Lernen von der Dickschnabellumme

Forschung: Die Natur birgt noch viele Geheimnisse, die sich für technische Anwendungen nutzen ließen. Der Bionik-Zweig erlebt einen neuen Boom, sogar die Weltausstellung in Japan steht unter dem Motto „Die Weisheit der Natur“.

Ingo Rechenberg, Professor für Bionik an der Technischen Universität Berlin, hat zwei Lieblingstiere. Eines lebt, das andere tut nur so. Wann immer der Institutsalltag es zulässt, reist der Forscher in die marokkanische Wüste, um dort zu tun, was der Job Description seines Metiers entspricht: von der Natur zu lernen, im konkreten Fall Sandfische zu untersuchen. Sandfische, eigentlich Echsen der Gattung Skinke, sind faszinierende Tiere: Sie können sich im Sand verbuddeln und unter der Oberfläche behände dahinschwimmen. Wie funktioniert das? Und warum bleibt die schuppige Haut der Tiere trotzdem spiegelglatt?

Seit Rechenberg im Jahr 2000 erstmals in Marokko forschte, versorgen Nomaden ihn mit den Echsen, die der Berliner dann betäubt, schräg positioniert und mit Sand berieselt, um herauszufinden, ab welchem Winkel die Körner abrutschen. Ergebnis: Selbst polierter Stahl hat 34 Prozent mehr Reibung als die Sandfischhaut. Bei diesem evolutionär entwickelten Material, sagt Rechenberg, „können selbst Teflon, Nylon oder Glas nicht mithalten“. Der Bionik-Forscher hat unter Anwendung komplizierter Formeln auch die Reibung auf nanostrukturierten Oberflächen untersucht und dabei herausgefunden, warum hochpolierter Stahl nach mehrstündigem Beschuss mit einem Sandstrahl deutlich größere Abriebflecken aufweist als die Skinkschuppen: weil die glatte Haut auch elastisch ist und so den Druck der Körner auf eine größere Fläche verteilt. Das Ziel der Versuche rückt langsam in greifbare Nähe. „Mit einer technologisch nachgebildeten Schuppenoberfläche eines Wüstensandfisches“, so Rechenbergs Berliner Forschergruppe, könnten revolutionär neuartige Gleitlager und Oberflächenmaterialien entstehen.

Nebenbei lässt Rechenberg in der nordafrikanischen Wüste sein zweites Lieblingstier fliegen: ein spatzengroßes, 40 Gramm schweres Flugobjekt, das ein Insekt darstellen soll, „allerdings ein bisschen größer ist“. Dazu entwickelt er kühne Visionen, die zwar an Michael Crichtons Science-Fiction-Thriller „Die Beute“ erinnern, aber deutlich machen, wie Bioniker ticken: Sie denken radikal interdisziplinär, suchen Optimierung durch Rationalisierung und haben ökologische Nachhaltigkeit im Hinterkopf. Rechenberg träumt also davon, einen kürzlich entwickelten Kartoffelkäfer-Sensor in ein so genanntes Micro Aircraft (MAV) einzubauen: „Der Sensor reagiert auf den Grünblattduft, der entströmt, wenn ein Käfer ein Blatt annagt. Das Objekt fliegt dann zum Käfer und zerstört gezielt nur ihn – anstatt das ganze Feld mit Chemikalien zu besprühen.“

Verbände solcher künstlichen Insektizid-Bomber, die wiederum auf Basis der Schwarmintelligenz in Massen fliegender Tiere konfiguriert werden, könnten laut Rechenberg in Zukunft nicht nur landwirtschaftliche Aufgaben übernehmen. „Libelloiden-Schwärme“ würden auch bei Rettungseinsätzen und Vermessungsflügen nicht mehr wegzudenken sein. Bisweilen leicht amüsiert reagiert sein Publikum bei Vorträgen und Diskussionen auf solche Prognosen, doch Rechenberg sagt dann bloß: „Das ist keine Spielerei mehr, das ist ein ganz aktuelles Forschungsfeld.“

Auch wenn sich die kommerzielle Nutzung seiner Forschungen konkret noch schwer abschätzen lässt: Rechenbergs Berliner Laden brummt. Der Sandfisch ist bei Weitem nicht das einzige Untersuchungsobjekt. In Strömungsbecken, Windkanälen und Aquarien harren natürliche Vorbilder und Modelle ihrer Erforschung. Die fünffachen Flügelaufspreizungen der Rabengeier sollen helfen, Segelflieger zu optimieren; Prototypen gibt es schon. Die Luftfahrtindustrie und das russische Militär verfolgen mit Interesse die so genannten polarbionischen Experimente mit bulligen Pinguinen, deren Gleitfähigkeit unter Wasser Hersteller von dicken Großraumflugzeugen und Torpedos inspirieren könnte. Behutsam abgestreifter Hechtschleim kann helfen, neue Schmiermittel zu entwickeln.

Höhenflug. Die seit Jahren populäre Bionik erlebt vor allem in Deutschland einen Höhenflug. Nur zum Vergleich: In Österreich ist sogar die zielgruppenoptimierende Internet-Adresse bionik.at bei einem Domainhändler um wohlfeile 1800 Euro zu kaufen. An 21 deutschen Standorten wird derzeit, koordiniert durch ein vom Forschungsministerium mit sechs Millionen Euro gefördertes Bionik-Kompetenznetz, intensiv geforscht; bis 2007 sollen insgesamt 30 Millionen Euro in die Bionik-Förderung fließen. Bei der derzeitigen Weltausstellung in Aichi, Japan, die unter dem Motto „Die Weisheit der Natur“ steht (profil 15/05), ist das Netzwerk mit künstlichen, wasserabweisenden Lotusblumen, stromlinienförmigen Pinguinen und aerodynamisch optimierten Haihautnachbildungen vertreten, die – im Pilotversuch als Folie auf einen Airbus A320 geklebt – bereits halfen, Tonnen von Treibstoff zu sparen. Rechenberg ist mit seinem Sandfisch ebenso vertreten wie das Bonner Institut von Wilhelm Barthlott, dem Erfinder des Lotus-Effekts (siehe Kasten Seite 96).

Mit Mikroskopen und Weißlichtsensoren kamen die Bonner Bioniker dem Geheimnis der Wasserspinne auf die Spur, die kleinen Beutetieren nachtaucht, ohne dabei nass zu werden. Winzige Borsten binden selbst in der Strömung Luftbläschen an die Körperoberfläche. Die Luft dient einerseits der Atmung, andererseits als Rettungsring. Sollte die Spinne einmal von einem Strudel in die Tiefe gerissen werden, taucht sie sofort wieder auf. Ziel der Forschungen ist es, die Reibung von Schiffsrümpfen zu mindern – und einen immer trockenen Badeanzug zu entwickeln. Ein prototypisches Stück Stoff war nach vier Tagen im Wasser noch immer nicht nass.

Am Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik im deutschen Oberhausen wurden kürzlich Techniker ausgezeichnet, die daran arbeiten, „die jahrhundertealte Schneidetechnologie zu revolutionieren“, wie Entwickler Marcus Rechberger sagt. Die Idee stammt von Ratten, denn Zähne von Nagetieren sind nicht völlig von Schmelz umschlossen, sodass sich an der Kante von Zahnbein und Schmelz durch Abrieb immer wieder eine scharfe Schneide nachbildet. Setzt man dieses Prinzip mit unterschiedlich harten Materialien wie Metall und Keramik um, müssen Geräte, die in der Industrie Pulver und Granulate erzeugen sollen, nicht mehr nachgeschliffen werden. Die Voraussetzung: Das zu zerkleinernde Material muss imstande sein, einen gewissen Abrieb zu erzeugen. Ein Großunternehmen, das sich für die Entwicklung interessierte, mussten die Forscher enttäuschen. Es wollte mit den neuen Geräten täglich 50 Tonnen Schnittlauch hacken. Das Kraut ist viel zu weich.

Einen nicht unerheblichen Anteil der großen öffentlichen Aufmerksamkeit hat die Bionik aber der Robotik zu verdanken. Nicht zufällig nannte Lego seine bei Kindern so populären wespenköpfigen Plastikwesen „Bionicles“. Sie ähneln in ihrer Bauart bereits in der Orthopädie eingesetzten High-Tech-Prothesen. Auch in der Forschung dienen Gliederfüßer wie Insekten oder Spinnentiere, die mithilfe neuronaler Netze ihr Laufverhalten stabilisieren, als Vorlage. Tarry II etwa, ein in Duisburg für Bewegungsstudien entwickelter sechsbeiniger Roboter, basiert auf der Erforschung von Stabheuschrecken. An der Johns Hopkins University in Baltimore entstand erst kürzlich ein Kakerlaken nachempfundenes Minigefährt, das sich mit einem Fühler aus gummiartigem Urethan auch bei Dunkelheit, starker Rauchentwicklung und Nebel orientieren kann. Ein künstlicher Skorpion erscheint der NASA mittlerweile sogar geeignet, dereinst auf dem Mars herumzukrabbeln.

Geckofüße. Aber die Bionik ist über das Stadium mechanischer Naturadaptierungen längst hinaus: zusammenrollbare Flachbildschirme auf Proteinbasis, Klebstoff für gerissene Sehnen nach dem Prinzip von Geckofüßen und Froschsekreten, vom Krakenauge abgeschaute optische Linsen und vieles mehr (siehe Kasten Seite 97). Für Werner Nachtigall, einen der Pioniere der einschlägigen Forschung in Deutschland, bedeutet Bionik, „dass alles – auch komplexeste Naturtechnologien, die ja allesamt nicht gegen Naturgesetze verstoßen – prinzipiell technisch übertragbar ist“. Unvoreingenommenheit sei in diesem Bereich „die erste wissenschaftliche Tugend“ – und das Bewusstsein, dass evolutionäre Prozesse nicht im Maßstab 1:1 anwendbar seien, sondern komplexes interdisziplinäres Verständnis voraussetzen.

„Eine systematische Erkundung der Kompetenz biologischer Systeme durch den Menschen ist längst überfällig“, schreibt der Wissenschaftspublizist Kurt G. Blüchel in seinem eben erschienenen Buch „Bionik. Wie wir die geheimen Baupläne der Natur nutzen können“. Trotz des aktuellen Booms stehe, so Blüchel, der menschliche Entdeckergeist „noch immer staunend, vielleicht sogar unsicher vor diesem geheimnisvollen und wunderbaren Kosmos der Natur“. Rudolph Bannasch, Koordinator des deutschen Netzwerks und selbst Bionik-

Unternehmer, findet hingegen, die bisherigen Resultate können sich durchaus sehen lassen: „Wir sind nur immer noch sauschlecht, was das Marketing betrifft.“ Jetzt gelte es, „die PS auch auf die Straße zu bringen“.

Aber auch das gelingt zunehmend besser. Immer öfter machen sich Erkenntnisse der relativ jungen Wissenschaft bezahlt, die eigentlich bereits Leonardo da Vinci mit seinen Flugstudien begründete; der Begriff „Bionik“ wurde erst 1960 von einem US-General geprägt, als es darum ging, das Ultraschallsystem der Fledermäuse militärisch zu nutzen.

Bienenwaben. Vor allem Baustoff- und Autohersteller setzen auf Bionik. Der Karlsruher Physiker Claus Mattheck – in den Medien „Baumflüsterer“ genannt – ist mit seinen Erfolgen in der Baustoffoptimierung ein gefragter Mann. Ganz nebenbei entwickelte er eine Methode, um zuverlässig Wachstum und Schäden von Holz zu beurteilen: Visual Tree Assessment (VTA).

In den Ateliers der Automobilingenieure stapeln sich zoologische und botanische Studien, auf deren Basis Reifen, Motorenaufhänger und andere Bauteile leichter und stabiler gemacht werden können: Bienenwaben, Katzenpfoten, Knochenquerschnitte und vor allem Computerprogramme, die evolutionäre Strategien nachspielen können und im Trial-and-Error-Verfahren nach bestimmten Algorithmen die optimale Lösung eines Problems anbieten. So verläuft etwa in einem Simulationsprogramm, das in England entwickelt wurde, die Suche nach dem schnellsten Formel-1-Wagen, der sich in nachfolgenden Generationen immer wieder selbstständig verbessert, nach genau jenem Prinzip, das irgendwann auch dazu führte, dass Charles Darwins Galapagosfinken gekreuzte Schnäbel bekamen.

Aber so perfekt Rennwagen, die mithilfe evolutionärer Strategien konstruiert werden, auch sein mögen, für Ingo Rechenberg von der TU Berlin ist die Formel 1 ein Auslaufmodell. In seiner durchaus ernst gemeinten Vorlesung „Eine bionische Welt im Jahr 2099“ berichtet der Bioniker über den neuesten Freizeitspaß des Homo ludens: Lummobil-Rennen. Das natürliche Vorbild der „4-Phasen-Fahrzeuge“ ist die polare Dickschnabellumme (Uria lomvia), für Rechenberg eines der größten Wunder der Evolution. Lummobil-Piloten, so Rechenberg, müssen auf einem acht Kilometer langen Parcours – möglichst so gut wie Lummenvögel – rasen, schwimmen, tauchen und fliegen. Der Wechsel vom Tauchgang zum Flug wird dabei der schwierigste Teil sein, aber auch der spektakulärste. Rechenberg in seinem Vorlesungsmanuskript für die Studenten der TU Berlin: „Dieser Phasenübergang ruft die größte Begeisterung bei den Zuschauern hervor, insbesondere wenn fortgeschrittene Lummobil-Piloten aus dem Wasser schießend unmittelbar in das Medium Luft überwechseln.“

Von Klaus Kamolz