Archiv "Bionik" (21.05.1981)

Flexibles „Ellenbogengelenk"

Drehbarer

„Unterarm" „Oberarm"

Flexibles und drehbares

„Handgelenk"

„Hand"-Greifer

114,

Sensoren

Flexibles

„Schultergelenk"

Darstellung 1: Dem menschlichen Arm nachgebildeter technischer Manipulator (aus Heynert)

Zur Fortbildung Aktuelle Medizin DEFINITION

Bionik

Im Jahre 1958 wurde für ein interdis- ziplinäres Wissensgebiet zwischen Biologie und Technik der Begriff Bionik geprägt. Dieser Begriff stellt nach seinem Schöpfer nicht eine Zu- sammenziehung der beiden Worte Biologie und Elektronik oder Tech- nik dar, sondern er wurde aus dem griechischen Wort bios für Leben und der Endung -onics für Studium einer Sache aufgebaut. Demgemäß will die Bionik die in und von der belebten Natur benutzten Konstruk- tionen, Systeme und Prozesse stu- dieren, daraus Anregungen für tech- nisch realisierbare, bessere, effekti- vere oder empfindlichere Lösungen für Konstruktionen, Geräte und Ver- fahren gewinnen und sie auf diese Weise für eine praktische Nutzung vorbereiten.

Gliederung

Eine Gliederung der Bionik nach ih- rem methodischen Vorgehen unter- scheidet:

O Allgemeine Bionik

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• Spezifisch angewandte Bionik.

Die allgemeine Bionik will die Viel- falt der Erscheinungen des Lebendi- gen auf technisch, technologisch und architektonisch verwertbare Prinzipien und Verfahren analy- sieren.

Die systematische Bionik soll die so gefundenen Ergebnisse aufbereiten, gliedern, ordnen; sie soll sie im Hin- blick auf die Anwendung und Nut- zung systematisch darstellen, damit interessierende Erkenntnisse bei Bedarf übersichtlich zur Verfügung stehen. Die bionische Systematik muß keine direkten Beziehungen zur bestehenden Systematik der Pflan- zen und Tiere haben. Hauptgruppen in diesem System sind:

■ biologische aktive und passive Flugsysteme, ■ biologische Profile, III tierische Sonare, ■ biologische Informationsaufnahme, -leitung,

-speicherung und -verarbeitung. Darstellung 2: Gliederung der Bionik nach ihren sachlichen Arbeitsgebieten

DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Heft 21 vom 21. Mai 1981 1049

Zur Fortbildung Aktuelle Medizin Bionik

Die spezifisch angewandte Bionik sieht ihre Aufgabe in der Umsetzung der biologischen Anregungen in technisch nutzbare Anwendungen;

hierbei kommt natürlich die Zusam- menarbeit der Biologie mit der Tech- nik zum Tragen. Ein besonderes An- wendungsgebiet der spezifisch an- gewandten Bionik ist die Medizin- technik. Hier stammt nicht nur das Vorbild aus dem humanbiologi- schen Bereich, sondern der Einsatz nach der technischen Realisierung liegt auch im humanbiologischen Bereich, zum Beispiel als Ersatzsy- stem (künstliche Hand, Hilfen für Blinde) (Darstellung 1).

Je nachdem, welche physikalisch- technische Seite der biologischen Strukturen und Prozesse untersucht und genutzt werden soll, unterschei- det man (Darstellung 2) zwischen:

• Strukturbionik

• Energetobionik

(;) Informationsbionik

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• Strukturbionik

Die Nutzung von biologischen Strukturen als statisch oft überlege- ne Konstruktionen für Bauten ist na- heliegend und Gegenstand der Ma- kro-Strukturbionik; daneben aber auch ihre Untersuchung als Vorbil- der für den Maschinen-, Flugzeug- und Schiffsbau. Zu erwähnen sind die Nutzung von biologischen For- men im Bauwesen und die Anwen- dung von Formen der Fische bei der Konstruktion neuer Schiffsrumpffor- men (Bug-Wulst-Schiff oder dem Wal nachgebildete Transportschif- fe); diese Formen zeigten wesentlich verbesserte Eigenschaften. Noch moderner ist die Entwicklung von Robotern und Manipulatoren (Dar- stellung 1) als Nachbildung mensch- licher Arme und Beine zum Einsatz in einer wegen Hitze, Vakuum, Schmutz oder Radioaktivität men- schenfeindlichen Umwelt.

Die Mikro-Strukturbionik überträgt Erkenntnisse im Aufbau zellulärer und subzellulärer Strukturen auf Probleme des Leichtbaus, der Elek-

tronik und der Textilindustrie. Die Analyse und Übertragung der Archi- tektur des menschlichen Ober- schenkelknochens als rechtwinklig sich schneidende Spannungstrajek- torien ist ein Beispiel, bei dem mit geringstem Materialeinsatz maxima- le Festigkeit erreicht und Hinweise für den Leichtbau gegeben werden.

• Energetobionik

Unter dem Zwang zur Energieein- sparung wird die Energetik von Or- ganismen immer interessanter. Ge- länge eine wirtschaftliche Umwand- lung von chemischer Energie in elektrische Energie nach den Prinzi- pien der bei biologischen Systemen angewandten Energieumwandlung, zum Beispiel die Nachbildung der Fähigkeit der grünen Pflanzen, über die Fotosynthese Licht in chemische Energie umzuwandeln und zu spei- chern, so könnte dies ein wichtiger Beitrag zu unserer Energieversor- gung werden. Die Elektrobionik be- faßt sich mit der Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie durch lebende Systeme, wobei ins- besondere die Vorgänge in den elek- trischen Organen der elektrischen Fische Gegenstand der Untersu- chungen sind und möglicherweise Ideen für technische Brennstoffele- mente liefern können. Auch die Bio- lumineszenz bei Leuchtkäfern und manchen Pflanzen nutzt weit besser als jeder bisher bekannte technische Prozeß die chemische Energie für die Lichterzeugung aus.

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Im Rahmen der Informationsbionik werden einmal die Fragen der Infor- mationsaufnahme und -verarbeitung in Organismen als Rezeptorbionik bearbeitet, zum anderen in der Neu- robionik die Probleme der neuralen Informationsübertragung und -spei- cherung. Bei der Rezeptorbionik sind Fragen hinsichtlich der Aufnah- mesysteme der chemischen Sinne (Geruch und Geschmack), des Tem- peratursinnes, des Lichtsinnes, des Tast- und Vibrationssinnes, des Schweresinnes und des Gehörsin- nes zu untersuchen und auf ihre vielfältig denkbaren, technischen

Nutzungen zu prüfen. Die Anwen- dungsmöglichkeiten der Neurobio- nik beim Bau von Computern sind offensichtlich. Könnte das Prinzip der bei Lebewesen realisierten par- allelen Signalverarbeitung auf den

fast immer noch ausschließlich se- riell arbeitenden — Computer über- tragen werden, so würde die Lei- stungsfähigkeit um Größenordnun- gen steigen.

Molekularbionik

In der Molekularbionik widmet sich das Teilgebiet der Membranbionik der Untersuchung und technischen Nutzung von Prinzipien im Bereich biologischer Membranen. Ihre Er- gebnisse könnten Ideen und Hinwei- se für die Lösung eines wichtigen Problems unserer Zivilisation erbrin- gen, für die Gewinnung und Versor- gung mit Trinkwassr. Denkbar und vorgeschlagen wurden membran- bionische Verfahren auch zur Ge- winnung von Rohstoffen aus dem Meerwasser. Es ist bekannt, daß Pflanzen und Tiere verschiedene Elemente aus dem Meerwasser au- ßerordentlich stark anreichern kön- nen. Allerdings sind technisch ver- wendbare Verfahren auf diesem Ge- biet noch nicht bekannt geworden.

Chemobionische Verfahren wollen Anregungen aus dem natürlichen Stoffwechsel von Pflanzen und Tie- ren gewinnen. Es ist durchaus denk- bar, daß von der Vielzahl der in der lebenden Zelle ablaufenden Reak- tionen Teilprozesse mit höherer Ef- fektivität nachgeahmt werden kön- nen. Die Bedeutung der Enzyme für den Ablauf von chemischen Reaktio- nen in Lebewesen ist allgemein be- kannt, sie werden in der chemischen Industrie aber nur zu einem gerin- gen Teil genutzt. Eine besonders in- tensive Entwicklung nahm die Bio- nik in den Vereinigten Staaten, wo sich insbesondere die Raumfahrt- technik der Problemstellung an- nahm, und in der Sowjetunion, wo sie im Zusammenhang mit kyberne- tischen und ökologischen Fragestel- lungen diskutiert wurde.

Literatur

Heynert, H.: Grundlagen der Bionik, Heidel- berg, 1976

A. Habermehl 1050 Heft 21 vom 21. Mai 1981 DEUTSCHES ÄRZTEBLATT