prothesen59 hinter der Netzhaut positioniert(IÖW/GL 2005, S. 82).

Momentan wird das Implantat im Tierversuch entwickelt,wobei sich seine prinzipielle Funktionsfähigkeit gezeigthat. Beim Menschen wird das subretinale Implantat mo-mentan nicht getestet. Dies liegt unter anderem daran,dass der operative Eingriff wesentlich aufwendiger undtiefer ist als beim epiretinalen Verfahren (Gekeler/Zrenner 2005). Voraussetzung für die Entwicklung vonRetina-Implantaten waren Fortschritte in der Medizin,den neuronalen Interfaces und der Mikrosystemtechnik.Durch sie wurden die Miniaturisierung der elektronischenHardware, die Entwicklung neuronaler Schnittstellen unddie Verankerung der Implantate möglich.

Retina-Implantate werden direkt mit Bionik in Zusam-menhang gebracht, allerdings in einer facettenreichenDiskussion: Neben simplen Gleichstellungen „Retina-Im-plantat=bionisch“ gibt es auch Einschätzungen, dass Re-tina-Implantate erst bionisch werden, wenn zum Beispieldie verwendeten Mikroprozessoren nach Vorbild vonneuronalen Netzwerken lernfähig werden (EuropeanCommission/US National Science Foundation 2001, S.26). Hinsichtlich der Zuschreibung zur Bionik ist das Re-tinaimplantat ein Beispiel dafür, wie die mit der Bionikkonnotierte „Naturnähe“ und „Sanftheit“ miteinander inKonflikt geraten können. Auf den ersten Blick scheint dassubretinale Implantat „naturnäher“ zu sein, weil es mit

wesentlich weniger Technik auskommt als das epiretinaleImplantat. Bei genauerer Betrachtung der zur Implanta-tion notwendigen chirurgischen Verfahren könnte sichaber herausstellen, dass der Eingriff zum Einsetzen einesImplantats unter der Netzhaut wesentlich schwieriger undriskanter ist als der eines Implantats auf der Netzhaut(IÖW/GL 2005).

2.3 Trends, Chancen und RisikenEine zusammenfassende Beschreibung von technologi-schen Trends, die das gesamte heterogene Feld der Pro-thetik betreffen, kann an dieser Stelle nicht erfolgen, son-dern bedürfte einer eigenen Untersuchung. Bei derBetrachtung von Chancen und Risiken spielen nicht nurdie forschungsseitigen Möglichkeiten eine Rolle, sondernauch die öffentliche Wahrnehmung des Themas und dieSichtweise von betroffenen Personen.

Akzeptanzfragen

Beim Einsatz und Tragen von Prothesen treten medizini-sche Risiken (Überbelastung der gesunden Köperteile,Entzündungen im Stumpf, Risiken beim operativen Ein-griff, offene Frage nach der langfristigen Biokompatibili-tät der Implantate im Körper etc.) als auch Akzeptanzfra-gen auf.

Am Beispiel des Cochlea Implantats zeigt sich zusätzlichein soziales Risiko bei der Einführung von Prothesen oderMedizintechnik allgemein. Gehörlose hatten in den Nie-derlanden die Implantation von Cochlea-Implantaten öf-fentlich abgelehnt. Sie begründeten dies mit der durch dieAnwendung der Technologie einhergehende Positionie-rung der Welt der Gehörlosen als „behindert“ durch dieWelt der Hörenden. Das Beispiel illustriert, wie die Welt-sichten der Technologieentwickler und einiger potenziel-ler Technologienutzer sich unterscheiden können. Warendie Entwickler der Implantate davon ausgegangen, dassdie Implantate zum Vorteil von allen Gehörlosen sind (an-geboren und später erworben), so wurde diese Ansichtnicht von allen Gehörlosen geteilt (Blume 2000; IÖW/GL2005; Reuzel 2001).

Insgesamt gesehen ist – ähnlich wie Nanotechnologie beiImplantaten – auch Bionik im prothetischen Bereich eineeher „virtuelle Diskussion“ für die Anwenderseite. Derscheinbaren Etablierung auf der Forschungsebene ent-spricht keine wirkliche Etablierung in der Praxis (Aus-nahme: Oberflächenbeschichtungen bei Implantaten). Eingrundlegendes Akzeptanzproblem bei Implantaten ist,dass bei Vitalimplantaten (z. B. Herzschrittmacher) imAllgemeinen bei Betroffenen eine offene, positive Ein-stellung herrscht. Komplexere Implantate stoßen dagegeneher auf Ablehnung (z. B. mit Argumenten wie „machtdas Leben kompliziert“).

Erwartungen an die Nanotechnologie liegen eher bei derFertigungstechnik (Herstellung von Nano- bzw. Mikro-Elektroden); Erwartungen an die Bionik bestehen in derProthetik am ehesten in Sachen Formoptimierung, umMaterial einzusparen (Stieglitz 2005). Seitens der Her-steller sind damit Hoffnungen auf eine verbesserte Kun-

58 Ein epiretinales Implantat stimuliert die Ganglienzellen des Sehnervsdurch Elektroden, wenn es durch die Degeneration der dazu eigent-lich dienenden Neuronen in der Netzhaut zur Erblindung gekommenist. Epiretinale Prothesen ähneln im technischen Aufbau den Coch-lea-Implantaten. Eine Kamera, die beim Prothesenträger etwa in ei-ner Brille integriert sein könnte, fängt die Bilder der Außenwelt einund leitet sie an einen Sehprozessor weiter. Der Sehprozessor wirdextern am Körper getragen. Der Prozessor wandelt die Kamerasigna-le mit Hilfe von retinaspezifischen Algorithmen in einen Datensatz,der die in der Retina implantierte Elektrode steuert. Über einen,ebenfalls extern am Körper getragenen, Sender geht der Datensatzdann an einen Empfänger, der in einer künstlichen Linse angebrachtist. Der Empfänger ist schließlich über ein Mikrokabel mit der Elek-trode verbunden, an die er die Daten weiterleitet. In die Elektrode in-tegriert ist ein Simulatorchip, der die empfangenen Daten decodiertund daraus Dauer sowie Stärke der Reizströme der Elektrode be-stimmt (Walter/Mokwa 2005).

59 Beim subretinalen Implantat sollen degenerierte Photorezeptoren er-setzt werden. Das Implantat besteht aus einem Mikrodiodenphoto-Array (MPDA) und Mikroelektroden. Das MPDA ersetzt die Photo-rezeptoren und misst die Helligkeit des auf die Netzhaut projiziertenBildes an bis zu 1 500 Orten. Gleichzeitig wandelt es das Licht inStrom um. Die Mikroelektroden geben den Strom an die über demImplantat liegende Netzhaut ab. Zur Weiterleitung des Bildes müssenallerdings der optische Apparat des Auges zur Projektion eines Bil-des auf die Netzhaut und die restlichen Netzhautschichten aktiv ge-nug sein, um die vom Implantat generierten Signale über den Seh-nerv ans Gehirn zu leiten.


denakzeptanz durch einen verbesserten Tragekomfort beizunehmender Komplexität von Prothesen/Implantatenverbunden.

Prinzip der neuronalen Steuerung

Das Prinzip der neuronalen Steuerung kann als eine zu-künftige Entwicklungslinie identifiziert werden, wobeisich die meisten diesbezüglichen Aktivitäten noch im Be-reich der Grundlagenforschung oder in Frühphasen derAnwendung befinden. Ein Ansatzpunkt ist z. B. die Elek-trostimulation von Zentren im Zentralnervensystem(ZNS). Das ZNS von Wirbeltieren ist so komplex, dasseine direkte elektrische Stimulation zentralnervöser Zen-tren mit vielen Schwierigkeiten verbunden ist. Deutlichproblemloser sind Stimulationen peripherer Nerven, diebei verschiedensten pathologischen Veränderungen ein-gesetzt werden (z. B. Spinalnervenstimulation zurBlasen- und Schließmuskelkontrolle bei Querschnittsläh-mung). Es gibt allerdings einige erfolgreiche Anwendun-gen der direkten Elektrostimulation im Zentralnervensys-tem (z. B. zur Linderung motorischer Blockaden beiParkinson-Patienten). Des Weiteren gibt es für die direkteAnsteuerung von Prothesen, also die Behandlung vonquerschnittsgelähmten Patienten, eine Vielzahl von An-sätzen, die darauf abzielen, entweder die noch vorhan-dene Muskulatur zu stimulieren oder Prothesen zu bewe-gen. Problematisch bleibt – als Ansatzpunkt für dieBionik – die biologische Informationsverarbeitung60 unddaraus abgeleitete Algorithmen für die Technik (Luksch2005).

Hybridtechnologie

Unter dem Begriff Hybridtechnologie versteht man diedirekte Kopplung von biologischen informationsverarbei-tenden Elementen (Neuronen) mit technisch hergestelltenElementen (Halbleiterbauteile). Im technischen Bereichist inzwischen relativ viel Grundlagenforschung geleistetworden, so dass es heute möglich ist, verschiedenste Ner-venzellen auf Siliziumchips wachsen und eine Interaktionzwischen den Komponenten stattfinden zu lassen (Luksch2005).

Mit der Forschungsrichtung „biohybride Körperteile“hoffen Wissenschaftler, aus gezüchtetem Gewebe, verlän-gerten Knochenstümpfen, Titanprothesen und einer neuenGeneration von implantierten Sensoren Prothesen zuschaffen, die über Gehirnsignale gesteuert werden können(Versweyveld 2004). Beispielsweise entwickelt die FirmaCyberkinetics momentan einen Chip unter dem NamenBraingate, der es seinen Trägern ermöglicht, durch Ge-danken Dinge in Bewegung zu setzen. Das Chipsystem

besteht aus einem Sensor, der in den „Motor Cortex“ desGehirns implantiert wird und einem Apparat, der die Ge-hirnsignale interpretiert. Der Chip ist für Querschnittsge-lähmte konzipiert und befindet sich in der klinischenTestphase. Zukünftig sollen mit dem Chip unter anderemRollstühle gesteuert und Exoprothesen bewegt werden.61

Nach Ansicht von Experten sind die praktischen und the-oretischen Schwierigkeiten der Hybridtechnologie nochso gravierend, dass ein ernsthaftes Nachdenken über„Chips im Gehirn“ oder „Gehirne im Computer“ derzeitnicht angebracht ist (Luksch 2005).

Ethische Aspekte

Wie bei allen Technologien sehen Experten auch bei derProthetik das größte Risiko in einer ungenügenden Sensi-bilisierung und Diskussion der Wechselwirkungenzwischen Mensch, Technik und Gesellschaft bei einerWeiterentwicklung und Weiterverbreitung von implan-tierbaren Mikrochips (Rodotà/Capurro 2005). Davon sindProthesenträger insbesondere betroffen, da in allen derdrei vorgestellten Bereiche der verstärkte Einsatz von im-plantierten Mikrochips geplant ist. Die EuropäischeGruppe für Ethik in den Naturwissenschaften und NeuenTechnologien bei der Europäischen Kommission nenntfolgende Punkte, die verstärkter Reflexion und Diskus-sion bedürfen (IÖW/GL 2005):

– Verletzung der Menschenwürde,

– Instrumentalisierung des Menschen,

– Wahrung der Privatsphäre,

– Diskriminierung bei der Bereitstellung von medizini-schen Leistungen,

– Wahrung des Vorsichtsprinzips,

– Wertekonflikte in der Technologieentwicklung.

Die Gruppe weist ebenfalls darauf hin, dass in einer gan-zen Reihe von Bereichen noch erhebliche Wissenslückenbestehen, deren Schließung zur Beurteilung von weiter-gehenden Risiken notwendig ist. Es ist beispielsweisenicht klar, unter welchen Umständen Gehirnimplantatedie Autonomie des Menschen antasten. Offen ist auch dieFrage, ob Implantate irreversible Folgen für Körper und/oder die Psyche des Menschen haben. Im Mittelpunkt ste-hen dabei Fragen nach der Würde des Menschen, speziel-len Implikationen für den Schutz der Privatsphäre undÜberwachung, Konsequenzen für das menschlicheSelbstverständnis bei der Verbesserung menschlicher Fä-higkeiten,62 sozialen Aspekten und der Vorhersehbarkeitder Risiken (Rodotà/Capurro 2005).

60 Ein wichtiger Unterschied zwischen technischer und biologischer In-formationsverarbeitung ist die jeweilige Zielsetzung: In der Technikist das Ziel, vorhandene Informationen auszuwerten und nach vorge-gebenen Algorithmen zu verarbeiten. Wichtig ist dabei die korrekteZuordnung zwischen Input und Output (z. B. Taschenrechner, Kre-ditkarten-Lesegerät). Das primäre Ziel von biologischen informati-onsverarbeitenden Systemen ist dagegen das Überleben seines Trä-gers. Biologische Systeme stehen daher meist vor dem Problem,entweder präzise oder schnell zu sein (Luksch 2005, S. 88).

61 Für eine ausführliche Beschreibung siehe http://www.cyberkinetic-sinc.com.

62 Der Begriff „Verbesserung menschlicher Fähigkeiten“ von (Rodotà/Capuro 2005) ist nicht weiter definiert. Er muss also sehr allgemeinals die Verbesserung der menschlichen Fähigkeiten über seine geneti-schen Veranlagungen hinaus verstanden werden (IÖW/GL 2005,S. 85)..


Der Einsatz von Prothesen und Implantaten ist zunächstauf eine Verbesserung der Lebensqualität Betroffenerausgelegt. Daneben sind mit diesen aber auch Leistungs-steigerungen beim Menschen („Enhancement“) möglich.Ansätze, die u. a. auch im Zusammenhang mit der Nano-biotechnologie verfolgt werden, zielen z. T. darauf ab,„natürliche Prozesse“ zu verbessern, nicht zuletzt des-halb, weil die Natur „keineswegs das Optimum erreichthabe“ (IÖW/GL 2005, S. 103). Es geht damit nicht alleinnur um die Frage des „enhancements“ des Menschen,sondern ebenso um das natürlicher Prozesse. Damit stehtauch das häufig verwendete Argument, die Natur habe5 Mrd. Jahre Erfahrung, aus Risikosicht in gewisserWeise in Frage.

Mit Bezug zu der eingangs erwähnten Einordnungspro-blematik der Nachbildung lebender Systeme, insbeson-dere von Prothesen und Implantaten, zur Bionik, lässtsich festhalten, dass sich die Fachwelt hier nicht einig ist.Interessant bleibt – unter bionischen als auch ethischenAspekten – der Bereich biologisch-technischer Interak-tion bzw. Schnittstellen (s. a. Kap. II), also der funktiona-len Verknüpfung biologischer und technischer Strukturen.

3. Natural Computing

Die Informations- und Kommunikationstechnologien(IuK) zeichnen sich seit Jahrzehnten durch eine außeror-dentlich hohe Dynamik aus. Kein anderes Gebiet hat diemoderne Gesellschaft so stark verändert (Castells 2001).Lebens- und Arbeitswelt, Konsum- und Produktionsmus-ter, Wertschöpfungsketten, politische Kommunikation(Grunwald et al. 2005) – kaum ein Bereich ist von denIuK nicht massiv beeinflusst worden. Informationsspei-cherung und -verarbeitung im Computer, mobile Kom-munikation und das Internet sind dabei die wesentlichentechnischen Entwicklungen. Angesichts technischer Pro-bleme weiterer Miniaturisierung und der Komplexitäts-steigerung in der Softwareproduktion werden zunehmendbionische (evolutionäre) Techniken erprobt. Zentraler Be-reich ist das „Natural Computing“. Dieser Abschnitt be-ruht vor allem auf dem Gutachten von IÖW/GL (2005).

3.1 Aktuelle Herausforderungen

Leistung und Kapazität der IuK konnten in den letztenJahrzehnten stark gesteigert werden, sowohl in Bezug aufdie Hardware, etwa durch höhere Taktfrequenzen, schnel-lere Zugriffszeiten und größere Speicher, als auch durchdie zunehmende Parallelisierung, Verteilung und Ver-knüpfung von Systemen. Die ortsungebundene Nutzungelektronischer Medien wurde vor allem durch die Mini-aturisierung und die Entwicklung drahtloser Übertra-gungstechnologien, wie Mobilfunk oder Wireless LANermöglicht. Neben den Veränderungen im geschäftlichenund privaten Bereich, wie mobile Kommunikation oder„mobiles Büro“, ermöglicht dies auch die Kommunika-tion von räumlich verteilten elektronischen Geräten un-tereinander (Ubiquitous Computing, vgl. Pfaff/Skiera2002). Die Miniaturisierung elektronischer Bauteile, ins-besondere bei der Prozessortechnik, im Bereich eingebet-

teter Systeme und mobiler Endgeräte ist dabei ein wesent-licher technischer Antreiber der Entwicklungen.

Es zeichnen sich jedoch technische Herausforderungenab, deren Lösung noch nicht klar erkennbar ist. Das giltzum einen für die fortschreitende Miniaturisierung, da beider weiteren Verkleinerung wichtige Materialeigenschaf-ten (z. B. in der Herstellung von Chips) zunehmend anihre Grenzen gelangen (BSI 2003). Mikrosystemtechnikund Nanoelektronik arbeiten zwar an weiteren Miniaturi-sierungsschritten (TAB 2003, Kap. VI); die Forschunghierzu ist jedoch noch teils weit von der industriellenNutzbarkeit entfernt.

Zum anderen deuten sich weitgehende Entwicklungshür-den im Softwaredesign an, die dazu führen, dass Soft-wareprodukte und -entwicklungen mit der Entwicklungder Hardware (Prozessorkapazität) nicht mithalten kön-nen. Traditionelle Methoden im Softwaredesign beinhal-teten eine gründliche Auseinandersetzung mit dem jewei-ligen Problem und eine genaue Planung derLösungsstrategie (top-down). Das bedeutet, dass grund-sätzlich – und damit auch bei sehr komplexen Anforde-rungen – die möglichen Zustände eines Programms unddie sich daraus ergebenden Situationen vollständig be-kannt und getestet worden sein sollten. Ab einem be-stimmten Komplexitätsgrad des Systems stößt dieser An-satz jedoch an Grenzen. So steht z. B. häufig in der Praxisnicht hinreichend Zeit zur Verfügung, um ein vollständi-ges Testprogramm durchzuführen. Ein Teil der Testphasewird dann letztlich dem Nutzer aufgebürdet.

Die Abhängigkeit der modernen Gesellschaft vom Funk-tionieren der IuK (z. B. in der Abwicklung von Finanz-transaktionen) führt zu erhöhten Anforderungen an dieBetriebssicherheit von Hard- und Software. Diesen er-höhten Anforderungen steht jedoch die ebenso wach-sende Komplexität entgegen, welche sich – unter denoben geschilderten Bedingungen – immer schlechter nacheinem Top-down-Ansatz realisieren lässt. Fehleridentifi-kation und -behebung gestalten sich mit der steigendenKomplexität der Systeme immer schwieriger.

Deswegen sollte nach Meinung vieler IuK-Designer(Christensen/Bickhard 2002; Kephart 2003) die Top-down-Herangehensweise, die eine vollständige Kontrolleanstrebt, zu Gunsten natürlicher Ordnungsprinzipien(bottom-up) aufgegeben werden. Entsprechende bionischinspirierte Lösungsansätze setzen auf Selbstorganisation,Selbstreparatur und evolutionäre Optimierung. Da einvollständig fehlerfreies System nur schwer (wenn über-haupt) geschaffen werden kann, sollte Fehlertoleranz indas System integriert werden, d.h. die Fähigkeit, Fehlerzu erkennen und autonom zu beheben (Sörensen 2004).Diese Entwicklung wird auch dadurch angetrieben, dassdie Softwarewartung und die Behebung von Fehlern wäh-rend der Nutzungsphase einen immer größeren Anteil anden Gesamtkosten einnehmen. Mittlerweile entfallen vonden Gesamtkosten eines Softwaresystems ca. 40 Prozentauf die Wartung (Glass 2004).

Natürliche Prozesse und Systeme verfügen über Eigen-schaften, die einigen IuK-Forschern als nachahmenswert


in der Entwicklung von Hardware und Software erschei-nen (Brownlee 2005). Die wichtigsten von ihnen sind

– Adaptivität

– Autonomie

– Reversibilität

– Lernfähigkeit

– Fehlertoleranz

– Selbstorganisation

– hohe Redundanz und

– Robustheit.

Andere Eigenschaften werfen jedoch Probleme auf. Soverlaufen natürliche Prozesse im Allgemeinen nicht ge-plant und deterministisch, sondern unpräzise und stochas-tisch. Die entstehenden Lösungen sind zwar hoch opti-miert, aber dafür auch sehr spezialisiert. Auch ist zuberücksichtigen, dass evolutionäre Prozesse sehr zeitin-tensiv sind. Aus diesen Gründen können evolutionäreTechniken nicht unmittelbar für Problemlösungen in derIuK-Branche herangezogen werden, sondern die Nutzungentsprechender Potenziale bedarf teils erheblicher An-strengungen in Forschung und Entwicklung.

3.2 Variationen des „Natural Computing“Unter den Begriff „Natural Computing“ fallen alle Ideen,Modelle und Methoden aus dem Bereich der IuK, diedem bionischen Gedankengang der Übertragung be-stimmter Erkenntnisse aus der Natur in die IuK entspre-chen (Paun 2004). Parallel werden dafür auch Begriffewie „bio-inspiried computation“, „biocomputation“ und„bio-mimicry“ verwendet (Brownlee 2005). Hauptziel istdas Lösen von konkreten Problemen durch Beobachtenvon natürlichen Prozessen sowie die Übertragung von ge-wonnenen Erkenntnissen für die Entwicklung von Re-chensystemen und Algorithmen, die das Problem lösenkönnen (de Casto 2005). Unterteilt werden kann das Na-tural Computing in die Suche nach neuen Typen von Al-gorithmen (evolutionäre, neurale und genetische Algo-rithmen) und die Suche nach neuer Hardware (DNA-Moleküle als Basisbausteine).

Der Begriff „evolutionary computing“ bezeichnet die Su-che nach und die Verwendung von Algorithmen, die in ei-nem gegebenen Lösungsraum unter gegebenen Such- undAbbruchkriterien nach einer optimalen Lösung mit Hilfevon Evolutionsmechanismen suchen (Rechenberg 1994;Schwefel 1995; vgl. a. http://www.bionik.tu-berlin.de).Die möglichen Lösungen im Lösungsraum werden durchMutation und Variation verändert, und es wird jeweilsüberprüft, ob sie dabei den gewünschten Anforderungennäher kommen. Sogar die „Fortpflanzung“ in die nächsteGeneration kann durch der sexuellen Fortpflanzung ana-loge Regeln simuliert werden (Nachtigall 2002, S. 366).Die auf diese Weise positiv evaluierten Elemente werdenin die nächste Generation übernommen und wieder verän-dert. Das geschieht solange, bis der Lösungsraum nur ausElementen mit gesuchten Eigenschaften besteht. Diese

Suchalgorithmen werden als Evolutionäre Algorithmen(EA) bezeichnet.

Zum „evolutionary computing“ gehören weitere Techni-ken wie „evolutionary programming“, „evolutionary stra-tegies“ und das „genetic programming“. Dabei handelt essich um Verfahren (Algorithmen oder Programme), diedurch Rekombination, Mutation und Selektion nach eineroptimalen Problemlösung in einer zufälligen Populationvon anderen Lösungen suchen. Letztlich geht es immerdarum, mittels einer kybernetischen Rückkopplungs-schleife (Stachowiak 1970) und des ständigen Soll-/Ist-vergleichs Lernprozesse auszunutzen. Dieses Vorgehenist selbstverständlich nur sinnvoll, wenn durch eine hoheRechnerkapazität in kurzer Zeit eine extrem hohe Zahl anKombinationen „durchgerechnet“ werden kann. Dies er-folgt in Anlehnung an Prinzipien der Evolutionstheorieallerdings nicht rein zufallsgesteuert, sondern so, dassMutation und Selektion durch inkrementelles Ausprobie-ren und Beobachtung der resultierenden Effekte „nachge-baut“ werden können. Auf diese Weise ist es z. B. gelun-gen, den Wirkungsgrad einer Überschalldüse einesRaketentriebwerks von 55 Prozent auf 80 Prozent zu stei-gern (nach WWF 1995).

Evolutionäre Techniken können zu Routen- und Zeitpla-nung, Simulation und Kontrolle komplexer Systeme undKlassifizierung eingesetzt werden. Entsprechende Ver-fahren werden bereits in der Industrie und Technik zuFlugverkehrregulierung, Berechnung von Telefonnetzenund Lösung von nicht linearen Differentialgleichungenverwendet.

Im „neural computing“ wird versucht das Nervensystem,insbesondere Gehirnprozesse auf der Basis neuronalerModelle nachzubilden. Es entstehen künstliche neuronaleNetze, die die Struktur des Nervensystems und die Infor-mationsverbreitung darin mit Rechenelementen nach-bauen (Nachtigall 2002, S. 262 ff.). Die Neuronen werdendurch Computerprozessoren dargestellt, die untereinandervernetzt sind. Die Eigenschaften natürlicher neuronalerSysteme, wie Lernfähigkeit und die Fähigkeit, aus gege-benen Eingabemustern die Ausgabe zu bestimmen, wer-den hier für technische Informationsverarbeitung benutzt.Die künstlichen neuronalen Netze werden dort eingesetzt,wo eine Mustererkennung, also beispielsweise Rege-lungstechnik, Text- und Bilderkennung, benötigt wird,oder auch, um eine Prognose über ein Systemverhalten zuerstellen, die das Netz aus gegebenen Sollwerten und der„beobachteten“ Entwicklung ermittelt. Weitere Einsatz-gebiete sind Funktionsapproximation und Klassifikationvon Daten.

Das „DNA Computing“ führt eine neue Form der Hard-ware ein. Hier werden DNA-Moleküle als Rechnerbau-steine benutzt. Mit Hilfe biochemischer Reaktionen wirddie Basenpaarkombination des Moleküls entsprechendder Eingabeparameter des Problems kodiert. In dieser Lö-sung finden dann Reaktionen unter den Molekülen statt,so dass schon in einer kurzen Zeit sich die Moleküle zueiner „Aufgabenlösung“ finden. Die Stränge, die nicht zuden Ein- und/oder Ausgabeparameter der Aufgabe pas-sen, werden durch weitere chemische Reaktionen so


lange heraus gelöst, bis nur die „richtigen“ Moleküle inder Lösung bleiben. Dieses noch junge und sehr aufwen-dige Verfahren nutzt die Codierungsweise der DNA, dieParallelität der biochemischen Prozesse und die Energie-und Ressourceneffizienz zur Lösung komplexer Pro-bleme. Allerdings gibt es bislang nur wenige Experi-mente mit dem „DNA-Computer“. Dabei benötigt die Lö-sung von anderweitig bereits gelösten kombinatorischenProblemen noch unverhältnismäßig mehr Zeit, verglichenmit dem konventionellen Weg.

Unter Hybridlösungen werden Technologien verstanden,die neben den herkömmlichen Silikonkomponenten auchKomponenten aus natürlichen Stoffen wie DNA-Molekü-len, bestehen. Beispiele dafür sind die so genannten Bio-chips. Das sind Probenträger aus Glas oder Kunststoff,auf welchen biochemische Prozesse für Tests und Nach-weise stattfinden. Ihr Anwendungsgebiet liegt in derMedizintechnik und Pharmazie. Das bekannteste Beispielfür eine Hybridlösung ist das Experiment, bei dem25 000 Nervenzellen aus einem Rattengehirn so mit ei-nem Computer verbunden wurden, dass das dadurch kon-figurierte neuronale Netz einen Flugsimulator selbständigfliegen konnte (IÖW/GL 2005).

3.3 Risiken

Mit der Verwendung evolutionärer bionischer Ideen inder IuK im Rahmen des „Natural Computing“ sind auchRisiken und Ungewissheiten verbunden:

– Evolutionäre Ansätze in der IuK versprechen vor al-lem höhere Rechengeschwindigkeiten, höhere Spei-cherkapazität, Fähigkeit zur Selbstreparatur und mehrFehlertoleranz. Jedoch ist ein Charakteristikum derEvolution auch die unvorhersehbar lange Zeitspanne,die die Suche nach Lösungen erfordern kann. Dass dieNatur „Millionen Jahre Entwicklungsvorsprung“ hat(Nachtigall 2002), erweist sich in neu auftretendenAnforderungen als Nachteil. Lösungen heute werdenin der Regel innerhalb kurzer Zeiträume benötigt.

– Die Lösung, die mit Hilfe evolutionärer Algorithmengefunden wurde, ist für das eine Beispiel evolutionäroptimiert, in dem sie untersucht wurde. Die Übertrag-barkeit auf andere Felder, Randbedingungen undSituationen ist zunächst nicht anzunehmen. Schwer-wiegender noch, es fehlt an einem Evaluierungsme-chanismus, mit dem diese Übertragbarkeit einge-schätzt werden könnte, da aufgrund der Bottom-up-Eigenschaft der Optimierung nicht Schritt für Schrittnachvollziehbar ist, warum es gerade zu dem jeweili-gen Ergebnis gekommen ist.

– Einige im Laufe der evolutionären Optimierung ge-fundenen Zwischenlösungen könnten „vorzeitig“ ver-worfen werden, wenn sie nicht dem aktuellen Ver-ständnis von optimalen Eigenschaften in derbetreffenden Situation genügen. Allerdings könnte essich um Lösungen handeln, die in einem ähnlichenFeld besonders kreativ und effizient wären. Die evolu-tionäre Optimierung enthält also das Risiko verpassterChancen.

– Biologische Prozesse haben einen großen Grad anKomplexität und sind im hohen Maße nicht determi-nistisch und unscharf, was mit den Zielen der Informa-tionstheorie schlecht vereinbar ist (Paun 2004). DieseAussagen fasst das Trade-off-Prinzip zusammen: Pro-grammierbarkeit, Effizienz und Evaluierbarkeit sindsich widersprechende Eigenschaften eines Computer-modells. Oder anders ausgedrückt: „programmabilityand adaptability are incompatible. The price for com-bining both is inefficiency“ (Conrad 1988).

– Ein weiterer Punkt ist, dass bei einer evolutionärenVorgehensweise die schöpferische Kreativität desMenschen beim Lösungsprozess nicht berücksichtigtwird. Die Möglichkeit, dass eine schnellere und effizi-entere Lösung durch den Menschen mit Hilfe seinerHintergrundinformationen gefunden wird, bestehtdann nicht mehr. Außerdem gehen wertvolle Informa-tionen über den Lösungsweg verloren, denn der Be-nutzer bekommt nur eine fertige Lösung und nicht denLösungsalgorithmus zu sehen. Die Abhängigkeit desMenschen von der „maschinellen“ Lösung – die dannfür den Menschen eine „black box“ darstellt – wächstbeträchtlich.

Insgesamt würde das Risiko des Kontrollverlusts wach-sen: Programme, die neue Programme oder Innovationenerschaffen, ohne dass der Mensch sich im Prozess betei-ligt und von dem bearbeitenden Gebiet womöglich keineAhnung hat. Wie weit soll die Autonomie der eigenstän-digen Systeme gehen? Die wachsende Reaktionsfähigkeitder Roboter und Automaten und ihre Interaktion mit derUmwelt macht sie immer „natürlicher“ und selbständiger.Diese Entwicklungen sind einerseits dabei unsere heuti-gen Probleme zu lösen, doch die Auswirkungen der wei-teren Entwicklung in diese Richtung können zu einemneuen Gesellschaftsbild und zu Veränderungen im Ver-ständnis und Umgang mit Technik führen, die Auswir-kungen über die Produktionsprozesse hinaus haben wer-den.

4. OrganisationsbionikNatürliche Systeme zeigen vielfach ein Verhalten, das als„selbst organisiert“ bezeichnet wird. Dabei geht es um dieHerausbildung von Mustern in Raum und Zeit auf der Ba-sis des Verhaltens vieler Elemente eines größeren Sys-tems. Beispiele hierfür sind (nach Nachtigall 2002,S. 391) das synchronisierte Blitzen von Glühwürmchen,die Weise, wie Muster auf Schneckenschalen und Koral-len entstehen, wie sich Fische oder Vögel zu Schwärmenordnen (Schwarmintelligenz),63 wie Bienen einen funk-tionierenden Staat bilden, wie sich Ameisen in einerfremden Umgebung orientieren oder wie Termiten kol-lektiv ihre Nester bauen. Auf der zellulären und subzellu-lären Ebene ist ebenfalls eine Vielzahl selbst organisierterProzesse als grundlegende Lebensprozesse zu nennen,welche im Blickfeld der Nanobiotechnologie liegen(Kap. V.1).

63 So können z. B. Fischschwärme in Sekundenbruchteilen ihre Bewe-gungsrichtung ändern, ohne dass ein Fisch einen anderen berührt. Ei-ne Anwendungsoption könnte in der Steuerung großer Menschen-mengen in Panik bestehen.


Technische Einrichtungen und Prozesse sind demgegen-über in der Regel gerade nicht in einer selbst organisier-ten Weise entstanden oder funktionieren so, sondern siesind hierarchisch geplant und entsprechend implemen-tiert. Ausgehend von Lastenheften, Entwurfsideen undKonstruktionsüberlegungen wird ein Design bzw. einBauplan für eine technische Problemlösung erstellt, wel-cher dann nach ingenieurwissenschaftlichen Standardsrealisiert wird. Die so genannte Organisationsbionik be-fasst sich mit Managementkonzepten und technischenProzessen auf der Basis von Prinzipien der Selbstorgani-sation in Entgegensetzung zu hierarchischen Strukturen.

Charakteristisch für Selbstorganisationsprozesse ist, dassInformationen von lokalen Elementen ausgehen und dassdurch Informationsverbreitung – sozusagen von Nachbarzu Nachbar, etwa in einem Vogelschwarm – sich allmäh-lich ein dominantes Muster herausbildet. In den Prozes-sen der Informationsverbreitung müssen positive Rück-kopplungseffekte enthalten sein, die für die notwendigenResonanzen und die Ausbreitung der Information sorgen.Weiterhin muss es Grenzen der positiven Rückkopplunggeben, damit das System nicht außer Kontrolle gerät oderzerstört wird, und es müssen negative Rückkopplungs-effekte zur Dämpfung der Effekte vorhanden sein, damitüberhaupt ein stabiles System entstehen kann(Glansdorff/Prigogine 1971, nach Nachtigall 2002,S. 392). Auf diese Weise können „komplexe Handlungenoder Bauwerke entstehen (…), ohne dass jeder Beteiligteeinen vollständigen ›Bauplan‹ kennen muss“ (Nachtigall2002, S. 392).

Die Hoffnung ist, dass sich durch die Nutzung des Prin-zips der Selbstorganisation in Fragen von Managementund Organisation komplexer Prozesse überraschende und„bessere“ Lösungen ergeben können als durch das klassi-sche technische Design. Grundlegende Voraussetzung ist,dass gesellschaftliche Teilbereiche (z. B. sozioökonomi-sche Bereiche) in bestimmten Hinsichten analog zu bio-logischen Systemen modelliert werden können. DieseAnalogie betrifft die für Selbstorganisation wichtigen Ei-genschaften der zufälligen Variation, der Selektion „er-folgreichen Verhaltens“, der Anwendbarkeit des Populati-onsprinzips (nach dem eine vielfältige Populationaufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften und Ro-bustheiten der Individuen besser auf veränderliche Rand-bedingungen reagieren kann als eine „geklonte“ Mengeidentischer Individuen) sowie der Modularität und Hier-archisierung (analog zur Hierarchie von Zellen, Organen,Individuen, Arten etc. in natürlichen Systemen) (Reiner1992).

Die methodische Zulässigkeit von Analogiebildungenzwischen natürlichen und gesellschaftlichen Systemen istallerdings umstritten, insbesondere in Bezug auf dieÜbertragbarkeit von Prinzipien der natürlichen Evolutionauf die menschliche Entwicklung. Dies betrifft z. B. dieFrage nach den Selektionskriterien, will man nicht in ei-nen naiven und möglicherweise zynischen Sozialdarwi-nismus verfallen. Aber auch der Unterschied, dass „diebiologischen Variationen durch spontane Mutationen, diesozialen Varianten hingegen durch zielgerichtetes, strate-

gisches Handeln entstehen“ (Weyer 1997, S. 29), ist zubeachten. Auf jeden Fall ist bei der Analogiebildung zwi-schen natürlicher Selbstorganisation und der zielgerichte-ten Nutzung von Prinzipien der Selbstorganisation fürmenschliche Zwecke sorgfältig zu unterscheiden. Insbe-sondere muss beachtet werden, dass die Evolutionstheo-rie die Perspektive eines außen stehenden Beobachtersder Evolution einnimmt (Gutmann 1996), während in dengesellschaftlichen Entscheidungsprozessen Teilnehmer-und Entscheiderperspektiven mit ihren jeweiligen Zielenund Interessen relevant sind.

Sofern dies sorgfältig berücksichtigt wird und eine ent-sprechend kritische und vorsichtige Distanz zu einer nai-ven Analogiebildung eingenommen wird, spricht nichtsdagegen, entsprechende Selbstorganisationsprinzipiengleichsam spielerisch zu erproben und zu erforschen, obund inwieweit sich hieraus – im Sinne des bionischenTransfergedankens – neue Ideen zur Lösung technischerProbleme generieren lassen.

Ameisenstrategie für die Routenplanung

Dies sei im Folgenden kurz am Beispiel des Ameisenrou-ting erläutert. Ameisen gelten als eine der klassischen na-türlichen Populationen, in denen das kollektive Verhalteneiner sehr großen Anzahl von Individuen spezifischeMuster im Gesamtverhalten hervorbringt. BesonderesInteresse hat dabei das so genannte „Ameisenrouting“ ge-funden (für das Folgende vgl. Nachtigall 2002, S. 397 ff.).Dieses bezieht sich auf die Organisation des Transportsder Nahrung zum Ameisenbau. Unter der Prämisse, dassAmeisen wegen des Effizienzprinzips die kürzesten Wegeverwenden, geht es um die Frage, wie diese kürzestenWege bestimmt werden. Ameisen markieren die von ih-nen verwendeten Wege durch die Abgabe eines Duft-stoffs (Markierungspheromone). Sie legen Pheromonspu-ren, z. B. auch dann an, wenn sie um Hindernisse einen– zunächst rein zufälligen – Umweg machen. Im Laufeder Zeit werden die kürzesten Wege von mehr Ameisenbenutzt, so dass die Pheromonspur stärker wird und wei-tere Ameisen dazu motiviert, ebenfalls diese markiertenWege zu benutzen (für die Algorithmisierung dieses Prin-zips vgl. Boysen (2006). Der „Trick“ hierbei liegt darin,dass die Ameisen, die – zufällig – die kürzeren Wege be-nutzen, sich bereits früher auf den nächsten Weg machenkönnen. So kommt es zu den bekannten „Ameisenstra-ßen“ (hier besteht offenbar eine enge methodische Ver-wandtschaft zu dem Prinzip der „evolutionären Program-mierung“, welches in Kap. V.3.2 erläutert wurde).Komplexere Verhaltensmuster basierend auf der gleichenGrundidee bilden Erkundungsmuster von Ameisen in ei-ner fremden Umgebung (wie z. B. von Wanderameisenoder von der Argentinischen Ameise (Nachtigall 2002,S. 399 f.). Die Stämme nutzen hierfür Kundschafteramei-sen, die ein kollektives Verhaltensmuster zeigen, was sichauf Wechselwirkungen auf der individuellen Ebene zu-rückführen lässt und ebenfalls auf der Markierung mitPheromon beruht. Das komplexe Ausschwärmverhalteneiner Ameisenkolonie kann damit auf der Basis relativeinfacher Regeln individuellen Verhaltens erklärt undmodelliert werden.


Als Vorbild für technische Problemlösungen kommt die-ses Ameisenrouting vor allem dann in Frage, wenn kom-plexe Routenplanungen erforderlich werden. Dies kannz. B. der Fall sein, wenn autonome Roboter zusammenar-beiten sollen, z. B. um Rasen zu mähen oder Staub zusaugen. Hierbei geht es darum, eine Systemfunktion (flä-chendeckende Verrichtung der übertragenen Arbeit) zurealisieren, ohne den „einzelnen Elementen“ einen ge-nauen Plan ihrer Tätigkeitsabfolge vorzuschreiben, undohne dass die Gesamtfunktion zusammenbricht, wenn ei-nes der Elemente ausfallen würde. (Diese Unabhängig-keit von Individuen ist übrigens eine der wichtigsten evo-lutionären Leistungen der Schwarmintelligenz.)

Andere und teils bereits eingesetzte Anwendungen beste-hen in der Routenplanung für komplexere Anlieferungen,sozusagen in der Optimierung komplexer Reiseroutennach dem bekannten Modell des Handlungsreisenden.Nachtigall (2002) berichtet von einem „Ant collectiveoptimization program Aco“, das Speditionen hilft, ihreRoutenpläne zu optimieren. Routenplanungen sind in derLogistik generell eine Herausforderung, aber zunehmendauch in der Datenwelt, wo z. B. die Optimierung von Da-tenrouten im Internet aus Effizienz- und Kapazitätsgrün-den ein Thema geworden ist. Auch in der Gestaltung in-dustrieller Fertigungsprozesse können diese GedankenAnwendung finden: „In einer Fabrik des zweitgrößtenAluminiumherstellers der Welt haben gleichsam elektro-nische Ameisen das Kommando übernommen; sie helfen,Maschinen, Schmelzöfen und Transportbänder präziseaufeinander abzustimmen. Mit dieser Steuersoftware, diesich wie ein Ameisenvolk verhält, konnte die Effizienz ineinigen Bereichen bis zu 10 Prozent gesteigert werden“(Nachtigall 2002, S. 398).

Ein weiteres Anwendungsbeispiel liegt in der Chippro-duktion. Von Automaten müssen hunderttausende vonArbeitsschritten an den Chips vollzogen werden. JederPositionswechsel des Automaten erfordert, da eine ge-wisse Strecke zurückgelegt werden muss, eine bestimmteZeitdauer. Wenn es also gelänge, einen Algorithmus zufinden, der die Positionswechsel auf einer kürzestenRoute anordnet, würde die Produktionsdauer pro Stückminimiert und es könnten in der gleichen Zeit mehr Chipshergestellt werden. Aufgrund der hohen Fixkosten derChipproduktion und der hohen Stückzahlen können aufdiese Weise erhebliche Kostensenkungen realisiert wer-den. Auf analoge Weise lassen sich Ameisenalgorithmenauf eine ganze Reihe von kombinatorischen Optimie-rungsproblemen übertragen (http://www.ameisen algo-rithmus.de).

Auch kann versucht werden, auf der Basis individuellerWechselwirkung kollektive Muster explorativ zu erfor-schen und damit sozusagen künstliche Ameisenvölker zubauen: „MIT-Forscher haben fingergroße ,Kunstameisen‘gebaut, die Infrarotsignale abgeben und aufnehmen kön-nen. Mit einfachstem Datenaustausch konnte z. B. er-reicht werden, dass die ,Ameisen‘ einer ,Leitameise‘ fol-gen oder sich – im Gelände frei beweglich – alle um eine,Futterquelle‘ sammeln“ (Nachtigall 2002).

Schwarmintelligenz

Das Schwarmprinzip besteht also darin, ein komplexesProblem dadurch einer Lösung zuzuführen, dass es einemKollektiv übertragen wird, in dem die Individuen ausge-sprochen einfachen Regeln folgen. Die resultierende„Schwarmintelligenz“ ist vor allem durch drei Eigen-schaften gekennzeichnet: Flexibilität, Robustheit undSelbstorganisation. So verfügen z. B. staatenbildende In-sekten über eine große Anpassungsfähigkeit an unter-schiedliche Randbedingungen. Die entsprechenden „Völ-ker“ sind so organisiert, dass sie robust gegenüber demAusfall oder Verlust von Individuen sind. Die evolutio-näre Einheit ist das Kollektiv, nicht das Individuum. Dieentsprechenden, für kollektive Verhaltensmuster erforder-lichen Interaktionen erfolgen selbst organisiert, d. h. ohneeine zentrale Steuerungsinstanz.

Diese Mechanismen machen die Schwarmintelligenz in-teressant als Modell zur Lösung einiger Probleme kollek-tiven Verhaltens. So ist eine Frage, ob man daraus etwasfür die Organisation aktueller Herausforderungen wie diebekannten Probleme des Straßenverkehrs lernen könnte.Seit den 1990iger Jahren befasst sich die Verteilte Künst-liche Intelligenz (VKI) mit der Adaptation derartigerKonzepte, wobei ein besonders wichtiger Anwendungs-fall mittlerweile das Internet ist. Auch auf der Ebene derUnternehmensführung werden – in Absetzung von denklassischen tayloristischen Führungsprinzipien – Überle-gungen zur Nutzung solcher evolutionärer Strategien an-gestellt: das Unternehmen der Zukunft als Schwarm (Bo-nabeau/Meyer 2001).

5. FazitSeit einiger Zeit ist eine Ausdehnung der Bionik in meh-rere Richtungen zu beobachten. Dies betrifft zum einendie molekulare Welt, die mittels der Nanotechnologie zu-sehends technisch zugänglich und unter bionischem Er-kenntnis- und Gestaltungsinteresse interessant wird. Hierist ein besonders wichtiger und spezifischer Bereich dieSchnittstelle zwischen Mensch und Technik in neuerenEntwicklungen der Prothetik. Ferner werden Erkennt-nisse der Evolutionstheorie in fortgeschrittenen Program-mierstrategien und in innovativen Organisationsansätzengenutzt.

Nanobionik und/oder Nanobiomimetik bezeichnen For-schungsaktivitäten, die Lösungsansätze der Natur (bzw.der Zelle) für menschliche Bedarfe und Produktionennutzbar machen. Diese Forschungsrichtungen sind mole-kularbiologisch orientiert und profitieren von Fortschrit-ten in der Nanotechnologie. Entsprechende Entwicklun-gen befinden sich noch weit im Stadium derGrundlagenforschung, auch wenn es um so konkreteZiele geht wie den technischen Nachbau der Photosyn-these. Waren die bisher verfolgten bionischen Ansätze ge-prägt durch die Übertragung von Lösungsansätzen derNatur auf technische Systeme, so stehen im Rahmen derNanobionik zugleich Eingriffe in die Natur auf dem Pro-gramm, die bis hin zum Bau künstlicher Zellen und damitletztlich zur Erzeugung künstlichen Lebens in der Synthe-tischen Biologie reichen. Die Analogiebildung der bishe-


rigen Bionik mit der Nanobionik erweist sich spätestensdann als problematisch, wenn in die evolutiven Prozesseselbst eingegriffen wird, wenn also „der Mensch die Evo-lution selbst in die Hand nimmt“. Mit der dadurch erfol-genden Verkürzung der natürlichen Zeiträume, in denensich evolutive Prozesse vollziehen, könnten neue Risiko-typen erzeugt werden. Trotz der Faszination der Nano-bionik muss daher die Forderung nach sorgfältigerBegleitung durch Risikoforschung und Technikfolgenab-schätzung erhoben werden.

Entsprechend den technologischen Möglichkeiten der je-weiligen Zeit wurden jahrhundertelang Prothesen entwi-ckelt, die als bionisch charakterisiert werden können.Mittlerweile tragen die Fortschritte in der Prothetik zu ei-ner Entwicklung bei, die von der morphologischen Ana-logiebildung (beispielsweise Hörrohr) über eine völligeAbstraktion und Abkehr vom Vorbild wieder zu einerkontinuierlichen Annäherung an die natürlichen Prozessegelangt – ganz im Sinne des „Nachbaus“ der zugrundeliegenden komplexen sensorischen und informationsver-arbeitenden Mechanismen. Es geht damit zunehmend umdie mehr oder weniger exakte funktionale Nachbildungder Natur. Dieses „transitorische“ Verständnis der Bionik(von der Analogie zur Kopie) lässt sich anhand von Arm-und Beinprothesen oder von Zahnprothesen illustrieren.Mit dem zunehmenden Fortschritt der Wissenschaft neh-men das Bestreben und die wissenschaftlich-technischenMöglichkeiten zu, ganze oder zumindest Teile von Glied-maßen in der gewünschten (natürlicherweise eingesetz-ten) Funktionsweise nachzubilden. Hierbei sind große Er-folge zu verzeichnen, obwohl die exakte Kopie nochlange nicht erreicht ist.

Die Nutzung evolutionärer Strategien in der Informa-tions- und Kommunikationstechnik im „Natural Compu-ting“ operiert mit den Prinzipien von Variation und Selek-tion, um unter bestimmten Bedingungen „optimale“Strategien durch Probieren herauszufinden. Dabei geht esdarum, in Ergänzung zu oder Absetzung von klassischenTop-down-Ansätzen der Programmierung das „evolutio-näre Optimum“ durch Ausprobieren einer großen Zahlvon Möglichkeiten herauszufinden – statt durch sorgfälti-ges Softwaredesign. Diese Verfahren versprechen beson-ders für hoch komplexe Probleme neue und teils überra-schende Lösungen.

In Fragen der Organisation komplexen Verhaltens, sei esdes Verhaltens eines Kollektivs oder des Verhaltens Ein-zelner angesichts kombinatorischer Optimierungsaufga-ben werden seit einiger Zeit Phänomene der „Schwarmin-telligenz“ untersucht. Angestrebt wird, das komplexeVerhalten z. B. von Ameisenvölkern oder Vogelschwär-men auf der Basis sehr einfacher Regeln auf der individu-ellen Ebene zu modellieren und hieraus Lösungsideen fürProbleme sozialer Organisation zu gewinnen. Das Amei-senrouting stellt die bekannteste und bislang am häufigs-ten angewendete Form dieser Schwarmintelligenz dar.

Grundsätzlich ist in diesen, technisch und wissenschaft-lich sämtlich faszinierenden Feldern der „neuen Bionik“

zu beachten, dass erhebliche Potenziale für neuartigetechnische Möglichkeiten erkennbar sind, dass diese sichjedoch zum großen Teil noch in frühen Entwicklungssta-dien befinden. Der bionische Gedankengang zielt hierzwar letztlich auf technische Problemlösungen, ist jedochin der Regel noch weit von der Marktreife entfernt. Chan-cen und Risiken sind dementsprechend schwierig zu be-urteilen; hierfür wären jeweils eigene Studien erforder-lich. Klar ist jedoch bereits, dass das häufig verwendeteevolutionäre Prinzip der Selbstorganisation eine eigeneAmbivalenz aufweist und möglicherweise zu eigenen Ri-sikotypen führen kann, die aus zunehmender Autonomiedarauf aufbauender Technik und einem möglichen Kon-trollverlust des Menschen resultieren könnten.

VI. Weiterführende Aspekte und Handlungsempfehlungen

Bionisch inspirierte Entwicklungen verweisen auf einebreite Palette möglicher Anwendungsfelder (z. B. smartmaterials, Fassadenfarben, Konstruktionsoptimierung).Bionische Ansätze ermöglichen auch neue technologi-sche Lösungen (z. B. Natural Computing), die mit her-kömmlichen Verfahren nicht realisiert werden können.Insgesamt gesehen ist das Feld bionischer Forschungstark fragmentiert. Deutschland steht im ForschungsfeldBionik – bezogen auf die deutschsprachige Begriffsab-grenzung (im Vergleich zu „bionics“, s. Kap. II) – relativgut da. Aufgrund der durch bionische Sichtweisen signifi-kant erweiterbaren Betrachtung technischer Möglichkei-ten (heuristischer Aspekt), macht es auch weiterhin Sinn,Bionik entsprechend zu fördern. Die eingangs erwähnteThese von der „Bionik als Versprechen“ (Bionik als eineTechnik nach dem Vorbild der Natur, die damit ein Stückweit Versöhnung dieser Gegensätze auf einem hohenwissenschaftlich-technischen Niveau verspricht, s.Kap. II.2.3) stellt eine wichtige Motivation der Bionikdar, ist aber nicht verallgemeinerbar. Vielmehr sollte hiereine Bewertung nach einer Einzelfallprüfung im Kontext-zusammenhang (oder auch nach Durchführung eines TA-Projektes) erfolgen.

Die vorliegende Vorstudie stellt eine Art „erste Felderfas-sung“ der Bionik für die parlamentarische Technikfolgen-Abschätzung im Sinne einer Vorstudie dar. Sie erhebt kei-nen Anspruch auf Vollständigkeit, was insbesondere dieaufgeführten Beispiele und Forschungsfelder anbelangt.Vielmehr wurde versucht, anhand ausgewählter For-schungsfelder einen repräsentativen Querschnitt darzu-stellen. Eine Weiterführung des Projektes in der in derVorstudie gewählten thematischen Breite und Vielfalt istaus TAB-Sicht nicht zwingend erforderlich. Sofern eineWeiterführung gewünscht wäre, macht eher eine Vertie-fung einzelner Themenfelder anhand spezifischerAspekte (Kap. VI.2) Sinn.

Für die folgende Darstellung weiterführender Aspekteund Handlungsempfehlungen wurde partiell auf Ausfüh-rungen in UMSICHT (2005) und IÖW/GL (2005) zu-rückgegriffen.


1. Forschungs- und HandlungsbedarfFür eine differenzierte Sicht auf die Bionik und die in die-sem Bereich praktizierte Arbeitsweise ist es unabdingbar,den gesamten Prozess von den biologischen Grundlagenbis hin zur technischen Umsetzung zu betrachten, um dasPotenzial der Bionik realistisch darzustellen zu können.Für eine erfolgreiche Etablierung der Bionik als Innovati-onsinstrument sind deshalb neben der weiteren intensivenwissenschaftlichen Forschung eine gezielte Öffentlich-keitsarbeit und konzertierte Bildungsmaßnahmen einewichtige Voraussetzung.

Als Ausgangspunkt und Hintergrund der nachfolgendenBetrachtung soll eine stichwortartige Zusammenstellungausgewählter Hemmnisse fungieren (s. a. Kap. III u. IV):

– Unkenntnis über bionische Lösungswege bei potenzi-ellen Anwendern; Unterschätzung der Leistungsfähig-keit bionischer Produkte und Prozesse (Wahrneh-mungsproblem); Mangel an Kommunikation sowohlin Fachkreisen als auch in der breiten Öffentlichkeit;

– Skepsis auf Seiten der Industrie, in umfassende Bio-nik-Projekte zu investieren (Bevorzugung der Verwer-tung von Ergebnissen, z. B. von Patenten);

– bei erfolgreichen Innovationen erfolgt oft eine Markt-besetzung durch Großunternehmen (Nachteil für For-scher und KMU); Finanzierung bei KMU (Förderung,Kredite) generell schwieriger;

– prinzipielle Problematik des „Plazierens grundlegen-der, revolutionär neuer Ideen“ in Industrie und Gesell-schaft (enormer Arbeitsaufwand erforderlich, der zumTeil gescheut wird);

– unterschiedliche Sichtweisen von Bionikern und In-dustrie (Bioniker „stellen ihr Wissen bereit“, die Ver-wertung des Wissens erfolgt durch andere; (Veröffent-lichungen erfolgen meist in der Fachsprache und nichtmit umgangssprachlichem oder industriellem Focus);

– Probleme beim Schutz geistigen Eigentums vor allemim Hochschulbereich (fehlende Schutzrechts-, Lizenz-rechts- und Vertragskenntnisse; hoher Kostenaufwand;mangelnde Erfahrung bei Verhandlungen etc.);

– zum Teil tradierte eindimensionale, wenig vernetzteDenkkultur in Universitäten und Industrie (psycholo-gische Barrieren, Festhalten am Bekannten);

– Ungleichgewicht zwischen Förderung von Bionik-Projekten und von seit Jahrzehnten betriebenen techni-schen Großprojekten.

Integration von Bionik in den Innovationsprozess

Wesentlich ist die Integration von Bionik in den gesamtenInnovationsprozess – von der Idee bis zum Produkt. Hierspielen sowohl Aspekte der Interdisziplinarität als auchder Marktrelevanz bionischer Produkte eine Rolle.

Um Bionik als „Ideenpool“ für Innovationen (auch vordem Hintergrund sich verändernder Produktlebenszyk-len) zu etablieren, ist eine grundlegende Voraussetzung– zur Nutzung der in optimierten biologischen Strukturen

verborgenen Informationen und gefundenen Lösungenfür technische Anwendungen – das Entwickeln von Stra-tegien zum effizienten Herausfiltern der für technischeProblemlösungen relevanten Aspekte. Hier scheint eineweitere Systematisierung biologischer Prinzipien vor demHintergrund branchenspezifischer Innovationsprozesse(unter Einbindung von Unternehmen, Verbänden, Wis-senschaft etc.) sinnvoll zu sein. Beispielsweise könnte einBenchmarking-Projekt durchgeführt werden, in welchem– durch differenzierte Vergleiche mit anderen Ländernund Analysen erfolgreicher nationaler Bionik-Projekte –spezifische Stärken und Schwächen (Hemmnisse) in derAnalogie- und Abstraktionsbionik sowie in der Übertra-gung auf die Technik herausgearbeitet werden.

Interdisziplinarität

Eine funktionierende interdisziplinäre Arbeitsweise istein zentraler Baustein bionischer Entwicklungen. Mit derZunahme des Wissens über bionische Zusammenhängenimmt die Komplexität neuer Entwicklungen weiter zu,so dass ohne eine enge Zusammenarbeit von Wissen-schaftlern aus verschiedenen Disziplinen (Biologen, Phy-sikern, Chemikern etc.), Ingenieuren, Technikern und Ar-chitekten während des gesamten Forschungs- undEntwicklungsprozesses64 eine Produktumsetzung (vombiologischen Vorbild bis hin zum marktreifen bionischenProdukt) heute nicht mehr möglich ist. Dennoch zeigenauch erfolgreiche Kooperationen bei bionisch inspiriertenEntwicklungen von technischen Produkten, dass der In-formationstransfer zwischen den Disziplinen noch weiterausbaubar ist – insbesondere auch, um zu vermitteln, wasBionik genau ausmacht und wie sie erfolgreich eingesetztwerden kann. Hier fehlen grundlegende Untersuchungen,was eine effiziente Kommunikation zwischen Ingenieur-wissenschaften und Biologie ausmacht und wie kommu-nikative Defizite überwunden werden können.

Netzwerke spielen eine wesentliche Rolle in der Kommu-nikation u. a. von Forschungsergebnissen (Kap. III.2.5).Sie weisen zudem auf eine Bündelung von Kompetenzenhin. Die momentan in Deutschland bestehende Netzwerk-bildung sollte – auch mit Blick auf interdisziplinäreAspekte und die europäische Ebene – weitergeführt wer-den. Für den Informationstransfer könnten darüber hinausgeeignete Plattformen geschaffen werden.

Markt für bionische Produkte

Das Anwendungspotenzial der Bionik ist enorm breit.Dennoch ist die derzeit auf dem Markt anzutreffende(bionisch inspirierte) Produktvielfalt eher überschaubar.Festgehalten werden kann jedoch, dass ein entsprechen-

64 Dieser umfasst alle Schritte im Prozess des bionischen Arbeitens:vom Prinzipverständnis (d. h. dem Erfassen der biologischen Pro-blemlösung, zu Grunde liegender Strukturen, Funktionen auf quanti-tativer und reproduzierbarer Ebene) über die Abstraktion (lösen dergefundenen Prinzipien vom biologischen Vorbild) bis hin zur techni-schen Umsetzung (Labormaßstab, Pilotmaßstab, industrielle Anbin-dung). Voraussetzung für eine Herstellung im industriellen Maßstabist eine erfolgreiche Markteinführung von bionischen Produkten (ko-operierende Firmen, Akzeptanz beim Verbraucher).


des Marktpotenzial vorhanden ist. Allerdings wären füreinzelne Anwendungsfelder bzw. Branchen die Durch-führung detaillierter Marktuntersuchungen (inkl. Primär-datenerhebung) erforderlich, um sich ein konkreteres Bildmachen zu können.

Ein weiterer Aspekt ist der Transfer bzw. die Nutzbarma-chung von bionischen Entwicklungen für Umsetzungenim Handwerk bzw. im Mittelstand. Hier fehlen regionaleoder auch überregionale (virtuelle) Cluster aus FuE-Ein-richtungen und kleinen und mittleren Unternehmen mitklaren Projektaufträgen, Zeit- und Kostenplänen sowieErgebnisverantwortung (z. B. in Form von Projekthäu-sern). Diese könnten dazu beitragen, bionische Entwick-lungen zeitnäher zum Produkt zu führen. Hier fehlengrundlegende Erfahrungen, da es derzeit in Deutschlandkeine entsprechenden Technologiezentren oder Zusam-menschlüsse gibt. Modellhafte Struktur- und Arbeitspla-nungen könnten im Vorfeld Unterlagen zur Einrichtungsolcher Cluster bereitstellen.

Fokussierung der Forschungsorientierten Förderung

Ein weiterer Punkt ist die Fokussierung der forschungso-rientierten Förderung auf einzelne Aspekte (z. B. auf Fra-gen der Wissensverwertung, wie die unabdingbare Inte-gration von Schutzrechtsstrategien in bionische Projektemit Blick auf die Ergebnisverwertung). Darüber hinauskönnten Förderprogramme mit Blick auf bionische Be-lange entsprechend nuanciert angepasst werden (z. B.Fortführung von Machbarkeitsstudien, finanzielle Be-günstigung bionischer Anwendungsprojekte als Verbund-vorhaben in Ausschreibungen). Zudem könnten neueSchwerpunkte gesetzt werden, z. B. Aufbau eines DFG-Schwerpunktes zu biologischen Grundprinzipien, oderGründung einer AiF (Arbeitsgemeinschaft IndustriellerForschungsvereinigungen)-Mitgliedsvereinigung.

Darüber hinaus treffen hier auch Forderungen zu, die oftinsgesamt an die Forschungsförderung gestellt und parti-ell auch bereits umgesetzt werden (z. B. Belohnung vonGrundlagenforschung, die zu Produkten führt; Festlegungvon Gütekriterien für „bionische“ Projektanträge undProjekte; Schaffung unbürokratischer Finanzierungsinst-rumente in Kooperation mit der Industrie).

Bionik in der Öffentlichkeit

Bionik ist in der breiten Öffentlichkeit – sofern bekannt –wie in den Medien thematisch eher positiv besetzt. DieseBasis wäre ausbaubar vor dem Hintergrund der Vermitt-lung eines klareren Bildes davon, was Bionik genau aus-macht. Dieses Verständnis wäre u. a. auch eine Grundlagefür eine bessere Verankerung bionischer Aspekte in Lehreund Ausbildung. Um Bionik für eine breite Öffentlichkeitnachvollziehbarer zu vermitteln, bieten sich u. a. großeModelle (Exponate zum Anfassen), entsprechende (Com-puter-)Spiele, Internetplattformen, Wanderausstellungen,Berichte in den Medien etc. an. Bionik könnte auch beiWissenschaftsveranstaltungen präsenter gemacht werden.Eine sichtbare Verankerung von Bionik als Bestandteilmöglicher Lösungsstrategien für Zukunftsfragen (etwa in

Gremien wie Sachverständigenrat etc.) könnte ebenfallszu einer besseren öffentlichen Wahrnehmung beitragen.

Lehre und Ausbildung

Für eine breitere Verankerung von Bionik auf allen Stufenvon Lehre und Ausbildung bietet es sich z. B. an, „Bionikals Denkmodell“ zu etablieren. Bionik ließe sich auch imnaturwissenschaftlichen Unterricht (als fächerübergrei-fendes Themenfeld) zwischen den Einzelfächern ansie-deln. Dazu gehört auch eine bessere Darstellung der Bio-nik in den Lehrbüchern, der Start von Disziplinenvernetzenden Projekten/Unterrichtsreihen in Kindergär-ten und Schulen, eine adäquate Aufbereitung bionischerAspekte für Berufsschulen (und für Umsetzungen imHandwerk) oder auch die Weiterbildung von Bionik-For-schern in Projektmanagement und Vertragswesen. Einetechnisch-wirtschaftliche Analyse hinsichtlich nachweis-barer volkswirtschaftlicher Effekte der Bionik könnteeine lenkende Wirkung auf die bearbeiteten Inhalte ein-zelner Fachdisziplinen haben.

Folgenanalysen

Auf der Basis der bisher gewonnenen Einsichten bötensich eine Reihe spezifischer Fragestellungen in folgendenVertiefungsfeldern an:

– Ökobilanzielle Themen sind in der Bionik noch nichtuntersucht worden. Daher könnten weiterführende Ge-samtbetrachtungen bionischer Produktanwendungen(u. a. hinsichtlich der Frage, ob die in der praktischenUmsetzung gewählten Materialien und Verarbeitungs-schritte dem „bionischen Versprechen standhalten“) indie Bewertungsdiskussion integriert werden.

– Für den gesamten Bionik-Bereich besteht generell Be-darf einer Schärfung der hier getroffenen Aussagen zu„Chancen und Risiken“ (evtl. differenziert nach etab-lierter und neuer Bionik).

– Es besteht weiterhin ein spezifischer Wissensbedarfim Bereich der „neuen Bionik“:

– Inwieweit kann die generelle Unterstellung („Bio-nik als Versprechen“, die im jeweiligen Kontextnochmals überprüft werden sollte) bei der sog.„High-Tech-Bionik“ aufrechterhalten bleiben. Wel-ches wären die Kriterien und Bewertungsmethoden(bzw. Leitvorstellungen)?

– Können die mit der Bionik bisher eher nur implizitverbundenen Vorstellungen (z. B. Robustheit, Feh-lertoleranz, Adaptivität) auch im Bereich der›neuen Bionik‹ (besser) realisiert werden, wenn sienicht nur unausgesprochen transportiert, sondernim Rahmen explizit formulierter Leitbilder bewusstverfolgt werden?

– Forschungsbedarf besteht auch im Hinblick auf die„Eingriffstiefe“ und „Wirkmächtigkeit“ der „neuenBionik“ auf der molekularen Ebene und die damitzusammenhängenden Risiken.


– Detailuntersuchungen könnten in diesem Sinn füreinzelne Bereiche durchgeführt werden. Ein „Bei-spiel“ wäre hier die Nanobionik, wo neben vorge-nannten Punkten u. a. Aspekten der „Selbstorgani-sation“ (inkl. notwendigem Regulierungsbedarf)nachgegangen werden könnte. Ein anderes Beispielist die Prothetik. Hier könnten weiterführende Un-tersuchungen u. a. das Themenfeld „enhancement“integrieren.

– Eine weitere Vertiefungsmöglichkeit ist eine differen-zierte Vergleichsanalyse (Innovationsforschung, Infor-mationsfluss, Wissenstransfer, Analyse erfolgreicher

Bionik-Projekte etc.) mit anderen Ländern, um spezi-fische nationale Stärken und Schwächen (Hemmnisse)herauszuarbeiten (Benchmark).

– Zudem könnten durch eine andere Herangehensweisean die Thematik neue Ideen generiert werden, etwawenn man Bionik weniger aus der technologischenSicht betrachtet, sondern von der Anwendungsseitebzw. der Problemlösungsperspektive her kommend(z. B. ausgehend von aktuellen ökologischen Proble-men, etwa im Bereich Bauen und Wohnen oder beimLeichtbau von Automobilen, ausloten, inwieweit bio-nische Ansatzpunkte hier weiter helfen könnten).


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Toh, E.H., Luxford, W.M. (2002): Cochlear and brain-stem implantation. In: Otolaryngologic Clinics of NorthAmerica 35(2), S. 325–42

TU Ilmenau (2005): Internetseiten der TechnischenUniversität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachge-biet Biomechatronik. http://www.tu-ilmenau.de/site/biomechatronik/ index.php?id=542, abgerufen am04.08.2005

UMSICHT (2005a): „Stets rattenscharfe Messer“ beimIdeenwettbewerb „Bionik – Innovationen aus der Natur“des BMBF prämiert. http://www.umsicht.fhg.de/presse/bericht. php?titel=050308_bionikwettbewerb

UMSICHT (2005b): Persönliche Mitteilung Herr DirkBraun, Institut für Baukonstruktion (IBK2) der TU Stutt-gart, vom 13.10.2005

UMSICHT (2005c): Persönliche Mitteilung HerrDr. Meisel, INGLAS Innovative Glassysteme GmbH &Co. KG, vom 13.10.2005

UMSICHT (2005d): Persönliche Mitteilung vonDr. Andreas Gombert, Fraunhofer-Institut ISE, vom12.10.2005

Universität Bremen (2005): http://www.ceramics.uni-bre-men.de/neuigkeiten/neuigkeiten.php

Universität Bremen (2006a): Biomineralisation. http://www.ceramics.uni-bremen.de/arbeitsgebiete/biominerali-sation/biomineralisation.php

Universität Bremen (2006b): Perlmutt – Vorbild fürnachhaltig zukunftsfähige Werkstoffe. http://www.tecdesign.uni-bremen.de/FG10/dokumente/Perl-muttBericht.doc, abgerufen am 06.03.2006

Universität Kassel (2005a): Ausgangssituation für denLeichtbau. Elektronische Publikation des Fachgebiets fürLeichtbau-Konstruktionen der Universität Kassel. http://www.uni-kassel.de/fb15/lbk/download/leichtbau/01_Ausgangssituation.pdf, abgerufen am 12.10.2005

Universität Kassel (2005b): Entwicklungspotenzial derWerkstoffe im Automobilbau. Elektronische Publikationdes Fachgebiets für Leichtbau-Konstruktionen der Uni-versität Kassel. http://www.uni-kassel.de/fb15/lbk/download/leichtbau/07_Entwicklungspotentiale. pdf, ab-gerufen am 12.10.2005

Universität Marburg (2005): NanoBionics III – fromMolecules to Applications. http:// www.nanobionics3.de/

VDE (Verband der Elektrotechnik, Elektronik, Informa-tionstechnik e.V.) (2005): Mikrosysteme in der Medizin.Studie zum Anwendungsfeld Neuroprothetik, Frankfurt

VDI (Verein Deutscher Ingenieure e.V.) (2006): SmartMaterials und Adaptive Werkstoffe. http://www.vdi-

jutec.de/index.php?seite=content_anzeigen&id=213&nav=schueler

VDI-TZ (VDI-Technologiezentrum) (Hg.) (1993): Tech-nologieanalyse Bionik. Analyse & Bewertung Zukünfti-ger Technologien. (Autor: Neumann, D.) Düsseldorf

VDI-TZ(VDI-Technologiezentrum) (Hg.) (2002): Nano-biotechnologie I: Grundlagen und technische Anwendun-gen molekularer, funktionaler Biosysteme. (Autoren:Wevers, M., Wechsler, D.) Zukünftige TechnologienNr. 38, Düsseldorf

VDI-TZ (VDI-Technologiezentrum) (Hg.) (2004):Nanobiotechnologie II: Anwendungen in der Medizinund Pharmazie. (Autoren: Wagner, V., Wechsler, D.)Zukünftige Technologien Nr. 50, Düsseldorf

Versweyveld, L. (2004): U.S. Department of Veterans Af-fairs to fund new centre for advanced limb-loss research.In: Virtual Medical World. http://www.hoise.com/ vmw/05/articles/vmw/LV-VM-01-05-15.html, abgerufen am16.12.2004

von Gleich, A. (2001): Bionik – Ökologische Techniknach dem Vorbild der Natur? Stuttgart, Leipzig, Wiesba-den

von Weizsäcker, C., von Weizsäcker, E.U. (1984): Fehler-freundlichkeit. In Kornwachs, K. (Hg.): Offenheit – Zeit-lichkeit – Komplexität. Zur Theorie der offenen Systeme,Frankfurt/New York, S. 167–201

Wagner, P. (2005): Nanobiotechnology. In: Greco, R.,Prinz, F.B., Lane, R. (eds.): Nanoscale Technology inBiological Systems. Boca Raton

Walter, P., Mokwa, W. (2005): Epiretinale Sehprothesen.In: Der Ophthalmologe 102(10), S. 933–940

Weyer, J. (1997): Konturen einer netzwerktheoretischenTechniksoziologie. In: Weyer, J., Kirchner, U., Riedl, L.,Schmidt, J.F.K.: Technik, die Gesellschaft schafft. SozialeNetzwerke als Ort der Technikgenese. S. 23–52, Berlin

Wikipedia (2005): Lexikoneintrag zu „Six Million DollarMan“. http://en.wikipedia. org/wiki/The-Six_Million_Dollar_Man, abgerufen am 12.09.2005

WWF (World Wildlife Fund) (1995): BIONIK. Natur alsVorbild, München

Zeng, F. (2004): Trends in Cochlear Implants. In: Trendsin Amplification 8(1), S. 1–34

Zhang, S. (2003): Fabrication of novel biomaterialsthrough molecular self-assembly. In: Nature Biotechno-logy 21(10), S. 1171–1178

Zschech, E., Rauh, R. (2001): Intelligenter Leichtbau:Aluminium – ein Konkurrent und Partner. In: HTM Zeit-schrift für Werkstoffe – Wärmebehandlung – Fertigung 3/2001, S. 191–199


AnhangDer folgende Anhang soll eine Übersicht über die derzeit aktiven Akteure im Bereich Bionik geben (nach UMSICHT2005). Er erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

1. Akteure nach Bionikforschungsthemen in Deutschland

FuE-Einrichtung Arbeitsgruppe und Kopf der AG Themengebiet

Bildungs- und Umwandlungsprinzipien von Stoffen, Materialien und Materialverbünden (Synthesen, Feststoffbildung, Selbstorganisation, Selbstheilung, Abbau etc.)

Friedrich-Alexander-Universität Er-langen-Nürnberg, Institut für Werkstoffwissenschaften

Lehrstuhl für Werkstoffwissen-schaften (Glas und Keramik); Bioengineered Ceramics und Biomedical Materials,Prof. Dr. rer. nat. Peter Greil

Bionische Materialsynthese

RWTH Aachen Bionik-Zentrum Aachen, Prof. Dr. Hermann Wagner:AG Informations- und NeurobionikAG VerfahrensbionikAG Bewegungs- und SensorbionikAG StrukturbionikAG Organisations- und OptimierungsbionikAG Konstruktionsbionik

Bündelung der Bionik-Aktivitäten an der RWTH Aachen: Biologie, Medizin, Maschinenbau, Informations- und Elektrotechnik

Stoffe (Chemikalien, Materialien), (funktionale) Mikrostrukturen, Ober- und Grenzflächen

Botanischer Garten der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Plant Biomechanics Group Freiburg,Prof. Dr. Thomas Speck

Neue Materialien (Gradienten-, Naturfaserverbundstoffe); Smart Materials (selbstreparierend und selbstadaptiv)

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Institut für Werkstoffwissenschaften

Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaf-ten (Glas und Keramik); Bioengineered Ceramics und Biomedical Materials,Prof. Dr. rer. nat. Peter Greil

Bionische Materialsynthese

Hochschule Bremen, FB Schiffbau, Meerestechnik und Angewandte Naturwissenschaften

Fachrichtung Bionik,Prof. Dr. Antonia Kesel

Neue Materialien; klebfreies Haften; Leichtbau;

Hochschule Bremen, FB Schiffbau, Meerestechnik und Angewandte Naturwissenschaften


Antifouling; Strukturbionik




n o c h 1. Akteure nach Bionikforschungsthemen in Deutschland

TU Dresden, Institut für Botanik

Lehrstuhl für Botanik,Prof. Dr. Christoph Neinhuis

Funktionen mikrostrukturierter cuticularer Oberflächen mit Schwerpunkt auf dem Lotus-Effekt

Universität Bonn, Nees Institut für Biodiversität der Pflanzen

Pflanzliche Grenzflächen: Strukturen, Funktion und technische Umsetzung,Prof. Dr. Wilhelm Barthlott

Selbstreinigende biologische und technische Oberflächen

Universität Potsdam, Institut für Biochemie und Biologie

Professur für Analytische Biochemie,Prof. Dr. Frieder W. Scheller

Analytische Biochemie, Biosensorik

Statische Konstruktionen (Leichtbau, Tragwerke, Flug-, Fahr- und Schwimmkörper)

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Biologie III

AG Pflanzenbiomechanik,Prof. Dr. Hanns-Christof Spatz

Biomechanik und funktionelle Morphologie/Anatomie pflanzlicher Achsen; Evolution pflanzlicher Wuchsformen

Botanischer Garten der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Plant Biomechanics Group Freiburg,Prof. Dr. Thomas Speck

Leichtbaustrukturen

Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Geowissen-schaften, Institut und Museum für Geologie und Paläontologie

Projektgruppe Funktionelle Morphologie und Biomimetik,Dr. Anita Roth-Nebelsick

Fluidbewegungen in und um Pflanzen für Anwendungen an technischen Textilien

Hochschule Bremen, FB Schiffbau, Meerestechnik und Angewandte Naturwissen-schaften


Leichtbau



Technische Universität Berlin FG Bionik und Evolutionstechnik,Prof. Dr. Ingo Rechenberg

Windkonzentrator; Reibungsminde-rung in der Natur

TU Darmstadt Biotechnik-Zentrum Darmstadt,Dr. Torsten Rossmann

Design von Wirbeltierstrukturen; Bionik im Bauwesen – Leichtbau




Universität des Saarlandes FB Biologie – Zoologie, AG Nachtigall, Prof. Dr. Werner Nachtigall

Gebäudelüftungssysteme nach Termitenbauvorbild; Reibungs-minderung in der Natur; Libellenflug

Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau

Institut für Thermische Energietechnik,Prof. Dr.-Ing. Martin Lawerenz

Formvariable Beschaufelungen in Turbomaschinen auf der Basis biolo-gischer Konzepte

Dynamische Systeme (Sensorik, Aktorik, Lokomotion, Robotik)

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Institut für Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik

Lehrstuhl für Sensorik, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Lerch

Künstlicher Fledermauskopf; Entwicklung von Ultraschallsendern und Empfängern



Biosensorik; Energieminimierung (Hydrodynamik); Lokomotion/Transportprozesse; Robotik



Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikrosystem-technik, Mechatronik u. Mechanik

FB Biomechatronik,Prof. Dr. Hartmut Witte

Bionik der Mikrosysteme; Bionisch inspirierte Robotik

Technische Universität München, Fakultät für Maschinenwesen

Lehrstuhl für Angewandte Mechanik,Prof. Dr. Pfeiffer

Robotik und Laufmaschinen


Biodynamische Modellierung des Menschen; instationäre Aerodyna-mik des Schlagfluges; Modellierung und Simulation der Dynamik des Laufens; Prinzipien und Merkmale gelungener Bewegungen; Neuroakustik; Bionischer Roboterarm

Universität Bonn, Institut für Zoologie

Abteilung für Vergleichende Neurobiologie,Prof. Dr. H. Bleckmann

Bau und der Funktion der mechano-sensorischen Seitenlinie der Fische, technische Umsetzung von Reiz-aufnahme, Reizfilterung und Reiz-verarbeitung





Autonomes Laufen; Roboterarme mit elastischen Antrieben; Energiehaus-halt und Kinematik des Starenfluges; Lokomotion von Fischen

Universität Dortmund Lehrstuhl für Algorithm Engineering und Systemanalyse,Prof. Dr. Hans-Paul Schwefel

Neuronale Netze, Fuzzysysteme, evolutionäre Algorithmen

Prozesse (Geräte, Maschinen, Verfahren, Impuls-, Wärme- und Stofftransport)


Biosolare Wasserstoffproduktion


Gebäudelüftungssysteme nach Termitenbauvorbild

Ästhetische Formen und Prinzipien


Design von Wirbeltierstrukturen; Modellierung und Simulation der Dynamik des Laufens; Prinzipien und Merkmale gelungener Bewegungen

Hochschule Magdeburg-Stendal FB Gestaltung/Industriedesign,Prof. Ulrich Wohlgemuth

Methodik für „Bionik-Design“

Datenübertragung und -verarbeitung (Optimierung mittels Evolutionsstrategien, Funkübertragung, Routing etc.)



Informationsbionik; Optimierungsverfahren


Bündelung der Bionik-Aktivitäten an der RWTH Aachen: Biologie, Medizin, Maschinenbau, Informations- und Elektrotechnik,


Systemoptimierung nach Evolutions-prinzipien; Prozesssteuerung durch neuronale Netze





Evolutionäre Optimierung; Entwicklung neuer Methoden für Evolutionäre Algorithmen; Numerische Simulation gekoppelter Problemstellungen

Universität Bielefeld, Fakultät für Biologie

AG Biologische Kybernetik,Prof. Dr. Holk Cruse

Sensorgetriebene und kognitive Systeme zur Robotersteuerung

Universität Karlsruhe (TH), Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren

Forschungsgruppe Effiziente Algorithmen,Prof. Dr. H. Schmeck

Evolution und Lernen, Organic Computing

Organisationsformen (Industrielle Ökologie, Management)



Organisationsbionik

RWTH Aachen Bionik-Zentrum Aachen,Prof. Dr. Hermann Wagner:AG Informations- und NeurobionikAG VerfahrensbionikAG Bewegungs- und SensorbionikAG StrukturbionikAG Organisations- und OptimierungsbionikAG Konstruktionsbionik

Bündelung der Bionik-Aktivitäten an der RWTH Aachen: Biologie, Medizin, Maschi-nenbau, Informations- und Elektro-technik

Schnittstelle Mensch/Biologie-Maschine

Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikrosystem-technik, Mechatronik und Mechanik

FB Biomechatronik,Prof. Dr. Hartmut Witte

Bionik und Mechatronik für das Biomedical Engineering; Bionisch inspirierte Robotik


Bionischer Roboterarm

Informationstransfer

Fraunhofer-Institut für Naturwissen-schaftlich-Technische Trendanalysen INT

Technologieanalysen und -vorausschau (TAV), Dr. Thomas Kretschmer

Technologieanalysen und -vorausschau



Hochschule Magdeburg-Stendal Hochschule Magdeburg-Stendal Methodik für „Bionik-Design“




2. Unternehmen in Deutschland

Universität Bremen FB Produktionstechnik, Fachgebiet 10: Technikgestaltung und TechnologieentwicklungProf. Dr. Armin von Gleich

Technikgestaltung und Technologieentwicklung

Universität Münster, Institut für Didaktik

Prof. Bernd Hill Didaktik und Methodik des Naturorientierten Lernens; Didaktik und Methodik der angewandten Bionik für den Ingenieurbereich

Universität Rostock, Institut für Ökotechnologie, Nieklitzer Ökologie- und Ökotechnologie-Stiftung

Zukunftszentrum Mensch-Natur-Technik-Wissenschaft,Prof. Dr. Berndt Heydemann

Zukunftszentrum Mensch – Natur – Technik – Wissenschaft

Unternehmen Arbeitsgruppe und Kopf der AG Themengebiet/Produkt

Adam Opel AG, Rüsselsheim Optimierung von Motoraufhängun-gen nach bionischen Prinzipien

adidas-Salomon AG, Herzogenaurach

Jetconcept-Schwimmanzüge (Haifischhautprinzip)

Armstrong DLW AG, Bietigheim-Bissingen

Oberflächenbeschichtungen

Beiersdorf AG, Hamburg Einsatz des Wirkstoffs Alpha-Flavon in Kosmetikprodukten

Bionic Solutions Peter Birke – Georg Rummel GbR, Saarbrücken

Georg Rummel, Peter BirkeSpin-off aus der Universität des Saarlandes

Entwicklung von Produkten aus Naturprinzipien

Bionic Streamform Frank Wedekind

Prototypen- und Formenbau, bionische Modellierungen, Strömungsmechanik

Bionic Systems Doris Fürst, Malte Haust Bionik-Desgin

Bionicon – Inwall GmbH, Gmund am Tegernsee

Fahrräder (Rahmen- und Federungssystem nach dem Vorbild der Körpergeometrie von Gämsen)

Bionik Design, Burgrieden Michael Post Projektstudien, Industriedesign, Grafik



n o c h 2. Unternehmen in Deutschland

BMW Leichtbaufunktionsprofile für die Fahrwerksgestaltung; speziell geformte K 1200 S Motorradfelge; aerodynamisch optimiertes Wasserstofffahrzeug H2R

Chendo GmbH, Saalstadt Trabekulär orientierte Endoprothesensysteme (bionisches Dämpfungssystem)

Continental AG, Hannover Entwicklung von ContiPremiumCon-tact und ContiSportContact 2-Reifen (Vorbilder Katzenpfote und Spinnen-netz)

DaimlerChrysler, Stuttgart Konzeptfahrzeug Mercedes Benz bio-nic car (Vorbild Kofferfisch)

Degussa AG, Düsseldorf Creavis Technologies & Innovation; ProSurface, Trostberg

Aeroxide®,, Tegotop® – selbstreini-gende Oberflächenbeschichtungen (Anti-Fouling-Beschichtungen, Lackierungen)

Dr. Mirtsch GmbH Strukturierungs-technik, Teltow

Wölbstrukturierungen

Duravit AG, Hornberg WonderGliss Fluid – schmutzabwei-sende Oberflächenbeschichtung

Erlus AG, Neufahrn Erlus Lotus®, selbstreinigendes Tondach

Evologics GmbH, Berlin Dr. Rudolf Bannasch technische Umsetzung bionischer Prinzipien, Koordination BIOKON und TERRA BIONICA

FELUWA Pumpen GmbH, Mürlenbach

Heinz M. Nägel, GF MULTISAFE Doppel-Schlauch-membran-Kolbenpumpe

Festo AG & Co. KG, Esslingen pneumatische Muskeln

Franz Kaldewei GmbH & Co. KG, Ahlen

Kaldewei-Email® mit selbstreinigen-dem Perleffekt

Friedrich Graepel AG, Löningen Herr Wesselmann Lochblechprodukte für Nutzfahr-zeuge; bionische Schutzgitter für Actrosserien von Mercedes Benz

Ideal Standard, Bonn Oberflächenbeschichtungen




Keramag AG, Ratingen KeraClean, KeraTec – Oberflächen-beschichtungen mit Lotuseffekt®

Koralle – Sanitärprodukte GmbH, Vlotho

GlasPlus, Glasveredelung

Miele & Cie. KG, Gütersloh In Kooperation mit Prof. Dr. Frank Mirtsch, Technische Fachhochschule Berlin

Wäschetrommel mit wabenförmiger Wölbstruktur (Vorbilder: Seeschildkrötenpanzer, Facettenaugen von Insekten)

Nano Maxi, Wittibreut Forschung und Vertrieb von nanoba-sierenden Oberflächenversiegelungen

Nano-X GmbH, Saarbrücken Entwicklung und Produktion von neuen Werkstoffen der chemischen Nanotechnologie mit multifunktionel-len Eigenschaften


Bionische Prothesen

Otto Bock HealthCare GmbH, Duderstadt

Bionische Armprothese

Phonak GmbH, Fellbach (Hauptsitz Schweiz)

Hörgerätelinie Savia, Chiptechnolo-gie, die Fähigkeiten von biologischen Systemen mit Digitaltechnologie umsetzt

P.I.E.R. Hausbau GmbH BIONIK-Wohnpark

Siemens AG, München Keramik mit der Mikrostruktur von Bäumen; Logistikprogramme nach dem Vorbild von Insektenstaaten; Ultraschalltechnologie in Analogie zu Fledermaussignalen

S.K. Enterprise – Gesellschaft für bio-nische Lebensmittel mbH, Hamburg

Bionische Lebensmittel

Sto AG, Stühlingen Lotusan® Fassadenbeschichtungen

Trolining GmbH, Troisdorf TROLINING® SelfCleaning System für Rohrleitungen

Velcro GmbH , Freiberg am Neckar (Stammsitz USA)

Klettverschlüsse

Villeroy & Boch, Mettlach ceramicplus, activecare – Oberflächenbeschichtungen; schmutzabweisend, antibakteriell




3. Technologiezentren in Deutschland

4. Netzwerke in Deutschland

VitrA Ekom Sanitärmarketing GmbH, Kerpen

Oberflächenbeschichtungen

Witmed GmbH, Cottbus Medizintechnische Beratungsleistungen

Technologiezentrum Firma Themengebiet

Cottbuser Technologie- und Entwick-lungs-Centrum (CoTEC)

WITMED GmbH Anwendungsgebiete der Bionik, Gewinnung und Auswertung bioelektrischer Signale; Medizini-sche Beratungs- und Service-leistungen; Medizinische Praxisausstattung; Konzeptionelle Fach-, Investitions- und Rentabilitätsplanung; Übersetzungsleistungen Medizin/Medizintechnik

Netzwerk Partner Ziel

BIOKON-Fachgruppe A1 „Medien, Internet, Datenbanken, Öffentlichkeitsarbeit, Presse“

TU-Berlin (Vorsitz), Uni Bonn (Botanik), HS Bremen, EvoLogics Berlin, TU Darmstadt, FZ Karlsruhe, Uni Saarbrücken

Mediale Öffentlichkeitsarbeit zum Thema Bionik

BIOKON-Fachgruppe A2 „Aus- und Weiterbildung, Methodik und Didaktik“

Uni Münster (Vorsitz), RWTH Aachen, TU Berlin, Architekturbüro Oligmüller Bochum, HS Bremen, TU Darmstadt, Uni Freiburg, TU Ilmenau, NICOL-Stiftung Nieklitz, HS Magdeburg-Stendal, Uni Saarbrücken

Didaktische Konzepte für Bionik in Schulen, Universitäten oder als Weiterbildung für Ingenieure



n o c h 4. Netzwerke in Deutschland

BIOKON-Fachgruppe A3 „Ausstellungen, Messen, Kongresse, Workshops, Tutorials, Exponate“

Uni Saarland (Vorsitz), TU Berlin, EvoLogics, HS Bremen, TU Darmstadt, Uni Freiburg, NICOL-Stiftung Nieklitz, ITV Denkendorf, Uni Bonn (Botanik)

Konzeption und Organisation von Messen, Kongressen, Workshops zur Bionik

BIOKON-Fachgruppe A4 „Industrielle Umsetzung“

Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen (Vorsitz), TU Darmstadt, EvoLogics, ITV Denkendorf, FH Magdeburg, Architekturbüro Oligmüller, Uni Bonn (Zoologie), FZ Karlsruhe, TU Ilmenau

Beratung zur industriellen Umsetzung von Bionik-Projekten

BIOKON-Fachgruppe B1 „Architektur, Design“

Architekturbüro Oligmüller (Vorsitz), Uni Saarbrücken, HS Magdeburg, TU Darmstadt, ITV Denkendorf

Begleitung von Bionik-Projekten und Beratung hinsichtlich Design, Öffentlichkeitsarbeit, Industriekontakte

BIOKON-Fachgruppe B2„Leichtbau, Materialien“

FZ Karlsruhe (Vorsitz), Uni Freiburg, ITV Denkendorf, FZ Karlsruhe,TU Darmstadt BitZ, NICOL-Stiftung Nieklitz

Darstellung des Wissensstandes bionischer Leichtbauprinzipien und Materialien und fachlicher Austausch

BIOKON-Fachgruppe B3 „Oberflächen und Grenzflächen – Strukturen und Funktionen“

TU Dresden (Vorsitz), Uni Bonn, HS Bremen, TU Darmstadt, ITV Denkendorf, MPI Stuttgart, Uni Tübingen

kooperative Kompetenzzentrale für bionische Oberflächen und Grenzflächen

BIOKON-Fachgruppe B4 „Fluiddynamik, Fliegen, Schwimmen, Robotik, DAMS“

Uni Bonn, Zoologie (Vorsitz), TU Darmstadt, RWTH Aachen, TU Berlin, EvoLogics, Uni Saarbrücken, Uni Tübingen, HS Bremen

Forschungsgruppe zur Ergänzung des physiologischen Kenntnisstands der Biologie mit dem Ziel des techni-schen Erkenntnisgewinns

BIOKON-Fachgruppe B5 „Biomechatronik, Biomedizin-technik, Mikrosystemtechnik, Aktuatorik, Robotik“

TU Ilmenau (Vorsitz), RWTH Aa-chen, TU Berlin, EvoLogics, TU Darmstadt, ITV Denkendorf

gemeinsame Projektbearbeitung im Bereich Robotik und Biomechatronik

BIOKON-Fachgruppe B6 „Sensorik, Informationsverarbeitung, Kommunikation“

Uni Bonn, Zoologie (Vorsitz), RWTH Aachen, TU Berlin, EvoLogics, TU Darmstadt, TU Ilmenau

Identifizierung technischer Anwen-dungsfelder für bionische Sensoren und Sensorsysteme

BIOKON-Fachgruppe B7 „Optimierungsverfahren und -methoden

FZ-Karlsruhe (Vorsitz), Uni Freiburg, ITV Denkendorf, NICOL-Stiftung Nieklitz, TU Berlin, TU Darmstadt BitZ, TU Ilmenau

Darstellung des Wissensstandes und fachlicher Austausch der Mitglieder



n o c h 4. Netzwerke in Deutschland

5. Hochschulen und FuE-Einrichtungen im AuslandUSA, Kanada

BIOKON-Fachgruppe B8 „Bionik-Film“

k.A. k.A.

Bionale – Lernen von der Natur e.V. k.A. Plattform für den Austausch unter den Disziplinen und der Förderung innovativer Ideen, die von der Natur inspiriert wurden

Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik

310 Mitglieder; Gründungsmitglieder: Prof. Dr. Werner Nachtigall (Uni Saarbrücken), Prof. Dr. I. Rechenberg (TU Berlin), U. Rohde (Schott Glaswerke AG), H. Zinner (MBB), Prof. Dr. H. Grünewald (Bayer AG), Prof. A. Weber (BASF)

Bekanntmachung der Bionik in einer breiteren Öffentlichkeit; regelmäßige Information über Neuigkeiten auf dem Gebiet der Bionik und derTechnischen Biologie, Veranstaltung von Kongressen und Workshops

Kompetenznetz Biomimetik Plattform für Wissenschaftler verschiedener Disziplinen und für Partner aus Industrie und Wirtschaft zur Ermöglichung gemeinsamer Ent-wicklungen von Produkten und Technologien; Schwerpunke: neuartige technische Textilien, Smart Materials, Gradientenmaterialien


Bell Laboratories, Lucent Technologies, Murray Hill

Joanna Aizenberg, Ph.D. Verfahren zur Herstellung von Mineralschichten mit hoch regulierbarem Kristallaufbau und Kerndichtigkeit; Analyse der Zusammensetzung des Schwamms Euplectella aspergillum als mögliches Modell für die Entwicklung zäher optischer Drähte

California Institute of Technology, Pasadena

Dickinson Lab, Michael Dickinson, Ph.D.

Aerodynamik und neuromuskuläre Kontrolle bei Fliegen als Grundlage für die Entwicklung eines Roboters mit dieser Technologie



n o c h 5. Hochschulen und FuE-Einrichtungen im Ausland

Carnegie Mellon University, Pitts-burgh

NanoRobotics Lab, Metin Setti, Ph.D.

Klebemechanismus für temporäres Kleben, der (wie Käferfüße) durch erhöhte Konformität zur Oberfläche und Kapillarkraft wirkt; verschiedene Arten besonders steigfähiger Roboter

Case Western Reserve University, Cleveland

Biologically Inspired Robotics Labo-ratory, Robert Quinn, Ph.D.

Grillen und Kakerlaken als Vorbilder bei der Entwicklung absprungsfähiger schnellerer autonomer Roboter mit höherer Steigfähigkeit

Cornell University, Ithaka, NY, USA Department of Materials Science and Engineering, Emmanuel P. Giannelis, Walter R. Read, Professor of Engineering

Bionische Materialien und Nanobiotechnologie

Harvard University, Boston BioRobotics Laboratory, Robert Howe, Ph.D.

Roboter zur biomedizinischen Anwendung; Teilnahme am Stanford Biomimetic Robotics Projekt

Johns Hopkins University, Baltimore

Department of Mechanical Enginee-ring, Laboratory for Active Materials and Biomimetics (LAMB), Kaliat Ramesh, Ph.D.

Charakterisierung des Verhaltens von „compliant active materials“ (bes. von künstlichen Muskeln)

Lewis and Clark College, Portland, Oregon

Autumn Lab, Kellar Autumn, Ph.D. Biomechanik, Verklebung, Fortbewe-gung des Geckos, Anwendung in der Entwicklung selbstreinigender Kleb-stoffe

Massachusetts Institute of Technology (Institute for Soldier Nanotechnologies), Cambridge

Hammond Lab, Paula T. Hammond, Ph.D.

Entwicklung eines nanostrukturierten Stoffs nach dem Vorbild der Spinnen-seide zur Verwendung in kugelsiche-rer Kleidung etc.

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge

Biomolecular Materials Laboratory, Angela Belcher, Ph.D.

Selbstherstellung von elektrischen und magnetischen Materialien im Nanobereich, Entwicklung organisch-anorganischer Composite

Nekton Research LLC, Durham Bionisch geformte Unterwasser-roboter zu Überwachungszwecken

Northeastern University, Boston

Biomimetic Underwater Robot Program, John Ayers, Ph.D.

Selbständige Unterwasserroboter mit Aktuatoren und Sensoren zur Muskelsteuerung, Selbststeuerung (künstliche Nervensysteme)

Northwestern University, Evanston, Illinois

Messersmith Research Group, Phillip Messersmith, Ph.D.

Klebstoff nach Vorbild von Muschelproteinen; Anwendung für Anti-Fouling-Zwecke




Penn State University, Pennsylvania

George Lesieutre, Ph.D. Strukturdynamik von Fluggeräten, bes. von deren elastischen Teilen; Bau eines Flugzeugs mit Flügeln, die ihre Form während des Fluges ändern können

Princeton University Ceramic Materials Laboratory, Ilhan Aksay, Ph.D.

Methoden zur (Selbst-)Herstellung selbstheilender Materialien im Nanobereich; Herstellung organisch-anorganischer Composite

Stanford University Biomimetic Robotics Project, Mark Kutkosky, Ph.D.

Entwicklung schnellerer, robuster, insektenähnlicher Roboter (in Zusammenarbeit mit Harvard, Johns Hopkins und U.C. Berkeley)

University of California, Berkeley

Poly-PEDAL Laboratory, Robert Full, Ph.D.

künstliche Geckofußhaare, bes. für steigfähige Roboter

University of California, San Diego

Meyers Group, Marc Meyers, Ph.D. untersucht und modelliert die Struktur, das Wachstum und die mechanischen Eigenschaften der Schalen von Haliotis sp. (Meerohren) und der Schnäbel von Ramphastidae sp. (Tukane)

University of California, San Diego

Kenneth Vecchio, Ph.D. Entwicklung biomimetischer mehr-schichtiger Materialien aus Wolfram, Titan etc. („metallic-intermetallic laminates“); Anwendung als strukturelles bzw. schusssicheres Material

University of California, Santa Barbara

Waite Research Group, Herbert Waite, Ph.D.

wasserunempfindlicher Klebstoff nach Vorbild von Muschelproteinen; Anwendung für Anti-Fouling-Zwecke

University of California, Santa Barbara

Daniel Morse, Ph.D. Biologischer Mechanismus (Genetik) der Biomineralisation in Meerestieren und die Anwendung dieser Technologie auf die Mikro- und Optoelektronik

University of Florida, Gainesville

Laurie Gower, Ph.D. Biomimetische Synthese von nanostrukturierten Verbundstoffen (Biokeramiken usw.)

University of Massachusetts, Amherst Gregory Tew, Ph.D. Entwicklung chemischer Strukturen mit abgetrennten polaren und nicht polaren Bereichen, die die Eigen-schaften komplexer biologischer Moleküle besitzen




Großbritannien

University of Michigan, Ann Arbor

Kotov Research Group, Nicholas Kotov, Ph.D.

Verfahren zur Herstellung von künst-lichem Perlmutt und biokompatibler Nanostrukturen

University of New Mexico, Albuquerque

Artificial Muscle Research Institute (AMRI), Mohsen Shahin-poor, Ph.D,

künstliche Muskeln, die durch elektrische und chemische Signale kontrolliert werden; Einsatz in schwimmenden und laufenden Robotern; Erforschung biomedizini-scher Einsatzmöglichkeit dieser Muskeln (z. B. in Kunstherzen)

University of Washington Biomimetic and NanoComposite Materials Research Group, Mehmet Sarikaya, Ph.D.

Untersuchung des Aufbaumechanis-musses silikatischer Biomaterialien: mögliche Anwendung in der Herstel-lung von Keramiken bei Raum-temperatur

University of Toronto, Kanada Biomimetics for Innovation and Design Laboratory, L.H. Shu, Ph.D.

biomimetisches Design für die Optimierung von Verpackungen und Herstellung von leicht reparierbaren Maschinenteilen, Systematisierung des Prozesses biomimetischen Designs

University of British Columbia, Vancouver Kanada

Rizhi Wang, Ph.D. Untersuchung der Eigenschaften von natürlichen Materialien (z. B. Zäh-nen, Perlmutt), um bessere Implantate zu entwickeln, die das Wachstum neuer Gewebe erlauben


University of Bath The Centre for Biomimetic and Natural Technologies, Julian Vincent, Ph.D.

Entwicklung eines besonders atmungsaktiven Stoffs, dessen Ober-fläche wie ein Kienapfel auf Luft-feuchtigkeit reagiert; Verbesserung der TRIZ-Methode; Entwicklung springender Roboter; Imitation des Verhaltens staatenbildender Insekten durch Roboter

University of Birmingham School of Biosciences, Organismal and Environmental BiologyProf. J.A. Callow

Antibiofouling-Oberflächen; Koordi-nator des EU-Projektes AMBIO (Advanced Nanostructured Surfaces for the Control of Biofouling)




Japan, China

University of Bristol Fiona Meldrum, Ph.D. Verfahren zur Biomineralisation; Untersuchung der Kristallbildung in Seeigeln etc.

University of Cambridge Structures Group Simon Guest, Ph.D. Entwicklung von Modellen für biomi-metische Strukturen und „deployable structures“ nach biologischem Vorbild

University of Reading George Jeronimidis, Ph.D. Untersuchung der Eigenschaften von Knochen, um stoßfestere Materialien zu entwickeln; Entwicklung eines künstlichen, mit Gel gefüllten Mus-kels nach dem Fortbewegungssystem des Regenwurmes; Teilnahme am Cicada Projekt: Untersuchung der Sensoren in der Haut von Insekten (bes. Grillen)

University of Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology, Andre Geim, Ph.D.

Entwicklung eines Klebebands mit den selbstreinigenden Eigenschaften von Geckofüßen


Nagoya University, Japan Nature COE, Shigeo Asai Materialforschung; Strukturbionik

Doshisha University, Japan Biomimetics Research Center Bionische Chemie; Bionische Mechanik; Bioinformation

National Institute for Advanced Interdisciplinary Research (NAIR), Tsukuba, Japan

Bionic Design Biomaterialien; Biomolekulare Mikromaschine

Kuyushu University, Japan Graduate School of Engineering, Department of Chemistry and Biochemistry

Biomimetics

University of Tokyo, Japan Department of Materials Engineering, Prof. Ryo Yoshida

Intelligente Polymergele und ihre Anwendung auf biomedizinischem und biomimetischem Gebiet

University of Tsinghua, China Department of Materials Science, Key Laboratory for Advan-ced Materials of Ministry of Education,Prof. Dr. Li H.D.

Biomimetics

Chinese Academy of Sciences Institute of Chemistry, Laboratory of Organic Solids, Prof. Jiang Lei, Dr. Feng Lin

Nanotube-Beschichtungen nach dem Vorbild des Geckofußes




Europa außer UK


Universität Uppsala, Schweden

MolekularbionikStenbjörn Styring

Molekularbionik

Universität Uppsala, Schweden

Department of Surface Biotechnology with the Center for Surface BiotechnologyProf. Karin Caldwell

Bionik

Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Stockholm, Schweden

CoE BiomimeticsProf. Anders Lansner

Bionik für mikrosystem-basierte künstliche Olfaktion

EMPA Materials Science & Techno-logy, Dübendorf, St. Gallen, Thun, Schweiz

Gruppe Holzwissenschaft/Biomimetik

Keramisierung von Holzstrukturen durch Silica-Sol und gasförmiges Silicium zu anisotrop porösen KörpernInfiltration der keramisierten Holz-strukturen mit Metallschmelzen (AI) zu dichten Kompositwerkstoffen

ESA, European Space Agency, Paris ACT Advanced Concepts Team, Noordwijk, NL, ACT Biomimetics, Carlo Menon

Künstliche Muskeln; Robotik

Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne, Schweiz

Institute of Chemical Sciences and Engineering, Laboratory of Photonics and Interfaces, Prof. Michael Grätzel

Solarzelle nach dem Prinzip der Photosynthese

National Hellenic Research Foundation

Institute of Biological Research and Biotechnology, Indus-trial Biotechnology

Bionik/Nanobiotechnologie

Universität für Bodenkultur Wien, Department für Biotechnologie

Zentrum für NanoBiotechnologie (ZNB); O.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Hermann Katinger

Molekularbiotechnologie und biomimetische Membranen

Universite de Tours – CNRS, Frankreich

Institut de Recherche sur la Biologie de l'Insecte – IRBI

Teilnahme am Projekt CICADA

University of Twente, Niederlande Transducers Science and Technology Group (TST)

Teilnahme am Projekt CICADA

Centre Natioal de la Recherche Scientifice, Paris, Frankreich

Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes

Projekt Robea – An Interdisciplinary National Program in Robotics; Projekt Robocoq – Conception et réalisation d'un robot ornithoïde dote d'une vision stabilisée

Russian Academy of Sciences Department of Biochemical Physics, Prof. Alexander E. Shilov

Design biomimetischer Systeme


6. Unternehmen im Ausland

Unternehmen Arbeitsgruppe und Kopf der AG Themengebiet

Advanced Bionics, Sylmar, CA, USA „bionic ear“;Cochlear-Implantate (implantierbare Hörhilfen)

Arena International, Fribourg, Schweiz

Powerskin®-Schwimmanzüge (Delfinhautprinzip)

Cochlear Headquarters, Lane Cove, Australien

Cochlear-Implantate (implantierbare Hörhilfen)

FASTECH Europe AG, Pratteln, Schweiz

Klettbänder

Ferro Corporation, Cleveland, Ohio, USA

Architekturgläser mit Lotus-Effekt

MED-EL Worldwide Headquarters, Innsbruck, Österreich

Cochlear-Implantate (implantierbare Hörhilfen)

Nexia Biotechnologies, Vaudreuil-Dorion, Kanada

Spinnverfahren für künstliche Spinnenseide (BioSteel), die in der Mikroelektronik und Biomedizin eingesetzt wird

Nike, Beaverton, Oregon, USA Swift Suit-Schwimmanzüge (Haifischhautprinzip)


Bionische Prothesen

Phonak Gruppe, Stefa, Schweiz Hörgerätelinie Savia, Chiptechnolo-gie, die Fähigkeiten von biologischen Systemen mit Digitaltechnologie umsetzt

Prospective concepts ag, Glattbrugg, Schweiz

Auftragsentwicklung bionischer Produkte; Schwerpunkte: textilpneu-matische und adaptive Strukturen; 3D-Textilien bzw. Verfahren; Beschleunigungs- und Druckanzüge für Piloten; Pneumatische Tragstrukturen; Modulare Messtech-nik, Sensoren und Elektronik

Speedo International, Nottingham, UK

Fastskin-Schwimmanzüge (Haifischhautprinzip)

TYR Sport, Inc., Huntington Beach, CA, USA

Kooperation mit Center for Research and Education in Special Environ-ments (CRESE), Buffalo, New York

AquaShift-Schwimmanzüge(Haifischhautprinzip)


7. Netzwerke im Ausland


BIONIS Network for Industrial Sustainability – University of Reading

Vermarktung bionischer Lösungsan-sätze, Koordinierung und Förderung wissenschaftlichen Austausches und des Austausches zwischen Forschung, Industrie und Finanzsektor; Auslotung akademisch-industrieller Kooperationen, Öffentlichkeitsarbeit

Biomimetics New Zealand Inc. Unterstützung interdisziplinärer bionischer Forschung

Biomimikry Guild, Helena, MI, USA Beratung von Gemeinden und Firmen; Forschung, Workshops

8. Universitäre und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, die im Bereich Materialien und
Werkstoffe tätig sind
Nachfolgend werden relevante Universitäten und Forschungsinstitute innerhalb Deutschlands und deren Forschungs-ansätze in der bionikbasierten Materialwissenschaft aufgeführt (Umsicht 2005):

Prof. Dr. Eduard Arzt*, Max Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart: Die Wurzeln des Max-Planck-Insti-tuts für Metallforschung reichen zurück nach Berlin-Neubabelsberg, wo es 1921 als Kaiser-Wilhelm-Institut gegründetwurde. Seitdem hat sich das Institut in den mehr als 80 Jahren seines Bestehens zu einer der weltweit führenden For-schungseinrichtungen auf dem Gebiet der Werkstoffe entwickelt. Forschungsziel der Abteilung Arzt ist es, das mecha-nische Verhalten von Materialien im Mikrometer- und Submikrometerbereich zu verstehen. Dazu werden auch biologi-sche Systeme untersucht: Anatomie von Pflanzen, mechanische Eigenschaften von Pflanzenoberflächen undPflanzenmaterialien, Biologische Systeme, Oberflächenstrukturen, Reibung und Adhäsion.

Prof. Dr. Wilhelm Barthlott*, Universität Bonn, Nees Institut für Biodiversität der Pflanzen: Der Lotus-Effect®,entdeckt durch Prof. Dr. Wilhelm Barthlott, hat sich allgemein als Demonstrationsprojekt zur Übertragung biologischerOberflächeneffekte auf technische Oberflächen etabliert. Für seine von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geför-derten Forschungen wurde Prof. Barthlott 1997 mit dem Karl Heinz Beckurts-Preis ausgezeichnet. 1998 war Prof.Barthlott für den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten nominiert. 1999 erhielt er den Philip Morris For-schungspreis, sowie am 31. Oktober in Weimar den „Deutschen Umweltpreis 1999“. Strukturen, Funktion und techni-sche Umsetzung pflanzlicher Grenzflächen ist ein Forschungsschwerpunkt des Nees Instituts.

Prof. Stefan Behling, Technische Universität Stuttgart, Institut für Baukonstruktion, Lehrstuhl 2: Bionisch in-spirierte Gebäudehüllen unter Einsatz neuer Materialien bilden ein Forschungsthema des Lehrstuhls.

Jürgen Bertling*, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, GF Spezial-werkstoffe: Schwerpunkt der werkstofflichen Arbeiten liegt im Bereich selbstheilender Polymerwerkstoffe und selbst-schärfender Schneidstoffe nach dem Vorbild diverser Säugetierzähne für die Polymerzerkleinerung. Weitere For-schungsarbeiten beschäftigen sich mit der Mineralisation an polymeren Template-Strukturen.

Prof. Dr. Armin von Gleich*, Universität Bremen, FB Produktionstechnik, FG Technikgestaltung und Technolo-gieentwicklung: Gemeinsam mit dem Fachbereich Physik der Universität Bremen wurden 2004 Untersuchungen zurEntwicklung keramischer Werkstoffe nach dem Vorbild von Perlmutt durchgeführt.

Prof. Dr. Peter Greil, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Institut für Werkstoffwissenschaf-ten, Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Glas und Keramik): Biomimetrische Materialsynthese in Form von„Biotemplating“ zählt zu den Foschungsschwerpunkten des Lehrstuhls.

Prof. Dr. Antonia Kesel*, Hochschule Bremen, Studiengang Bionik: Materialtechnische Forschungsschwerpunkteder Fachgruppe um Professorin Kesel sind biologische Antifouling- und Klebsysteme.


Prof. Dr. Christoph Neinhuis*, Technische Universität Dresden, Institut für Botanik: Die Arbeitsgruppe vonProf. Dr. Christoph Neinhuis hat jahrelange Erfahrung mit pflanzlichen Grenzflächen, der Charakterisierung vonGrenzflächenphänomenen und biologischen Verbundmaterialien. Forschung und Entwicklung marktreifer technischerOberflächen bilden die Arbeitsschwerpunkte der Arbeitsgruppe.

Prof. Dr. Claus Mattheck*, Forschungszentrum Karlsruhe, Abteilung Biomechanik: Bionik-Schwerpunkte derAbteilung Biomechanik sind die zur Bauteiloptimierung nach Vorbild des Knochenwachstums entwickelte Soft-Kill-Option-Methode und die Optimierung von Maschinenbauteilen (Computer Aided Optimization) nach dem Vorbild derBäume. Prof. Claus Mattheck wurde für diese Arbeiten 2003 mit dem Umweltpreis der DBU ausgezeichnet.

Prof. Dr. Ingo Rechenberg*, Technische Universität Berlin, FG Bionik und Evolutionstechnik: Bionik hat an derTechnischen Universität Berlin eine lange Tradition. Aufbauend auf den Arbeiten von Heinrich Hertel in den 1960erJahren wurde 1972 der Lehrstuhl für Bionik und Evolutionstechnik speziell für Prof. Dr.-Ing. Ingo Rechenberg einge-richtet. Einen werkstofflichen Forschungsschwerpunkt bilden tribologische Effekte biologischer Materialien bzw.Oberflächen („Reibungsminderung in der Natur“).

Dr. Torsten Rossmann*, Technische Universität Darmstadt, Biotechnik Zentrum Darmstadt (BitZ): Das Biotech-nik-Zentrum Darmstadt (BitZ) unter Leitung von Dr. Torsten Rossmann bildet den strukturellen Rahmen des For-schungsschwerpunkts Biotechnik an der TU Darmstadt und koordiniert die Zusammenarbeit von 30 Hochschulprofes-soren aus den Disziplinen Bionik, Biomedizintechnik, Biomechanik und Strukturoptimierung. Werkstoffliche Ansätzeergeben sich aus den Forschungsthemen Biomedizintechnik und Biomaterialien, adaptive Systeme und Strukturfor-schung.

Dr. Anita Roth-Nebelsick*, **, Universität Tübingen, Institut für Geowissenschaften, Projektgruppe Funktio-nelle Morphologie und Biomimetik: Die Projektgruppe Funktionelle Morphologie und Biomimetik am Institut fürGeowissenschaften der Universität Tübingen befasst sich mit allen Aspekten von Fluidbewegungen in und um Pflan-zen sowie mit bionischen Anwendungen dieser biophysikalischen Prozesse. Betrachtet werden insbesondere Massen-fluss, Wärmetransport, Diffusion und Grenzflächeneffekte. Das Forschungsziel der Projektgruppe besteht darin, eineumfassende und integrative Analyse der biologischen Formfunktionsbeziehungen zu erhalten.

Prof. Dr. Thomas Speck*, **, Botanischer Garten der Universität Freiburg: Die wissenschaftliche Arbeitsgruppedes Gartens „Plant Biomechanics Group“ beschäftigt sich mit der Biomechanik fossiler und rezenter Pflanzen. AlsMitglied des Kompetenznetzes „Pflanzen als Ideengeber für die Entwicklung biomimetischer Materialien und Techno-logien“ der Universität Freiburg werden die werkstofflichen und konstruktiven Erkenntnisse in industrielle Anwendun-gen übertragen.

Dr. Thomas Stegmaier*, **, Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf: Die ForschungsgruppeBionik ist ein aktueller Schwerpunkt innerhalb der Forschungsbereiche am ITV Denkendorf, dem größten Textilfor-schungszentrum Deutschlands. Die Aufgabe der Forschungsgruppe liegt in der Umsetzung von biologischen Erkennt-nissen in neue faserbasierte Werkstoffe bzw. Bauteile.

Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF: Hauptge-genstand der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmecha-nik IOF ist die optische Systemtechnik mit dem Ziel der immer besseren Kontrolle von Licht. Prof. Tünnemann erhielt2005 den Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis für die technische Nutzung biologischer Mikro- und Nanostrukturen in derLaserphysik und Optik.

* Mitglied im Kompetenznetz BIOKON e.V. (Stand Oktober 2005)** Mitglied im Kompetenznetz BIOMIMETIK (Stand Oktober 2005)


Seite

9. Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Deutschsprachige Definitionen der Bionik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Tab. 2 Von der Biologie zur Technik am Beispiel der Schwarmintelligenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Tab. 3 Patentrecherche depatisnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Tab. 4 Biokon-Fachgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Tab. 5 Förderprogramme zu Neuen Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Tab. 6 Analogien technischer und molekularer Maschinen . . . . . . . . . . . . . 48

Tab. 7 Akteure im industriellen Bereich (Auswahl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

10. Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Portfolio bionischer Anwendungsfelder heute . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Abb. 2 Publikationen ausschließlich aus Universitäten mitbionischem Bezug (scifinder-Datenbank) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Abb. 3 Zeitliche Entwickung der Publikationshäufigkeit zubionischen/biomimetischen Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Abb. 4 Arbeitsweise von Nanobionik und Nanobiotechnologie . . . . . . . . . 44

Gesamtherstellung: H. Heenemann GmbH & Co., Buch- und Offsetdruckerei, Bessemerstraße 83–91, 12103 BerlinVertrieb: Bundesanzeiger Verlagsgesellschaft mbH, Amsterdamer Str. 192, 50735 Köln, Telefon (02 21) 97 66 83 40, Telefax (02 21) 97 66 83 44

ISSN 0722-8333

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