Arbeitsblatt: Bionik

Bionik – unerreichtes Vorbild Natur! Hast Du schon mal was vom Lotuseffekt mit seiner Selbstreinigung gehört? Oder erinnern Dich Flugzeuge an Vögel im Gleitflug? Es wird Dich sicher nicht überraschen, dass viele technische Entwicklungen ihre Vorbilder in der Natur haben. Die Wissenschaft, die sich daraus entwickelt hat, heißt Bionik. Der Ausdruck Bionik setzt sich aus Bio von Biologie und nik von Technik zusammen. Ihr Ziel ist es, für technische Anwendungen Prinzipien zu verwenden, die aus der Biologie abgeleitet wurden. Damit ist sie ein fachübergreifender Bereich, in dem beispielsweise Biologen, Ingenieure, Techniker und Designer zusammenarbeiten. Die kopieren also eifrig die Wunder der Natur – aber können sie diesen Vorbildern gerecht werden? Bild: Alexander Stahr Dem flexiblen Flug der Schmetterlinge eifern Forscher bei der Entwicklung von kleinen Flugrobotern nach. Der Traum vom Fliegen Der Traum vom Fliegen ist wohl so alt wie die Menschheit. Und mit Flugzeugen, Heißluftballons, Zeppelinen, Hubschraubern und gar Raketen haben wir uns das Fliegen möglich gemacht. Doch Vögel und Insekten sind so perfekte Konstruktionen, dass sie bis heute nicht nachgebaut werden können. Insekten und Vögel übertreffen in punkto Material und Flugeigenschaften jedes von Menschen geschaffene technische Werk bei weitem, sie sind selbst steuernd und versorgen sich selbst mit Energie. Und kein Flugzeug hat beispielsweise so hervorragende Flugeigenschaften wie eine Libelle. Allerdings kann der Gleitflug der Vögel als Vorbild und Motivation für die Konstruktion der Flugzeuge angesehen werden. Für den Hubschrauber gibt es auch ein Vorbild in der Natur, denn der Same des Ahornbaums ist ein natürlicher Tragschrauber, wenn er zur Erde kreiselt. Das Abgucken von der Natur geht natürlich weiter. Forscher entwickeln beispielsweise kleine Flugmaschinen, die nur etwa zehn Zentimeter groß sind und die Wendigkeit von Insekten besitzen sollen. Dazu haben sie die Flügelschläge frei fliegender Schmetterlinge im Windkanal untersucht. Bild: NOAA Doch nicht nur Vögel und Insekten dienen in der Luftfahrttechnik als Vorbild: Das Passagierflugzeug Airbus 340 fliegt viel schneller, seit es mit einer Schicht überzogen ist, die der Haut von Haifischen gleicht! Nie mehr Auto waschen? Wird bei Dir zu Hause samstags immer das Auto gewaschen, und wäre es nicht schön, wenn das der nächste Regenschauer erledigen könnte? Da käme der so genannte Lotuseffekt zum Einsatz. Er bezieht sich auf die äußerst geringe Benetzbarkeit und hohe Selbstreinigung biologischer Oberflächen, unter anderem bei der Lotuspflanze. Bild: Wikimedia Auf der Blüte und den Blättern dieser Pflanze wird selbst extrem gut haftendes Farbpulver von Wasser einfach weggespült, nicht einmal Klebstoff auf Wasserbasis bleibt an der Oberfläche haften. Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse, Kohl, Schilfrohr, Akelei, Tulpe und Banane zeigen diesen Effekt. Es ist mittlerweile gelungen, diese Oberflächenstruktur künstlich nachzubilden. Als kommerzielle Produkte gibt es beispielsweise selbst reinigende Dachziegel und eine selbst reinigende Fassadenfarbe namens Lotusan. Es ist auch gelungen, einen Autolack mit Lotuseffekt herzustellen! Leider sind die optischen Eigenschaften wirtschaftlich unerwünscht, denn der Lack wirkt wegen der großen Rauheit zu matt. Daher kannst Du Dir wohl auch weiterhin ein paar Euro fürs Autowaschen verdienen. Schuhe binden überflüssig! Haben Deine Turnschuhe einen Klettverschluss, und Du bist als Erster für den Sportunterricht umgezogen, weil Du Dir das lästige Schuhe binden sparen kannst? Die geniale Idee für den heute allgegenwärtigen Klettverschluss hatte der belgische Erfinder Georges de Mestral. Bild: Wikimedia Nach Spaziergängen mit seinem Hund musste er immer wieder Kletten aus dem Fell seines vierbeinigen Begleiters entfernen. Denn die Große Klette (Arctium lappa) besitzt Früchte mit Borsten, deren Spitzen winzige elastische Häkchen tragen. Sie klammern sich fest, sobald einige davon in Kontakt mit dem Fell von Tieren kommen. Dadurch verbreiten sich ihre Samen, wenn das Tier weiterläuft und die Früchte irgendwann verliert. Auch an Deinen Haaren und Deiner Kleidung haften die Früchte der Klette. Auf diese Weise nutzt sie Tiere und Menschen als Transportmittel für die Verbreitung ihrer Früchte. Der Erfinder legte diese Früchte unter sein Mikroskop und entdeckte dabei, dass die scheinbar gerade endenden Borsten der Klette an ihrem Ende ein winziges Häkchen haben. Mestral sah darin eine Möglichkeit, auf einfache Weise zwei Materialien reversibel zu verbinden und entwickelte daraus den Klettverschluss. Mestral meldete seine pfiffige Idee Im Jahr 1951 zum Patent an. Inzwischen arbeiten Bioniker längst an einer zweiten Generation von Klettverschlüssen, die weniger verschmutzen und lautloser zu öffnen sein sollen. Messerscharfe Rattenzähne Ratten sind Überlebenskünstler und gelten als intelligent. Sie leben meist verborgen in der Unterwelt und im Dreck und sind den meisten Menschen unheimlich. Vermutlich bist auch Du schon gewarnt worden, Ratten nicht zu nahe zu kommen, um nicht gebissen zu werden. Denn Ratten können mit ihrem Biss Krankheiten übertragen. Ein Biss ihrer messerscharfen Zähne tut in jedem Fall ganz schön weh! Bild: Wikimedia Mit ihren Zähnen nagen sich Ratten auch mühelos durch fast jedes Hindernis. Daher dienen Rattenzähne Forschern als Vorbild für Schneide und Zerkleinerungsverfahren, beispielsweise in der Kunststofftechnik. Das Besondere an den Rattenzähnen ist, dass sie sich lebenslang nachschärfen. Die Forscher stellten mit der Untersuchung von Rattenzähen fest, dass die alte Regel hart schneidet gut nicht ganz stimmt. Schneidewerkzeuge sind widerstandsfähiger, wenn sie über eine bestimmte Mischung von Materialien mit unterschiedlichen Härtegraden verfügen. Am Rasterelektronenmikroskop lüftete man das Geheimnis der Rattenzähne: Sie sind innen weicher als außen und können dadurch die beim Nagen auftretenden hohen Kräfte besser ausgleichen. Das führt außerdem zu einer geringeren Abnutzung. Anders als beim Menschen sind die NagerZähne nicht vollständig mit Schmelz überzogen. Nur an ihrer Vorderseite besitzen sie einen hufeisenförmigen, sehr dünnen und harten Schmelz. Dahinter sitzt das weichere Zahnbein. Dieses wird beim Nagen bevorzugt abgerieben, wodurch stets eine messerscharfe Schmelzkante hervorsteht: ein klasse Vorbild für selbst schärfende Zerkleinerungswerkzeuge. Sicher fallen Dir noch viele weitere Beispiele der Bionik ein: Saugnäpfe wie die der Badematte erinnern an Kraken. Und Echolot wurde schon lange bevor der Mensch es erkannte von Delphinen und Fledermäusen benutzt. Die Forscher werden sicher immer weiter den unerreichbaren Vorbildern aus der Natur nacheifern. Bionik – unerreichtes Vorbild Natur! 1) Wo haben viele technische Erfindungen ihre Vorbilder? 2) Woraus setzt sich der Begriff Bionik zusammen? 3) Welche Berufsgruppen arbeiten in der Bionik zusammen? Bionik – unerreichtes Vorbild Natur! 1) Wo haben viele technische Erfindungen ihre Vorbilder? 2) Woraus setzt sich der Begriff Bionik zusammen? 3) Welche Berufsgruppen arbeiten in der Bionik zusammen? Der Traum vom Fliegen 1) Wovon träumen Menschen seit jeher? 2) Nenne mindestens 3 Fluggeräte. 3) Konnten die Flugeigenschaften der Vögel oder Insekten nachgebaut werden? 4) Warum fliegt der Airbus 340 jetzt schneller? Der Traum vom Fliegen 1) Wovon träumen Menschen seit jeher? 2) Nenne mindestens 3 Fluggeräte. 3) Konnten die Flugeigenschaften der Vögel oder Insekten nachgebaut werden? 4) Warum fliegt der Airbus 340 jetzt schneller? Nie mehr Auto waschen? Versuch 1) Streue ein bisschen Mehl auf das Blatt, bis die Oberfläche dünn bestäubt ist. 2) Ziehe mit der Pipette Wasser auf und träufel sie über das bestäubte Blatt. Was kannst du beobachten? Nie mehr Auto waschen? Versuch 1) Streue ein bisschen Mehl auf das Blatt, bis die Oberfläche dünn bestäubt ist. 2) Ziehe mit der Pipette Wasser auf und träufel sie über das bestäubte Blatt. Was kannst du beobachten? Schuhe binden überflüssig! Versuch 1) Betrachte das Klettband mit der Lupe. Siehst du einen Unterschied zwischen den beiden Bändern? 2) Zeichne sie. Band 1 Band 2 3) Fühle über die Bänder. Wie fühlen sie sich an? Band 1: Band 2: 4) Wie funktioniert der Klettverschluss? Was passiert, wenn beide Teile zusammengefügt werden? Messerscharfe Rattenzähne 1) Warum wird vor Ratten gewarnt und viele Menschen haben sogar Panik vor ihnen? 2) Wofür dienen Rattenzähne als Vorbild? 3) Was ist das Besondere an ihnen? 4) Was sieht man unter dem Elektronenmikroskop? Fallen dir weitere Beispiele aus der Natur ein, die wir Menschen nachbauen, um ihre Vorteile selbst zu nutzen?