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Wissen & Umwelt

Fische und Libellen: Vorbilder für Ingenieure

Viele Innovationen auf der Hannover Messe kommen aus dem Bereich der Bionik - hierbei habe sich die Erfinder Tricks von der Natur abgeschaut. Dabei ist der Ursprung der Ideen oft nicht auf Anhieb zu erkennen.

Ein bionischer Staubwischer, der um die Ecken wischen kann. (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Ein bionischer Staubwischer, der um die Ecken wischen kann

Der Biotechnologe Rainer Erb nimmt einen handelsüblichen Wischmopp zur Hand und staubt damit eine Tischkante auf dem Messestand des Bionik-Kompetenz-Netzes Biokon ab. Verblüffenderweise biegt sich der Mopp dabei nicht weg, sondern er schmiegt sich sanft an die Kante an, sobald er auf Widerstand stößt. Je mehr Druck Erb ausübt, umso weiter biegt sich der Wischer in Richtung Tisch.

Was so absurd aussieht, ist ein bionisches Wirkprinzip - der sogenannte Fin-Ray-Effekt. Der Hersteller hat es sich von Fischen abgeschaut, die beim Gleiten durchs Wasser dadurch Energie sparen, dass ihr Knochengerüst - genauso wie der Wischer - auf Widerstand reagiert. "Dieses Prinzip kann man bei vielen Dingen anwenden: Bei Greifern von Robotern, bei Autositzen, die sich ergonomisch dem Körper anpassen, bei Schließmechanismen in der Architektur", erklärt der Biotechnologe.  

Rainer Erb ist Geschäftsführer des Biokon-Netzwerkes, das eine Vielzahl von Forschungseinrichtungen, Universitäten und Industrieproduzenten zusammenbringt - mit dem gemeinsamen Ziel, noch mehr von der Natur zu lernen.

Ein Antrieb für Boote, der einem Tintenfisch nachempfunden ist. (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Der Tintenfisch-Antrieb pumpt Boote voran

Ideen aus allen Wissenschaftsdisziplinen

Die Bionik bezieht ihre Ideen aus vielen Bereichen: Von der Biologie über Physik und Mathematik bis hin zu Materialwissenschaften. Erfindungen nach natürlichen Vorbildern finden sich in Architektur, Design, Maschinenbau, Fahrzeugbau und vielen weiteren Entwicklungs- und Industriebereichen.

Oliver Schwarz, Gruppenleiter Biomechanik am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automation IPA in Stuttgart zeigt ein Beispiel für solch eine Entwicklung: Ein Antriebssystem für Boote, das sich den Tintenfisch zum Vorbild nimmt. Vier elastische Kunststoffbälle mit einem mechanischen Innenleben pumpen Wasser und sorgen so für Vortrieb. Das besondere daran: Der ganze Antrieb wurde mit einem 3D-Drucker in einem Arbeitsgang hergestellt.

Von der Anakonda-Schlange stammen zwei weitere bionische Prinzipien. Sie stecken in einem Operationsgerät für Bandscheibenoperationen, das ebenfalls am Fraunhofer IPA entwickelt wurde. "Wenn ein Operateur eine Bandscheibe bearbeitet, muss er das Material drum herum entfernen", erklärt der Ingenieur. "Bisher musste er mit dem Operationsgerät jedes Mal hingehen, etwas abknipsen, den Operationsort verlassen, das abgeknipste Stück abstreifen und wieder hineingehen." Dieses aufwendige Hin und Her brachte ein erhebliches Infektionsrisiko mit sich und bei Blutungen fiel es dem Arzt zudem schwer, den genauen Operationsort wiederzufinden.

Silbernes Operationsbesteck für Bandscheibenoperationen (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Bei diesem Operationsbesteck war die Anakonda-Schlange das Vorbild

Die Lösung: Ein Gerät, mit dem der Arzt bis zu 40 Mal etwas abknipsen kann, ohne den Operationsort zu verlassen. Die abgeknipsten Teile verschwinden in der Apparatur. "Es ist das gleiche Prinzip wie bei der Schlange: Nach hinten gerichtete Zähne", erklärt Schwarz. "Sobald die abgeschnittenen Teile eine Art Reuse passiert haben, werden sie nach hinten transportiert."

Auch das Schneidwerkzeug selbst ist von der Natur abgeschaut: Es ist den Reißzähnen von Katzen oder Hunden nachempfunden. Die Schneide trifft dabei nicht auf eine glatte Fläche, sondern - wie bei einer Schere - auf einen entgegenlaufenden Zahn. Dadurch ergibt sich ein sauberer Schnitt und Knorpelmasse wird nicht zerrissen.

Lüfter so leise wie Greifvögel

Auch Vögel haben die Erfinder inspiriert: Niels Polenz von der Firma Blacknoise stellt auf der Hannover Messe einen Tischventilator und einen Computerlüfter vor, der ein Fünftel leiser ist als bisherige Lüfter. Das bionische Wirkprinzip dahinter nennt sich Schlaufenrotor.

Greifvögel fächern am Flügelende ihre Federn auf, um feinste Verwirbelungen zu erzeugen. Dadurch vermeiden sie einen lauten Strömungsabriss. Flugzeugbauer erreichen dies zum Beispiel mithilfe von sogenannten Winglets, also hochstehende Tragflügelenden.

Beim Lüfter wirkt zwar dasselbe Prinzip, aber die Gestaltung ist nicht mehr ohne weiteres erkennbar. "Weil das Prinzip bei Lüftern nicht anwendbar ist, war die Idee, die Federn als eine Schlaufe zu betrachten und dadurch die Außenwirbel zu reduzieren", erklärt Polenz. "Dadurch entstehen viele kleine Wirbel und kein großer Wirbel mehr und die Geräusche werden reduziert."

Ein mechanischer Greifer ist sieht aus wie eine menschliche Roboterhand mit vier Fingern. (Foto: Fabian Schmidt/DW)

Der mechanische Greifer LearningGripper von Festo ist der menschlichen Hand nachempfunden - hat aber nur vier Finger

Ultraleichtes Rieseninsekt

Auch die Maschinenbaufirma Festo zeigt auf der Messe ihre bionischen Entwicklungen: Diesmal ist eine ferngesteuerte Libelle mit dabei, bei der die Ingenieure versucht haben, das Wirkprinzip des Libellenbaus exakt nachzuahmen.

Die Libelle BionicOpter ist sehr leicht und in der Lage, in alle Richtungen - auch rückwärts - zu fliegen und dabei komplizierteste Flugmanöver auszuführen. Mit einem Smartphone steuert ein Ingenieur das Rieseninsekt zielsicher durch die Messehalle, wieder zu ihm zurück, sodass er sie schließlich genau mit seiner Hand einfangen kann.

Aber auch unscheinbarere Erfindungen der Firma gehen auf bionische Prinzipien zurück. So zum Beispiel ein Roboter-Greifer, der zwar nur vier Finger hat, aber der menschlichen Hand nachempfunden ist. Das besondere an dem sogenannten LearningGripper: Er betastet einen Gummiball und lernt seine Lage zu verstehen. Seine Aufgabe ist es, den Ball in eine ganz bestimmte Lage zu drehen: Das Firmenlogo soll nach oben zeigen.

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