Die Bionik versucht, mit wissenschaftlichen Mitteln »von der Natur« für technische Problemlösungen zu lernen. Unter Bionik werden Ansätze in Forschung und Entwicklung verstanden, die ein technisches Erkenntnisinteresse verfolgen und auf der Suche nach Problemlösungen, Erfindungen und Innovationen Wissen aus der Beob­achtung und Analyse lebender Systeme heranziehen und dieses Wissen auf technische Systeme übertragen. Der Gedanke des Übertragens von Funktions- oder Strukturwissen von lebenden auf technische Systeme ist zentral für die Bionik.

Bionik übt in der Öffentlichkeit vielfach eine große Faszination aus. Lebewesen als High-Tech-Systeme zu begreifen und über ihre »technologische Leistungsfähigkeit« zu staunen, eröffnet die Möglichkeit, den häufig gesehenen Widerspruch zwischen Natur und Technik zu überwinden. Bionik »als Versprechen« meint darüber hinaus, dass durch bionische Ansätze eine natürlichere, naturnähere oder besser angepasste Technik realisiert werden könne und dass damit bereits deswegen bessere Eigenschaften wie Einpassung in die natürlichen Kreisläufe, Risikoarmut, Fehlertoleranz und Umweltverträglichkeit möglich würden. Diese Überzeugung stellt für viele Bioniker eine wesentliche Motivation und eine zentrale Legitimation ihrer Ansätze dar.

Zur Begründung dieser Vorstellungen wird auf Eigenschaften von Problemlösungen in natürlichen lebenden Systemen hingewiesen, wie multikriterielle Optimierung unter variablen Randbedingungen, Nutzung des Vorhandenen oder geschlossene Stoffkreisläufe. Mit diesen Argumenten kann plausibel gemacht werden, dass bionische Problemlösungen entsprechende Potenziale haben. Ob diese Potenziale aber auch im Einzelfall realisierbar sind und unter welchen Umständen dies gelingen kann bleibt zunächst offen. Bionische Problemlösungen sind daher nicht per se risikoärmer oder umweltverträglicher als traditionelle technische Lösungen. Denn eine evolutionäre Optimierung in der Natur erfolgt unter anderen Kriterien und Bedingungen als sie für eine technische Problemlösung relevant sind. Die Übertragung des Wissens, das an lebenden Systemen gewonnen wurde, in eine technische Umgebung ist kein trivialer Vorgang, der die Potenziale der Bionik zunichte machen oder sogar in Risiken transformieren kann.

Das Verhältnis der Bionik zur Natur ist daher gespalten. Natur hat in der Bionik einerseits Vorbildcharakter, interessiert aber andererseits nicht als Natur selbst, sondern eben »nur« als Vorbild für technische Problemlösungen. Damit legt die Bionik einen technischen Blick auf die Natur nahe, der einem ursprünglichen »unmittelbaren« Blick auf die Natur als Natur entgegengesetzt ist.

Die Bionik-Szene – ein Überblick

Verbindliche Einteilungen der Bionik liegen bislang nicht vor. Dadurch, dass der bionische Gedanke des Übertragens von Funktions- oder Strukturwissen von leben­den auf technische Systeme prinzipiell in wohl fast allen technischen Bereichen zum Zuge kommen könnte, gibt es keine eigene Systematik der Bionik. Zur klassischen Bionik gehören bionische Anwendungen in den Bereichen Bau und Klimatisierung, Konstruktionen und Geräte, Formgestaltung und Design, Verfahren und Abläufe, Materialien und Strukturen sowie Lokomotion. Ein wichtiges aktuelles Forschungsfeld mit erheblichem Anwendungspotenzial stellen neue Materialien dar. Die neue Bionik schließt an aktuelle Entwicklungen in Nanotechnologie und Evolutionsbiologie an. Sie umfasst einerseits molekularbiologisch inspirierte Mikroansätze der Nanobiotechnologie, der Prothetik und der neuronalen Steuerung, andererseits evolutionstheoretisch motivierte Entwicklungen in der Informationstechnik und in der Organisation kollektiver Prozesse.

Die deutsche Bionik-Forschung ist thematisch breit aufgestellt und hat eine sehr gute Ausgangsbasis. Die erforschten Segmente der Bionik und die Anwendungsfelder treffen weitgehend auf attraktive Märkte im In- und Ausland. Sowohl etablierte Felder (wie z.B. zu Neuen Materialien, funktionalen Oberflächen oder in der Konstruktion) als auch sich erst entwickelnde Bereiche der Bionik-Forschung (wie z.B. die Prothetik) sind darauf angelegt, innovative Beiträge zu gesellschaftlich und industriell relevanter Forschung und Entwicklung zu leisten. In der Öffentlichkeit ist das Attribut »bionisch« positiv besetzt und wird gerne für Werbezwecke eingesetzt.

Neben den USA und Großbritannien, die ähnlich gut wie Deutschland aufgestellt sind, sind vor allem Frankreich, Schweiz und Österreich stark in der Bionik engagiert. Japan – besonders im Bereich Lokomotion und Robotik – und China (marine Bionik) erweitern ihr Engagement. Die Informationslage ist allerdings teils recht dürftig, besonders in Bezug auf Russland und die USA, da dort viele Bionik-Projekte in der Militärforschung angesiedelt sind und entsprechend der Geheimhaltung unterliegen.

Bionik in Deutschland ist durch Partnerschaft und Kooperation statt durch Konkurrenz und Wettbewerb geprägt. Dies zeigt die zentrale Bündelung der Kompetenzen im Netzwerk BIOKON und die Zuordnung der Mitglieder in thematisch unterschiedlich ausgerichtete Fachgruppen, in denen der wissenschaftliche Austausch und die Nutzung von Synergien im Vordergrund stehen. Diese Bündelung ist auch eine Stärke im internationalen Vergleich. Während es in anderen Ländern häufig schwierig ist und langwierige Recherchen erfordert, Akteure und Projekte auf dem Gebiet der Bionik zu identifizieren, bietet der BIOKON-Internetauftritt einen hervorragenden Überblick über die deutsche Bionik-Forschung, ihre Akteure und deren entsprechenden fachlichen Schwerpunkte sowie zahlreiche Links und Möglichkeiten zur Kontaktaufnahme.

Vielfach geht Bionik jedoch auf die Initiative und das Engagement einzelner Personen oder FuE-Einrichtungen zurück. Die kritische Masse für die Bionik, um den Innovationsprozess maßgeblich zu gestalten, ist weder national noch international erreicht. Zum einen liegt dies sicher daran, dass bionische Lösungsideen über eine sehr breite Palette von Anwendungsfeldern verstreut sind, so dass der jeweilige Anteil und damit Einfluss in den – zumeist großvolumigen – Anwendungsfeldern gering bleiben muss. Zum anderen lässt sich auch eine Reihe von Hemmnissen für eine größere Rolle der Bionik im Innovationssystem ausmachen. Hierzu gehören vergleichsweise lange Entwicklungszeiten für bionische Produkte und Prozesse, eine gewisse Zurückhaltung bei der Industrie, Konflikte zwischen Universitäten und Industrie, eine zwar gestiegene, aber dennoch marginale Forschungsförderung, die weitgehende Abwesenheit der Bionik in der schulischen und universitären Lehre sowie ein Mangel an Kommunikation.

Neue Materialien

Biologische Materialien sind ressourceneffizient gestaltet und zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und Funktionalität bei verhältnismäßig geringem Materialeinsatz aus. Die eingesetzten Materialien sind zudem in der Regel in der Umgebung leicht verfügbar (Opportunismusprinzip in der Materialauswahl). In der Natur finden sich keine Hochleistungswerkstoffe, sondern einfache Materialien mit einer effizienten inneren Struktur, die auf die jeweilige biologische Konstruktion perfekt abgestimmt sind und so aus technischer Sicht erstaunliche mechanische Eigenschaften erzielen.

Durch ihre Kombination als Mehrkomponentenmaterialien oder Komposite zeichnen sich viele Materialien durch eine aus technischer Sicht ideale Kombination oft widersprechender Materialeigenschaften, wie Festigkeit und Elastizität, aus. Multifunktionalität stellt einen wesentlichen Beitrag zur Effizienz biologischer Materialien dar. Diese besitzen eine den Funktionen, die sie erfüllen sollen, angepasste Lebensdauer. Aufgrund der einfachen chemischen Basis sind alle Materialien biologisch abbaubar und damit Bestandteil eines natürlichen Kreislaufs. Um materialbionische Aspekte zu verdeutlichen, werden einige Forschungsfelder exemplarisch aufgeführt:

• Am Beispiel der Biokeramik werden Abgrenzungsprobleme deutlich, die einem praktischen Einsatz jedoch nicht entgegenstehen: Das Kristalline der Keramik (mit z.B. lebensfeindlichen Herstellungstemperaturen von über 1.000 °C) steht eher im Gegensatz zum Biologischen und Lebendigen. Mittlerweile repräsentiert die »Biokeramik« einen hochdynamischen, äußerst vielversprechenden Zweig der keramikorientierten Materialwissenschaften.
• Ein weiteres Beispiel ist Perlmutt, welches im Fokus des Forschungsinteresses steht, weil es sich durch eine hohe Härte und gleichzeitig hohe Bruchfestigkeit auszeichnet. Perlmutt ist u.a. zäher als heutige Industriekeramik. Mögliche Einsatzgebiete werden auch im Bereich der Medizintechnik (Implantatwerkstoffe) gesehen, da heute verwendete nicht keramische Werkstoffe oft problematisch bezüglich ihrer Biokompatibilität sind.
• Von den anpassungsfähigen Materialien (smart materials) wird ein hohes Potenzial für technische Anwendungen erwartet. Selbstreparatur (Wundheilung) ist ein anpassendes Merkmal aller Lebewesen. Untersuchungsergebnisse legen nahe, dass Selbstreparaturprozesse bei Pflanzen in technische Produkte umsetzbar sind. Derzeit werden z.B. selbstreparierende Membranen für technische Anwendungen entwickelt. Das Zusammenspiel von »Sensor, Steuereinheit und Aktuator« kann genutzt werden für biologisch inspiriertes Laufen (Robotik, Biomechatronik).
• Bionisch strukturierte Beschichtungen bieten mittlerweile Eigenschaften, die weit über den bekannten Lotus-Effekt (Selbstreinigung in Verbindung mit Wasser) hinausgehen. Hier ist mittlerweile auch eine Reihe von Produkten auf dem Markt (z.B. Fassadenfarben, Antihaftbeschichtungen, Riblet-Folien).
• Natürliche Klebelösungen sind technischen teilweise noch überlegen (z.B. Langzeithaften unter extremen Bedingungen wie etwa Salzwasser). Zudem sind alle in der Natur verwendeten Klebstoffe umweltverträglich. Daneben geht es auch um die Entwicklung wieder ablösbarer Verbindungen mit dem Ziel, feste Verbindungen von Werkstoffen ohne Schweißen oder Kleben aufzubauen.

Bei den aufgeführten Beispielen ist übergreifend anzumerken, dass, um auf der Basis naturwissenschaftlicher Aufklärung (z.B. molekularbiologischer Prinzipien) zu »technischen« Lösungen zu kommen, die Grundlagenforschung in vielen Fällen noch eine »gewisse Reife« erlangen sollte und bereits existierende Produkte weiter zu optimieren sind.

Die Zahl werkstoffbasierter Entwicklungen ist so unüberschaubar, dass eine Einordnung, was den Stand der Forschung anbelangt, schwierig ist. Dennoch ist festzuhalten, dass die Bionik bei zukünftigen Materialentwicklungen eine bedeutende Rolle einnehmen kann. Denn Eigenschaften natürlicher Materialien – wie adaptive Fähigkeiten, Multifunktionalität und ressourceneffizienter Aufbau – sind gleichzeitig auch Eigenschaften, die Ziele aktueller Werkstoffentwicklungen darstellen. Voraussetzung ist jedoch ein tieferes Verständnis für das Zusammenwirken von Funktion und Aufbau natürlicher Materialien sowie der Mechanismen zur Entstehung, Umformung und Selbstheilung.

In den Feldern Automobilbau und Bautechnik/Architektur kann Bionik unterschiedlich wirksame Beiträge zu (zukünftigen) Technologien leisten (z.B. Leichtbaukonstruktion nach bionischem Vorbild, strömungstechnische Optimierung der Fahrzeuge, Entwicklung spezieller Felgen und Reifenprofile, am Kraftfluss orientierte Tragstrukturen, transparente Isoliermaterialien). Dabei garantiert die unmittelbare »Nähe zur Natur« – als Vorbildfunktion und als zumeist erster Verfahrensschritt bionischer Forschung – nicht per se einen nachhaltigen, heute oder zukünftig praxisrelevanten Einsatz. Ein sich abzeichnendes Charakteristikum umgesetzter bionischer Lösungen ist, dass sie eine hohe Anzahl neuer Entwicklungs- und Produktideen nach sich ziehen – nicht notwendigerweise ausschließlich bionischer Art. Dies zeigt das Beispiel selbstreinigender, superhydrophober (besonders wasserabweisender) Oberflächen und Materialien.

Neue Bionik

Nanobionik und/oder Nanobiomimetik bezeichnen Forschungsaktivitäten, die Lösungsansätze der Natur (bzw. der Zelle) für menschliche Bedarfe und Herstellungsprozesse nutzbar zu machen. Diese Forschungsrichtungen sind molekularbiologisch orientiert und profitieren von Fortschritten in der Nanotechnologie. Entsprechende Entwicklungen befinden sich noch mitten im Stadium der Grundlagenforschung, auch wenn es um so konkrete Ziele geht, wie den technischen Nachbau der Photosynthese. Waren die bisher verfolgten bionischen Ansätze geprägt durch die Übertragung von Lösungsansätzen der Natur auf technische Systeme, so stehen im Rahmen der Nanobionik zugleich Eingriffe in die Natur auf dem Programm, die bis hin zum Bau künstlicher Zellen und damit letztlich zur Erzeugung künstlichen Lebens in der Synthetischen Biologie reichen. Die Analogiebildung der bisherigen Bionik mit der Nanobionik erweist sich spätestens dann als problematisch, wenn in die evolutiven Prozesse selbst eingegriffen wird, wenn also »der Mensch die Evolution selbst in die Hand nimmt«. Mit der dadurch einkehrenden Verkürzung der natürlichen Zeiträume, in denen sich evolutive Prozesse vollziehen, könnten neue Risikotypen erzeugt werden. Bei aller Faszination der Nanobionik sollte daher eine sorgfältige Begleitung durch Risikoforschung und Technikfolgen-Abschätzung erfolgen.

Die Fortschritte in der Prothetik tragen zu einer Entwicklung bei, die von der morphologischen Analogiebildung (beispielsweise Hörrohr) über eine völlige Abstraktion und Abkehr vom Vorbild wieder zu einer kontinuierlichen Annäherung an die natürlichen Prozesse gelangt – ganz im Sinne des »Nachbaus« der zugrunde liegenden komplexen sensorischen und informationsverarbeitenden Mechanismen. Es geht damit zunehmend um die mehr oder weniger exakte funktionale Nachbildung der Natur. Dieses »transitorische« Verständnis der Bionik (von der Analogie hin zur Kopie) lässt sich anhand von Arm- und Beinprothesen oder von Zahnprothesen illustrieren. Mit dem Fortschritt der Wissenschaft nehmen das Bestreben und die wissenschaftlich-technischen Möglichkeiten zu, ganze oder zumindest Teile von Gliedmaßen in der erwünschten Funktion oder auch in der dabei natürlicherweise eingesetzten Funktionsweise nachzubilden. Hierbei sind große Erfolge zu verzeichnen, obwohl die exakte Kopie noch lange nicht erreicht ist. Die Neurobionik (z.B. Neuroprothetik, Biohybridelemente) wird von vielen Bionikern als bionisches Forschungsfeld akzeptiert, solange es um das Lernen von der Natur mit Blick auf evolutionäre Erkenntnisse geht. Andere grenzen sich jedoch von der Neurobionik für prothetische Anwendungen ab, da diese mehr auf den »Ersatz von Sinnen« ausgerichtet ist. Durch die enormen Fortschritte im Verständnis biologischer Elemente sowie dem technischen Fortschritt im Bereich Miniaturisierung und Materialien ist zu erwarten, dass die Neurobionik dennoch in den kommenden Jahren eine klarere Rolle in der bionischen Forschung beanspruchen wird als bisher.

Die Nutzung evolutionärer Strategien ist ein weiteres aktuelles Forschungsfeld der Bionik. In der Informations- und Kommunikationstechnik operiert das »Natural Computing« mit den Prinzipien von Variation und Selektion, um unter bestimmten Bedingungen »optimale« Strategien durch Probieren herauszufinden. In Fragen der Organisation komplexen Verhaltens, sei es des Verhaltens eines Kollektivs oder des Verhaltens Einzelner angesichts kombinatorischer Optimierungsaufgaben, werden seit einiger Zeit Phänomene der »Schwarmintelligenz« untersucht. Es geht dabei darum, das komplexe Verhalten z.B. von Ameisenvölkern oder Vogelschwärmen auf der Basis sehr einfacher Regeln auf der individuellen Ebene zu modellieren und hieraus Lösungsideen für Probleme sozialer Organisation zu gewinnen.

Grundsätzlich ist in diesen, technisch und wissenschaftlich sämtlich faszinierenden Feldern der »neuen Bionik« zu beachten, dass erhebliche Potenziale für neuartige technische Möglichkeiten erkennbar sind, dass sich jedoch die Entwicklungen zum großen Teil noch in frühen Stadien befinden. Der bionische Gedankengang zielt hier zwar letztlich auf technische Problemlösungen, ist jedoch in der Regel noch weit von der Marktreife entfernt. Das häufig verwendete evolutionäre Prinzip der Selbstorganisation weist eine eigene Ambivalenz auf und könnte zu Risikotypen führen, die ihre Ursachen in einer zunehmenden Autonomie darauf aufbauender Technik und einem möglichen Kontrollverlust des Menschen haben.

Schlussfolgerungen und Handlungsoptionen

Bionik führt zu einer erheblichen Ausweitung der »Toolbox« im Innovationssystem, indem aus der ungeheuren Vielfalt der »technischen« Problemlösungen in der Natur für technische Problemlösungen in der Welt des Menschen gelernt wird. Bereits diese beträchtliche Erweiterung menschlicher Handlungsmöglichkeiten rechtfertigt eigene Anstrengungen, um das bionische Potenzial möglichst gezielt zu erschließen. Bionik »als Versprechen« einer naturgemäßeren Technik trägt sicher zur Motivation vieler Forscher bei, ist jedoch für eine Begründung, warum denn Bionik betrieben und öffentlich gefördert werden sollte, gar nicht erforderlich. Hier reicht das Argument der Erschließung eines großen Ideenpools für menschliche Zwecke vollständig aus.

Für eine differenzierte Sicht auf die Bionik und die in diesem Bereich praktizierte Arbeitsweise ist es unabdingbar, den gesamten Innovationsprozess von den biologischen Grundlagen (Idee) bis hin zur technischen Umsetzung (Produkt) zu betrachten – auch um das Potenzial der Bionik realistisch darstellen zu können. Um Bionik als »Ideenpool« für Innovationen zu etablieren, ist eine grundlegende Voraussetzung das Entwickeln von Strategien zum effizienten Herausfiltern der für technische Problemlösungen relevanten Aspekte. Aufgrund der ungeheuren Vielfalt der »natürlichen Problemlösungen« wäre etwa eine weitere Systematisierung und Verfügbarmachung von Funktionsprinzipien aus der Biologie sinnvoll. Ein weiterer Punkt ist die Fokussierung der forschungsorientierten Förderung auf ausgewählte Aspekte (z.B. Wissensverwertung, Schutzrechtsstrategien, Aufbau neuer Förderschwerpunkte).

Eine funktionierende interdisziplinäre Arbeitsweise ist dabei ein zentraler Baustein bionischer Entwicklungen. Auch hier bestehen Verbesserungsmöglichkeiten in der Kommunikation zwischen verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen. Die momentan in Deutschland bestehende Netzwerkbildung sollte – auch mit Blick auf interdisziplinäre Aspekte und die europäische Ebene – weitergeführt werden.

Das Anwendungspotenzial der Bionik ist enorm breit. Ein entsprechendes Marktpotenzial ist vorhanden, wobei für ein detailliertes Bild allerdings entsprechende Marktuntersuchungen notwendig wären. Für den Transfer bzw. die Nutzbarmachung bionischer Entwicklungen für Umsetzungen im Handwerk bzw. im Mittel­stand fehlen regionale bzw. auch überregionale Unterstützungsoptionen.

Die positive Besetzung des Begriffs »Bionik« in der breiten Öffentlichkeit wäre ausbaubar, auch vor dem Hintergrund der Vermittlung eines noch klareren Bildes, was Bionik genau ausmacht. Dieses Verständnis wäre u.a. auch eine Grundlage für eine bessere Verankerung bionischer Aspekte in Lehre und Ausbildung.

Für eine Weiterführung der Bearbeitung des Themas böten sich folgende Vertiefungsfelder an:

• Untersuchung ökobilanzieller Themen im Rahmen von Gesamtbetrachtungen bionischer Produktanwendungen,
• Konkretion bisher getroffener Aussagen zu »Chancen und Risiken« der Bionik insgesamt,
• Forschungsbedarf im Bereich der »neuen Bionik« hinsichtlich der These »Bionik als Versprechen« (Kontextüberprüfung, Kriterien, Bewertung etc.), Realisierbarkeit der mit Bionik implizit verbundenen Vorstellungen (Robustheit, Fehlertoleranz, Adaptivität usw.), Eingriffstiefe und Wirkmächtigkeit der »neuen Bionik« auf molekularer Ebene und damit zusammenhängender Risiken sowie Detailuntersuchungen für einzelne Bereiche (z.B. Nanobionik, Prothetik),
• Durchführung einer differenzierten Vergleichsanalyse mit anderen Ländern (Benchmark),
• Untersuchung des potenziellen Beitrags der Bionik zu aktuellen ökologischen Problemen (z.B. im Bereich »Bauen und Wohnen«).

Deutschland gehört ohne Zweifel zu den bedeutenden Forschungsstandorten in der Bionik weltweit. Das wissenschaftlich hohe Niveau der deutschen Forschung gilt es, auch in Zukunft zu halten. Die internationale Reputation muss weiter gestärkt werden, und bionische Herangehensweisen sind nachhaltig und zeitnah in die Innovationsprozesse der Industrie zu integrieren. Es wird für die Zukunft zum einen darauf ankommen, das Wissen aus der bereits geleisteten Forschungsarbeit an die nächste Bionik-Generation weiterzugeben und vor allem durch Ausbildung einen Multiplikatorenprozess anzustoßen. Zum anderen muss die bionische »Denkweise« stärker in Bildung und Ausbildung integriert werden.

Bionik bietet einen geeigneten Rahmen für einen gezielten und effizienten Wissenstransfer von der Grundlagenforschung bis hin zur technischen Anwendung. Dieser Wissenstransfer ist unerlässlich, um einen technologischen Wissensvorsprung auf Dauer zu halten. Vom derzeitigen Standpunkt aus betrachtet stellt die Bionik eine Technologieoption mit immensem Potenzial dar.