Bionik

BIONIK

Knabe Verlag Weimar

Die Natur als Ideenschmiede

Bernd Hill

1. Auflage Oktober 2013

© 2013 Knabe Verlag Weimar

Trierer Straße 65 99423 Weimar

Alle Rechte sind dem Verlag vorbehalten.

Grafische Bearbeitung Nicole Laka

Satz und Layout Nicole Laka

Lektorat Andreas Dietmann, Gabi Springsguth

Druck und Bindung Jelgavas Tipografija SIA

Dieses Buch folgt den Regeln der neuen deutschen

Rechtschreibung.

Printed in Latvia

ISBN 978-3-944575-01-8

www.knabe-verlag.de

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wurde 1947 geboren. Er studierte an der PH/Univer-

sität Erfurt im Schwerpunkt Polytechnik. 1987 promovierte er

über Erfindungsmethodik, 1995 erfolgte seine Habilitation über

Biostrategien und biologische Organisationsprinzipien an der

Martin-Luther-Universität Halle.

Von 1998 bis 2012 lehrte Prof. Hill an der Universität Münster

im Fachbereich Physik, Institut für Technik und ihre Didaktik.

In verschiedenen Unternehmen führt er Innovationskurse durch

und bezieht die angewandte Bionik in systematische Produkt-

entwicklungsprozesse ein. Seine Forschungstätigkeit bezieht sich

auf Innovationsstrategien, technische Kreativität sowie systema-

tische und angewandte Bionik.

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Illustrationen Prof. em. Dr. Bernd Hill

Fotos Seite 12: Krzysztof Szkurlatowski@www.sxc.hu;

Seite 30: dantesz@www.sxc.hu; Seite 37: master-d@www.sxc.hu; Seite 48: livingos@www.sxc.hu;

Seite 55: Tash Whiteley@www.sxc.hu; Seite 77: G Schouten de Jel@www.sxc.hu

Alle hier nicht mit anderer Quelle benannten Fotos stammen vom Autor.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

................................................................................................................................

5

1

Einleitung

..............................................................................................................................

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2

Wunder überall – Tolle Tricks von Pflanzen und Tieren

................................

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3

Natur und Technik haben ähnliche Lösungen

..................................................

21

4

Was biologische Konstruktionen auszeichnet

..................................................

28

5

Natur – Vorbild für die Technik

................................................................................

31

6

Bionik – eine neue Zukunftswissenschaft

..........................................................

38

7

Erfinden mit der Natur

................................................................................................

49

Literaturverzeichnis

......................................................................................................

83

Anhang:

Arbeitsblatt 1: Bionik – Lernen von der Natur für die Technik

..................

86

Arbeitsblatt 2: Hebel oder Rad – Erfindungen in Natur und Technik

..

87

Lösungen

............................................................................................................................

88

Die Analogiemethode

....................................................................................................

89

5

auch auf das eigenständige Forschen, Entdecken, Experimentieren und Erfinden

ausgerichtet. Comics und Infoboxen lockern dabei die Wissensaneignung auf.

Der Leser erfährt durch eigenes Handeln an interessanten Sachverhalten die

Funktionalität, Vielfalt, Effizienz und Schönheit der Natur und ihre Nutzung.

Die Texte enden nicht mit der Aufnahme erklärenden Wissens, sondern machen

neugierig und fordern zum Hinterfragen, Beobachten, Forschen, Modellieren,

Experimentieren und Konstruieren auf. Anschaulich werden Methoden des

Problemerkennens und -lösens dargestellt, damit eigenes Entdecken und Erfin-

den möglich wird und so Freiräume für Kreativität geschaffen werden.

Damit erschließt sich in persönlicher Weise die faszinierende Welt der Natur-

phänomene und ihre Nutzung.

Die Bände enthalten:

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Sachinformationen über interessante und erstaunliche biologische und

technische Phänomene,

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ernen von der Natur

it dem ersten Band „Bionik – Die Natur als Ideenschmiede“ eröffnen

wir die neue Buchreihe unter dem Motto „Frag' die Natur“. Diese Reihe wendet

sich an eine breite Leserschaft. Sie ist sowohl auf aktiven Wissenserwerb als

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6



Abenteuer des Entdeckens und Erfindens in Form von Bildergeschichten,



Denk- und Arbeitsweisen von Entdecker- und Erfinderpersönlichkeiten,



nützliche Methoden zur individuellen Erschließung von Natur und

Technik,



und spannende Experimente zur Erkenntnisgewinnung und Selbstbau-

Anleitungen zur praktischen Erprobung.

Im fortlaufenden Text dienen folgende Symbole zur Orientierung:

Viel Spaß beim Lesen,

Forschen und Experimentieren.

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Infobox zur Begriffserläuterung

8

Modelle

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Methoden zur

E

rkenntnis-

T

E

xperimente

gewinnung und -umsetzung

7

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liegen wie die Vögel, schwimmen wie die Delfine, springen wie die Kän-

gurus, tauchen wie der Nautilus, bauen wie Spinnen, Bienen und Termiten,

schweben wie der Löwenzahnsamen – die Faszination der Leistungen und

Konstruktionen von Pflanzen und Tieren für den Menschen ist so alt wie die

Menschheit selbst.

Immer schon waren es Vorbilder der belebten Natur, die Erfinder, Ingenieure

und Designer zum Entdecken und Erfinden angeregt haben.

Aus dem unermesslich reichen Patent-Arsenal Natur, der prall gefüllten

„Schatzkiste des Lebendigen“, sind eine Menge Anregungen für intelligente ma-

terial- und energiesparende Lösungen zu finden.

Oft ist es für uns verblüffend festzustellen, dass Natur und Technik unab

-

hängig voneinander zu ähnlichen Lösungen gelangt sind: Kombizangen sehen

aus wie Kiefer von Ameisenlöwen und die Saugnäpfe an Badezimmermatten

gleichen jenen an den Fangarmen von Tintenfischen. Da liegt es nahe, die Natur

viel stärker als bisher zur Lösungsquelle für die Technik zu nutzen.

Zunächst aber müssen wir erst einmal verstehen, welche physikalischen

Gesetze und Prinzipien hinter einer erfolgreichen biologischen Konstruktion

stecken. Wer fliegen möchte wie ein Vogel oder bauen wie die Bienen oder Ter-

miten, sollte zuerst einmal herausfinden, warum der Vogel überhaupt fliegen

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1

8

kann und wodurch im Termitenbau immer eine gleichbleibende Temperatur und

Luftfeuchtigkeit, unabhängig von äußeren Einwirkungen, herrscht.

Ein Geheimnis nach dem anderen hat der Mensch bei Pflanzen und Tieren

entschlüsselt. Er hat aufmerksam beobachtet, experimentiert und Erfahrungen

gesammelt. Er hat nachgedacht und nach den Vorbildern der Natur nützliche Din-

ge gebaut. Inzwischen ist das Lernen von der Natur zu einer wichtigen Strategie

bei der wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Ausrichtung der Technik

geworden. Von der Natur lernen wir, wie wir unsere Technik menschengerecht

und naturverträglich gestalten können.

In einer Zeit abnehmender Vorräte, zunehmender Zerstörung der Umwelt

und großer Klimaveränderungen dienen uns Pflanzen und Tiere als Vorbilder

und als willkommene Ideenquelle.

Doch längst ist nicht alles erforscht. Wer etwas entdecken will, muss lernen,

genau zu beobachten und die richtigen Fragen zu stellen. Baupläne und Konst-

ruktionen der lebenden Natur sind eine nie versiegende Ideenquelle für die Lö-

sung heutiger und zukünftiger Probleme. Sie zu entdecken, zu entschlüsseln und

daraus neue Erfindungen abzuleiten ist eine herausfordernde und interessante

Aufgabe. Der vorliegende Band zeigt, wie man von der Natur lernen kann, und

gibt Auskunft, welche Methoden zur Entschlüsselung der Naturgeheimnisse

dabei hilfreich sein können.

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illionen Jahre von Entwicklungsprozessen bringen in der Natur Pflan-

zen und Tiere von überströmender Fülle, Vielfalt, Leistungsfähigkeit und auch

Schönheit hervor.

Bei einem Spaziergang durch den Wald entdecken wir unter Steinen Bombar-

dierkäfer. Wenn der Bombardierkäfer sich bedroht fühlt stößt er, wie bei einem

Raketentriebwerk, explosionsartig eine fein zerstäubte beißende

Flüssigkeit aus.

Seine Feinde, in der Hauptsache Ameisen, vertreibt er damit erfolgreich. Auf der

Hand jedoch nimmt man nur ein leichtes Brennen wahr. Es ist erstaunlich, dass

dieser Flüssigkeitsstrahl eine Temperatur von ca. 100 Grad Celcius besitzt. Eine

wirkungsvolle, auf den Gegner abgestimmte chemische Verteidigungsmöglichkeit

und dabei schon Jahrmillionen alt.

Rätselhaft ist auch, was die sonderbaren Goldschuppen-Höcker auf dem

Rücken der Goldeule, einem Nachtfalter, bedeuten. Dienen sie dem Schmuck,

erlauben sie einen wendigeren Flug oder dienen sie etwa der Fledermausabwehr

durch Störung der Ultraschall-Ortung?

Die Natur ist voller Wunder. An Vielem gehen wir oft achtlos vorüber, weil

wir wegen der Alltäglichkeit das Staunen verlernt haben. Für uns sind Wunder

oftmals unerklärliche Erscheinungen, aber auch Leistungen von Lebewesen, die

unsere Erwartungen übertreffen.

10

Viel Erstaunliches ist bei zahlreichen Merkmalen an Pflanzen und Tieren bis

heute unerforscht.

Schauen wir in eine Hecke am Wiesen- oder Wegesrand. Das ist eine

wahre Fundgrube für Beobachtungen, Untersuchungen und für interessante

Begegnungen mit den dort vorkommenden Lebewesen. Ob Pflanzen-, Vogel-,

Käfer-, Schnecken- oder Spinnenfreund – jeder kann hier auf seine Kosten

kommen.

Auch der Artenreichtum in Teich oder Tümpel ist beeindruckend. Gewässer

sind oft von Gebüsch und Schilf umgeben, wo sich viele Vogel- und Insektenarten

aufhalten. Oder das Wasser mit seinem Fischreichtum, den Fröschen, Kröten,

Schnecken, Molchen, Wasserläufern, Ringelnattern und nicht zuletzt den vielen

Kleinstlebewesen. Zu den Insekten gehören auch die Libellen, von denen man

ebenfalls viel Interessantes abschauen kann.

Sie bewegen sich ähnlich wie Hubschrauber, ohne jedoch ihre Flügel in Dreh-

bewegung zu versetzen. Ihre Flügel schlagen etwa 30 bis 40 Mal in der Sekunde

auf- und abwärts. Sie dienen nicht nur zum Fliegen, sondern spielen auch eine

wichtige Rolle bei der Partnerwerbung. Auf schwankenden Halmen werden sie

als Balancierflächen eingesetzt, wirken weiterhin zur Körperaufwärmung und

dienen als sperrige Abwehrwaffen, die von Fröschen verschmäht werden. Die

Flügel sind ultraleicht und dennoch außerordentlich stabil.

Das wird durch die Membranzellenbauweise und die Faltung erreicht. Die

vier Flügel der Libelle wiegen insgesamt fünf Tausendstelgramm.

Sie werden durch Adern stabilisiert, deren Durchmesser nur etwa einen Zehn-

telmillimeter und deren Wandstärke nur etwa einen Hundertstelmillimeter

Widerstand eines Bauteils gegenüber äußeren

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inwirkungen (Belastung durch Zug,

Druck und Biegung). Die

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tabilität kann durch Profile erhöht werden.

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