Haihaut trifft Hightech: 8 Beispiele für Bionik aus Bremen

Forscher aus Bremen und Bremerhaven haben sich auf die Geniestreiche der Natur spezialisiert. Und zeigen, dass Spinnen und Algen oft die besten Vorbilder sind.

Zwei Bionik Forscher arbeiten an einem Modell.
Bild: Radio bremen

1 Vom Hai zur Hightech-Beschichtung

Problem: Wenn Kleinstorganismen Oberflächen besiedeln, sprechen Experten vom Biofouling. Unterwasser ist dies eines der markantesten Phänomene in der Natur. An Schleusentoren oder Schiffsrümpfen soll dieser Bewuchs jedoch vermieden werden. Denn Mikroorganismen wie Bakterien können durch ihren Stoffwechsel Korrosion auslösen. Algen, Miesmuscheln oder kleine Krebse wie Seepocken verschlechtern hingegen die Strömungseigenschaften von Schiffen. Das führt zu mehr Treibstoffverbrauch.

Lösung: Bislang werden meist Biozide eingesetzt, um den Bewuchs chemisch zu bekämpfen. Dass es einen anderen Weg gibt, haben vor einigen Jahren die Forscher des Bionik-Innovations-Centrums der Hochschule Bremen gezeigt. Sie nahmen sich die kleinen Zähne aus der Haihaut zum Vorbild. "Sie sind so ausgerichtet, dass sich die Haut glatt anfühlt, wenn man dem Hai vom Kopf zum Schwanz über den Rücken streicht, andersherum ist sie dagegen rau", sagt Antonia Kesel, Leiterin des Studienprogramms Bionik an der Hochschule Bremen.

Anwendung: So entwickelten die Bremer Forscher einen biozidfreien Schutzanstrich, der für die Unterwasserbeschichtung eingesetzt wird. Auch in der Lebensmittelindustrie, wo sterile und giftfreie Oberflächen wichtig sind, sehen die Wissenschaftler künftige Einsatzgebiete.

2 Vom Schwimmfarn zum treibstoffsparenden Schiffsrumpf

Problem: Schiffe gehören zu den größten Umweltverschmutzern. Umso größer sie sind, desto mehr Strömungswiderstand muss im Wasser überwunden werden. Die Weltflotte von rund 90.000 Schiffen verbrennt inzwischen rund 370 Millionen Tonnen Kraftstoff pro Jahr. Dies führt nicht nur zu hohen CO2-Emissionen, sondern auch zu einer Versauerung der Meere.

Lösung: Bionik-Forscher setzen auf verschiedene natürliche Vorbilder, um den Strömungswiderstand an Schiffsrümpfen zumindest zu reduzieren. Ein Beispiel sind Oberflächen, die der besonders strömungsfreundlichen Haihaut nachempfunden sind – Forscher sprechen dabei vom Riblet-Effekt. Ein weiterer Hoffnungsträger, an dem derzeit in Bremen geforscht wird, ist der Schwimmfarn Salvinia molesta. Untergetaucht bindet er eine silbrig glänzende Luftschicht zwischen Blättern und umgebendem Wasser. Dieser Salvinia-Effekt führt zu weniger Strömungswiderstand – und könnte zudem auch den Fäulnisbewuchs an Stahlwänden verringern.

Anwendung: Entsprechende Oberflächen für die Außenhaut von Schiffen werden derzeit auch an der Hochschule Bremen erprobt. Prototypen existieren bereits.

3 Von der Kieselalge zur Karosserie

Problem: Ob Flügel in der Luftfahrt oder Karosserien im Automobilbau – das Streben nach immer leichteren Materialien liegt im Trend. Angesichts knapper Ressourcen zählt meist jedes Gramm, wenn es um Transportkosten von Produkten, Energiebedarf, CO2-Ausstoß oder Montageaufwand geht.

Lösung: Die mikroskopisch kleine Kieselalge hat daher vor einiger Zeit die Aufmerksamkeit der Forscher des Bremerhavener Alfred-Wegener-Instituts geweckt. Der Grund: Millionen Jahre Evolution haben sie besonders leicht und stabil gemacht. So schützt sich die Alge mit ihrem Exoskelett vor Fressfeinden, ohne dass das Gewicht dieser Rüstung sie auf den Meeresgrund sinken lässt. "Wir haben über 10.000 verschiedene Arten, die alle fantastische Leichtbaukonstruktionen sind", sagt AWI-Biologe Christian Hamm. Im Vergleich dazu seien heutige technische Leichtbaulösungen eher einfach und ineffektiv.

Anwendung: Im vom AWI ausgegründeten Start-Up "ELISE" wird das Bauprinzip der Kieselalge inzwischen mit einer speziellen Software auf zahlreiche Industrieprodukte wie beispielsweise Fahrzeugrahmen von Cabrios angewendet, die 75 Prozent leichter als konventionelle Bauteile sind. Ihre bionischen Erkenntnisse haben die Forscher auch schon auf Fahrradrahmen und Flugzeugteile übertragen.

4 Von der Springspinne zur klebstofflosen Haftung

Springspinne (Evarcha arcuata) auf einem Blatt sitzend.
Klein aber oho: die Springspinne Evarca arcuata. Bild: DPA | Blickwinkel/H. Bellmann

Problem: Statt zu schweißen oder zu löten, wird auch in der Industrie immer häufiger geklebt – zum Beispiel im Automobilbau. Dieses Fertigungsverfahren stößt jedoch an Grenzen. Dies gilt etwa für die langfristige Belastbarkeit des Klebstoffes im Hinblick auf chemische Prozesse oder Hitze. Kleberückstände müssen darüber hinaus entsorgt werden.

Lösung: Die Natur zeigt, wie es auch anders geht. So kommen viele Spinnen ohne ein Haftsekret aus. Stattdessen klettern sie mittels kleinster lappenartiger, von Härchen überzogener Strukturen an Pflanzen, Wänden und Fenstern hinauf. Die Springspinne Evarca arcuata schafft es so, das 173-fache ihres Gewichts zu kompensieren. Auf technische Systeme übertragen wären dies rund 24 Tonnen pro Quadratmeter – klebstofffrei, reversibel und unabhängig von der Oberfläche.

Anwendung: An der Hochschule Bremen wird ebenfalls an entsprechenden Haftanwendungen geforscht. Diese könnten großen Einfluss auf die industrielle Fertigung der Zukunft haben.

5 Von der Alge zur Nierensteinentfernung

Problem: Rund 150.000 Menschen werden jährlich per Endoskop Nierensteine entfernt. Dabei zertrümmern Ärzte die mehrere Millimeter großen Steine mit Stoßwellen, Lasern oder Ultraschall. Meist können die Trümmer danach direkt entfernt werden. Manchmal bleiben jedoch kleine Fragmente zurück. Aus ihnen können neue Nierensteine entstehen.

Lösung: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen haben daher eine von der Biologie inspirierte Klebsubstanz entwickelt. "Die Substanzen, die wir hier verwenden, die könnte man auch essen", sagt der Biologe Ingo Grunwald. Bedient haben sich die Forscher unter anderem bei Grün- und Braunalgen. Denn diese produzieren Sekrete, die auch unter Wasser kleben.

Anwendung: Das von den Bremer Fraunhofer-Forschern entwickelte Gel ist inzwischen fähig, die Steinfragmente so miteinander zu verkleben, dass Fachärzte sie gebündelt mit einer klitzekleinen Drahtschlinge entfernen können. Die Zulassung zur Marktreife läuft. In einem Jahr könnte es den Forschern zufolge so weit sein.

6 Von der Krabbe zum rotierenden Roboter

Die Unterwasserroboter "Dragon" (r) und "Avalon" fahren im neuen Testbecken des Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) in Bremen.
Künstliche Intelligenz, die sogar schwimmen kann: Der Unterwasserroboter vom DFKI. Bild: DPA | Carmen Jaspersen

Problem: Ein Sturz in Rückenlage an Land ist nicht nur für Tiere, sondern auch für Objekte eine Herausforderung. Unter Wasser sind die Bedingungen aufgrund der höheren Dichte für einen solchen Sturz noch einmal ganz andere. Ein Problem ist dies vor allem für Unterwasserroboter, wie sie beispielsweise das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen entwickelt. So müssen Unterwasserroboter ihre Lage stabilisieren, rotieren und ihre Ausrichtung so anpassen können, dass sie nicht verkehrt herum auf dem Meeresboden landen.

Lösung: Es gibt eine Reihe von Unterwassertieren, die dafür mit ihren Lagekorrektur-Mechanismen den Ideenpool liefern, die Bremer Forscher nutzen. So widmet sich beispielsweise die Hochschule Bremen der Untersuchung unterschiedlicher Wasserbewohner wie Krabben, Krebse und Schlangensterne, die unterschiedliche Strategien nutzen, um im Wasser stets auf den Füßen zu landen.

Anwendung: Diese Forschungen dienen als Grundlage zur Entwicklung von Stabilisierungs- und Rotationsmechanismen, die sich später auch in Unterwasser-Robotiksystemen wiederfinden.

7 Von der Schabe zur Mars-Landung

Problem: Bei Flügen zum Mond, zu Asteroiden oder zum Mars, sind autonome Landesysteme das A und O. Versagt die Hauptbremseinheit, droht ein Totalverlust. Für aufwendige Back-up-Bremssysteme, die Gewicht und Energieverbrauch erhöhen würden, ist jedoch kaum Platz.

Lösung: Auch hier ist die Natur Vorbild. Um kontrollierte Abstürze und gezielte Landemanöver aus größerer Höhe zu überstehen, hat die Evolution die Männchen der Argentinischen Waldschabe nicht nur mit einem robusten Exoskelett, sondern zusätzlich mit Flügeln versehen. Eine Technik, die an der Hochschule Bremen intensiv erforscht wird.

Anwendung: Im Auftrag der European Space Agency haben die Bionik-Forscher unter anderem mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Bewegungen, Flugbahn und Verzögerungsstrategien der Insekten ermittelt. Der Vorteil des Schaben-Modells: Es zeichnet sich durch einfache, robuste und leichte Steuereinheiten aus, die auch mit wenigen oder gestörten Sensorsignalen funktionieren können. Dies könnte für zukünftige extraterrestrische Einsatzbereiche bedeutsam sein – zum Beispiel die Landung autonomer Systeme auf dem Mars, an deren Entwicklung auch andere Bremer Unternehmen und Insitute beteiligt sind.

8 Von der Falkennase zur Turbine

Nahaufnahme des Kopfs eines Wanderfalken.
Wie atmet ein Wanderfalke eigentlich im Sturzflug? Bild: DPA | Horst Jegen/Imagebroker

Problem: Was für Schiffe oder Flugzeuge die Umströmung ist, das ist für Leitungs- und Klimasysteme die Durchströmung. Dabei gilt: Umso geringer der Widerstand, desto besser. Denn weniger Reibung spart Energie und Kosten. Allerdings kann die Umströmung beispielsweise von Schiffsrümpfen leichter gemessen und berechnet werden als Rohrsysteme oder Turbinen.

Lösung: Auch hier können die von der Evolution hervorgebrachten natürlichen Vorbilder helfen. So interpretieren Forscher beispielsweise eine knöcherne Struktur im Nasenloch des Falken als Hilfsmittel für dessen Atmung im Sturzflug. Erste Untersuchungen, etwa durch Bionik-Forscher an der Hochschule Bremen, liefern Hinweise auf eine Reduktion der Druckschwankungen im Luftstrom, was dem Vogel beim Atmen helfen kann.

Anwendung: Die beim Falken entdeckten strömungsberuhigenden Strukturen dienen möglicherweise auch als Vorbild für technische Anlagen. So könnte ein Aufschaukeln von Eigenfrequenzen vermieden und der Energiebedarf für das Durchleiten von flüssigen oder gasförmigen Fluiden gesenkt werden. "Ein Anwendungsszenario könnten Turbinen sein", sagt Antonia Kesel vom Bionik-Innovations-Centrum der Hochschule Bremen.

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  • Kristian Klooß

Dieses Thema im Programm: buten un binnen, 26. April 2019, 19:30 Uhr