Bionik: Die Natur als Ingenieurin

Hubschrauber, Kevlar, der Schwarmbewegungen bei Sardellen: Wenn es um Innovationen geht, die uns das Leben leichter machen, lohnt es sich immer, einen Blick in die Natur zu werfen. Schauen wir uns mal an, wo wir uns an Beispielen bei Tier und Pflanze bedient haben!

Hast du mal beobachtet, wie eine Spinne ihre Netze baut? In meinem Buch "Schreibers Naturarium" habe ich ausführlich über dieses Naturwunder geschrieben: Aus ihren Spinndrüsen presst die Spinne eine salzige Flüssigkeit, die an der Luft sofort zu einem Faden aushärtet. Das Ergebnis ist ein Material, das drei Mal mehr Zug aushält als Kevlar, also jenes Hochleistungsmaterial, das 1965 von der Chemikerin Stephanie Kwolek bei DuPont entwickelt wurde und heute in kugelsicheren Westen und der Raumfahrt zum Einsatz kommt. Die chemische Komplexität hinter der Spinnenseide sprengt noch immer unsere Vorstellungskraft. Je nach Aufgabe produziert die Spinne unterschiedliche Fadentypen: klebrige Fangspiralen, trockene Rahmenfäden, weiche Kokonfäden. Manche Spinnenarten tragen bis zu 50.000 verschiedene Spinnspulen an ihrem Hintern. Die spezielle Anordnung der Aminosäuren beim Auspressen erzeugt eine Struktur, die gleichzeitig extrem reißfest und elastisch ist.

Wissenschaftler:innen versuchen seit Jahrzehnten, diese Faser im Labor nachzubauen. 2023 gelang Forschenden um Junpeng Mi von der Donghua University in China ein spektakulärer Durchbruch: Sie züchteten genetisch veränderte Seidenraupen, die erstmals vollständige Spinnenseidenproteine produzierten. Die Fasern erreichten eine Zugfestigkeit von 1.299 Megapascal und eine Zähigkeit von 319 MJ/m³ – das ist sechsmal zäher als Kevlar. Die Forschenden setzten dafür CRISPR Cas9 ein, ein Werkzeug, mit dem sich Erbgut gezielt verändern lässt. Damit schleusten sie bestimmte Gene der Kreuzspinne Araneus ventricosus in die DNA von Seidenraupen ein. Unter dem Fluoreszenzmikroskop begannen die Augen der Raupen rot zu leuchten, sodass man sieht, dass es geklappt hat.

Hier kannst du übrigens mal den Lebenszyklus einer Seidenraupe anschauen:

Die Geburt einer Wissenschaft aus Ärger

Die Geschichte der modernen Bionik – so nennt man diese Wissenschaft – beginnt 1941 mit einem genervten Schweizer Ingenieur. George de Mestral (1907-1990) kam von der Jagd mit seinem Hund zurück und ärgerte sich über die hartnäckigen Kletten im Fell. Ich kenne das, vor allem mein Zwergpudel Humboldt bringt da gern eine Sammlung mit nach Hause. Statt sie wie ich einfach rauszuzupfen und zu vergessen, legte Mestral jedoch eine unter sein Mikroskop. Was er sah, waren hunderte winziger Häkchen, die sich perfekt in Schlaufen und Fasern verhakten. Mensch, dachte er, das ist ja praktisch, könnte man das nicht für etwas anderes benutzen?

Acht Jahre Entwicklungsarbeit folgten. Das Problem: Niemand nahm ihn und seine Erfindung ernst. Die Textilindustrie lachte über seinen "reißverschlusslosen Reißverschluss". De Mestral testete Fabrik um Fabrik in Europa, sechs lehnten ab, die winzigen Häkchen herzustellen war zu schwierig. Schließlich fand er in Lyon einen Hersteller, der Nylon mit Baumwolle kombinierte. 1955 erhielt er sein Patent für "Velvet Type Fabric and Method of Producing the Same". Er bewarb es unter dem Namen "Velcro", was sich aus dem französischen Wörtern "velours" (Samt) und "crochet" (Häkchen) zusammensetzt.

Der Durchbruch kam dann so richtig erst in den 1960ern, als die NASA nach Verschlusssystemen für Raumanzüge suchte, die auch mit dicken Handschuhen bedienbar waren. Heute ist Velcro – bei uns bekannt als Klettverschluss – ein Milliardengeschäft. Und das alles nur, wegen ein paar Kletten im Hundefell.

Der Begriff "Bionik" selbst entstand erst 1960, geprägt vom amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele (1924-2009) auf einer Konferenz mit dem Titel "Living Prototypes – The Key to New Technology". Parallel zu den frühen Entwicklungen in den USA nahm die Bionik auch in Deutschland Fahrt auf. Eine zentrale Figur war der Zoologe Werner Nachtigall (1934-2024), der das Fach hierzulande überhaupt erst zu einer eigenständigen wissenschaftlichen Disziplin formte. Nachtigall arbeitete seit den 1960ern an der engen Verzahnung von Biologie und Ingenieurwissenschaften und überführte unzählige Funktionsprinzipien aus Tier- und Pflanzenwelt in technische Anwendungen, die uns den Alltag vereinfachen. Er gründete Forschungsgruppen, veröffentlichte Standardwerke, baute die ersten universitären Lehrstühle zur Bionik auf und prägte damit Generationen von Studierenden in Biologie, Architektur und Maschinenbau. Heute gilt Nachtigall als einer der Begründer der europäischen Bionik und als Wegbereiter dafür, dass hierzulande immer wieder Technologien entstehen, die direkt aus der Natur gedacht sind.

Geckos: Die Meister der temporären Haftung

Ein Gecko läuft die Wand hoch, kopfüber über die Decke und wieder runter. Kein Klebstoff, keine Saugnäpfe, und trotzdem haftet er bombenfest. Wie macht der Kollege das nur? Nun, das Geheimnis liegt in der Nanostruktur ihrer Füße, die du hier unter einem Rasterelektronenmikroskop sehen kannst:

Jeder Geckofuß trägt etwa eine Million mikroskopisch kleiner Harstrukturen, die Setae. Jedes dieser Strukturen, die nur 100 Mikrometer lang sind, verzweigt sich jeweils in 100 bis tausend noch feinere Strukturen, die Spatulae. Mit einem Durchmesser von nur 200 Nanometern sind diese soooo klein, dass hier die Van-der-Waals-Kräfte greifen – schwache Anziehungskräfte zwischen Molekülen. Die Haare schmiegen sich also an der glatten Oberfläche an. Normalerweise sind diese Kräfte recht schwach, doch wenn du eine Milliarde davon an deinen kleinen Mauken hast, summiert sich das.

2015 veröffentlichten Elliot W. Hawkes und sein Team von der Stanford University in der Zeitschrift Journal of The Royal Society Interface eine neue Studie: Ein 70 Kilogramm schwerer Mensch konnte mit speziellen “Gecko-Handschuhen” eine Glaswand hochklettern. Die Handschuhe nutzten 140 cm² synthetische Gecko-Strukturen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) pro Hand. Die künstlichen Setae waren dabei nur 20 Mikrometer breit und ahmten die natürliche Struktur nach. Das Besondere: Durch eine Abrollbewegung lässt sich die Haftung sofort lösen – genau wie beim echten Gecko, der seine Zehen so ein bisschen hochrollt und sich dann wieder von der Oberfläche lösen kann.

Auch die Raumfahrt ist längst auf den Geschmack gekommen. Mark Cutkosky von der Stanford University, der an den ersten Gecko-Handschuhen beteiligt war, arbeitet inzwischen eng mit der NASA zusammen. Die Idee dahinter klingt sehr cool: Im Erdorbit treiben über 130 Millionen Schrottteile, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 28.000 Kilometern pro Stunde unterwegs sind. Klassische Greifarme wären dafür ungeeignet, weil sie die Trümmer beim Zugriff weiter zersplittern oder wegschubsen würden. Die Gecko-Technologie könnte dieses Problem elegant umgehen. Roboter, deren Greifarme nach dem Haftprinzip der Echsen funktionieren, würden die Schrottteile sanft an der Oberfläche festhalten und sicher einsammeln. Auf diese Weise ließe sich das Altmetall im All nach und nach entfernen, ohne noch mehr Chaos und Müll zu erzeugen.

Der Elefantenrüssel: 90.000 Muskelbündel ohne einen einzigen Knochen

Hast du dich schon einmal gefragt, wie ein Elefant es schafft, mit demselben Rüssel einen winzigen Grashalm ganz vorsichtig aufzuheben und im nächsten Moment einen tonnenschweren Ast zu bewegen? Dieses Organ ist ein kleines biologisches Wunder. So ein Rüssel eines ausgewachsenen Elefants bringt rund 140 Kilogramm auf die Waage und ist der komplexeste uns bekannte Muskelapparat in einem Tier. Das hier ist ein guter Moment, um mit einer Fehlinformation aufzuräumen: Der Rüssel hat nicht 40.000 oder 90.000 Muskeln, wie man oft liest, sondern 90.000 mikroskopisch kleine Muskelbündel, mit denen ihn der Elefant jedoch unglaublich genau steuern kann, während er ebenfalls schwere Lasten hebt.

Genau dieses Zusammenspiel aus Stärke und Feinmotorik fasziniert die Forschung schon seit Jahren. 2020 stellte ein Team der University of New South Wales einen Robotergreifer vor, der sich von diesem Rüssel inspirieren ließ. Die Forschenden bauten einen weichen Stoffgreifer, der sich wie ein echter Rüssel um Gegenstände legt und dadurch sicheren Halt bekommt. In Tests hob ein Prototyp von gerade einmal 8,2 Gramm Gewicht ein 1,8 Kilogramm schweres Objekt. Das ist mehr als das 220-Fache seines Eigengewichts. Hier kannst du ihn in Aktion sehen:

Tiere wie Elefanten, Pythons oder Oktopusse nutzen weiche, durchgängige Körperstrukturen, die sich um Objekte schmiegen und dadurch Stabilität erzeugen, ein Ele-Rüssel arbeitet also nach dem Prinzip der muskulären Hydrostatik. Das bedeutet, dass das feine Zusammenspiel der Muskeln für festen Grip und Beweglichkeit sorgt.

Zwei Jahre später legte das Korea Institute of Machinery and Materials nach und entwickelte einen Greifer, der die empfindlichen Fingerspitzen eines Elefantenrüssels nachahmt. Dieses System vereint Saugkraft und präzisen Griff und kann damit Objekte jeder Art handhaben. Eine nur 0,25 Millimeter dünne Akupunkturnadel oder ein Kartoffelchip kann genau so präzise hochgehoben werden, wie eine sperrige Verpackungskiste, die um ein Vielfaches größer ist als der Greifer selbst. Hier siehst du den Vergleich zwischen einem Elefanten und dem Greifer:

Schwarm-Intelligenz: Wenn der Verkehr vom Fischschwarm lernt

Während der Elefantenrüssel zeigt, wie viel Kraft und Präzision ein einzelnes Organ entwickeln kann, stellt sich bei der Natur oft noch eine andere Frage. Was passiert, wenn viele kleine Tiere zusammenarbeiten und dadurch Fähigkeiten entwickeln, die weit über das hinausgehen, was ein Individuum leisten könnte? Genau hier wird es spannend, denn aus dieser kollektiven Intelligenz lassen sich ebenfalls spannende Technologien ableiten.

Ein Fisch allein im großen weiten Meer ist ganz schön schutzlos, vor allem, wenn er klein ist. In der Gruppe entsteht jedoch ein Phänomen, das auf Videos immer total hypnotisierend auf uns wirkt: Ein Schwarm aus tausenden Tieren bewegt sich wie ein einziger großer Organismus. Richtungswechsel verlaufen ohne Verzögerung, die Tiere weichen einander aus, niemand stößt zusammen … ich denke da natürlich direkt an Sardinen, die Meister ihres Fachs. Wie zum Teufel machen die das?

Der Informatiker Craig Reynolds beschrieb dieses Verhalten bereits 1987 in seinem “Boids-Modell” mit drei einfachen Regeln. Halte Abstand zu deinen Nachbarn, bewege dich in dieselbe Richtung wie sie, und bleibe in der Nähe der Gruppe. Mehr braucht es nicht, um ein erstaunlich stabiles und reaktionsschnelles System zu erhalten.

Wie kraftvoll diese Regeln sind, zeigte ein Team der Harvard University im Jahr 2021. Ihr Projekt “Blueswarm” bestand aus sieben kleinen Robotern, die sich unter Wasser nur über blaue LED-Lichter und Kameras orientierten. Kein GPS, kein Funk, kein zentraler Computer. Jeder Roboter registrierte mit seinen Kameras die blinkenden LEDs seiner Nachbarn, schätzte deren Position und Bewegung ein und reagierte darauf. Soll der Schwarm sich sammeln, bewegt sich jeder Roboter automatisch auf das Zentrum seiner Nachbarn zu. In einem Test verteilten sich die Roboter zunächst im Wasserbecken, bis einer von ihnen ein rotes Licht fand. Seine Signale lösten sofort die Sammelreaktion aus, und alle anderen bewegten sich darauf zu, ohne, dass es zu einer Massenkarambolage kam.

Solche Prinzipien fließen inzwischen in die Entwicklung des autonomen Fahrens ein. Verkehrsforschende arbeiten an Modellen, bei denen Autos sich wie Fischschwärme verhalten. Jedes Fahrzeug misst ständig den Abstand und die Geschwindigkeit seiner Umgebung und passt sein Fahrverhalten direkt an. Erste Simulationen zeigen, dass diese Form des kollektiven Fahrens den Verkehrsfluss deutlich verbessern und zugleich Sprit sparen könnte. Dennoch: Es wird noch viel Zeit vergehen, bevor ich mich in so ein Auto setze, wenn überhaupt jemals. Ist mir ein bisschen zu creepy, ich sag, wie’s ist.

Haifischhaut: Wenn Bakterien nicht kleben bleiben

Warum bleiben Haie eigentlich so sauber, obwohl sie ihr ganzes Leben im Meer verbringen? Während Schiffe ständig von Algen und Seepocken überwuchert werden, gleiten Haie Jahr für Jahr durchs Wasser, ohne dass sich etwas auf ihrer Haut festsetzt. Die sehen einfach immer aus wie neu, Outfit 1A. Wie machen die das? Nun, der Grund dafür steckt in ihrer besonderen Hautoberfläche, die ist nämlich mit winzigen, zahnähnlichen Schuppen bedeckt, den Placoidschuppen. Sie liegen in einem feinen Diamantmuster und erzeugen eine Struktur, auf der kaum etwas Halt findet:

2002 schaute sich der Ingenieur Anthony Brennan von der University of Florida diese Schuppen genauer an und machte eine überraschende Beobachtung: Nicht nur Algen und kleine Meeresbewohner finden keinen Halt. Auch Bakterien können sich kaum an der Haifischhaut festsetzen. Die Mikrostruktur sorgt dafür, dass die winzigen Zellen weder andocken noch Kolonien bilden können. Brennan gründete daraufhin das Unternehmen Sharklet Technologies und entwickelte eine künstliche Oberfläche, die das Muster der Placoidschuppen nachbildet und eben auch antibakteriell funktioniert, was natürlich für Krankenhäuser richtig spannend ist, da es ja ohne Antibiotika funktioniert.

All diese Beispiele zeigen: Die besten Ingenieur:innen arbeiten nicht nur in Laboren oder Entwicklungsabteilungen. Sie krabbeln, fliegen, schwimmen oder wachsen überall um uns herum. Die Evolution hatte 3,8 Milliarden Jahre Zeit für Forschung und Entwicklung, jede heute lebende Art ist sozusagen das Ergebnis unzähliger Optimierungsschleifen. Ich bin gespannt, was wir hier noch alles entdecken!

Bis zum nächsten Mal

Jasmin

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Blüchel, Kurt G., und Werner Nachtigall. Das große Buch der Bionik: Neue Technologien nach dem Vorbild der Natur. DVA, 2003.

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