Bionik: Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler PDF
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Werner Nachtigall Bionik- Grundlagen undBeispielefürIngenieure und Naturwissenschaftler Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Werner Nachtigall - - l o n l Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler 2. Auflage Mit 440 Abbildungen Springer prof. Dr. Werner Nachtigall Naturwissenschaftlich Technische Fakultät III Fachrichtung 8.4 Universität des Saarlandes Postfach 15 11 50 66041 Saarbrücken [email protected] ISBN 978-3-642-62399-8 ISBN 978-3-642-18996-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-18996-8 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Nachtigall, Werner: Bionik: Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler I Werner Nachtigall. - 2., voUst. neu bearb. Aufl .. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Tokio: Springer, 2002 ISBN 978-3-642-62399-8 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk sendung, der MikroverfUfmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Verviel faltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. Sep tember 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimungen des Urheberrechtsgesetzes. http://www.springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1998,2002 Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 2002 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Herstellung: Renale Albers Satz: PTP-Berlin, Berlin Einbandgestaltung: deblik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10865135 62/3020 ra - 5 4 3 210 Vorwort Die erste Auflage war so rasch vergriffen, dass einige unveränderte Nachdrucke nötig waren.In derZwischenzeithatsich die Bionikvielfältigweiterentwickelt.Eine gründliche undvollständigeÜberarbeitungundeinedeutlicheErweiterungschiengeraten.Diezwei te Auflage wurde deshalb gleich vollständig neu geschrieben. Dabei hat sich allerdings gezeigt,dass eine Reihe allgemeiner Kapitel wie auch grundlegender Beispiele, die für die ersteAuflageausgearbeitetwordensind,Bestandhaben.Manhatmirversichert,dass sie die charakteristischeAnsatzweise und typischen Beispiele aus den Themenfeldern derBioniknachwie vor repräsentieren.Deshalbwurden solcheAbschnittebeibehalten, allerdingsgründlich durchgesehen,von Satz- undSachfehlernbereinigt,häufiggekürzt, teils auchergänztunderweitert. DasBionik-Lehrbuchunddas Bionik-Netzwerk Die ersteAuflage dieses Buchs war der Starter für eine Kettenreaktion,die zur Grün dung eines Bionik-Kompetenznetzes durch das BMBF geführt hat,bisher unter Beteili gungderUniversitätenSaarbrücken,Berlin,Karlsruhe,Bonn,IlmenauundMünster.Diese zweite Auflage kann man nun bereits als eine Berichtspublikation dieses Netzwerks betrachten,denn sie hat von der Datensammlung,die wir in Saarbrückenals Basis für dasNetzwerkaufgebauthaben,profitiert. Das Kompetenznetz hat sich auf eine allgemeine Einteilung des Gesamtgebiets der Bionikgeeinigt,die sich aus der Gliederungder ersteAuflage weiterentwickelthat.Die somit"standardisierte" undzukunftssichereGliederung, in diesich nun alle Teilgebiete derBionikeinordnenlassen,findetsich in derneuenGliederungdieserAuflagewieder. Die ZahlderausgearbeitetenBeispielewurdeverdoppelt,so dasssichjetztfürfastjeden Hauptabschnitt zehn Unterabschnitte finden. Der jeweils letzte Unterabschnitt enthält manchmal,in Kurzform,weiterführende neue und neuesteEntwicklungen. DerVerfasser hofft, dass ihm aufdiese Weise eine Art Spagat geglückt ist zwischen einer allgemeinen Einführung mit Herausarbeitung der grundlegenden Gedanken, SichtweisenundBeispieleundeinerspeziellenDarstellung,welchedie derzeitwichtigen unddie in derZukunft möglicherweise besondersbedeutsamenAnsätzeenthält. EigenständigeGebiete Wiebereitsin dererstenAuflagedargestelltgibtes eineReihevonGebieten,die - folgt man den allgemeinen Definitionen - zur Bionik gerechnet werden müssen, die sich aber als eigenständige und abgrenzbare Gebiete entwickelt und mit einem eigenen methodischenInstrumentariumabgegrenzthaben.DazuzähltvorallemdieNeurobionik, die Prothetik, die Biomedizinische Technik,in gewisser Weiseauch schon die Robotik; auf denWegdahinist dieSensorik. Da darüberbereitseineausführlicheundeigenständige Literaturexistiert,sind diese Teilgebiete im vorliegenden Buchjeweils zwarals bionik- VI Vorwort zugehörigangesprochen und mit einem oder wenigen typischen Beispielen eingeord net,abernichtexplizitundschongarnichtvergleichenddargestellt. Danksagungen Einem Autor kann nichtsbesseres passieren,als wenn seine Bücher sehrkritisch gele senwerden.InsbesondereSaarbrückerStudentenderTechnischenBiologieundBionik, diesichdamitaufein Teilexamenvorbereitethaben,verdankeich bzgl. Druckfehlerund Schwachstellen Hinweise, die ich für diese Auflage berücksichtigen konnte. Ich danke allen,insbesondereFrauVeronikaSzentpeteryundFrauConstanceHofstötter.Hinweise verdankeich auch Herrn Dr.A.Krebs undselbstredendall den Kollegen,derenArbei ten ich geschilderthabe unddiesichzumgrößerenTeile der Mühe unterzogenhaben, meine Ausarbeitungen kritisch durchzusehen.Wenn die einigermaßen mühsame Ar beit des Sichtens, Exzerpierens, Kurzfassens und vergleichenden Darstellens dadurch erleichtertwird,dassZitateundAbbildungenübernommenwerdendürfen(so etwavon U.Küppers), dass bereits vorformulierte Kurzfassungen zur Verfügung gestellt werden (so etwa von Th.Stieglitz) oder dass gar ein kapitelweiser Nachdruckgenehmigt wird (so etwavonI.Rechenberg,s.1.Aufl.),so ist derAutordarübernatürlichallesandereals unglücklich. FürdieseAuflagewarein vollständigerNeusatz mitsehrstarkerErweiterungnötig, was die Verlagskosten erhöht.Dem Verlag, insbesondere dem Betreuer dieses Buchs, HerrnDr.D.Merkle,dankeichfürseinVerständnisundfürdie ZustimmungzumUmfang der Neubearbeitung.DenInhabernder Bildrechtevon Fremdabbildungendanke ich für die Abdruckgenehmigungen. Die Ausarbeitung der Abbildungen und die Mühe der Schreibarbeiten haben in bewährterWeise wiederFrauAngelikaGardeziundFrauIrmtraudSteinübernommen, das Vor-Layout Herr Dr.Alfred Wisser, der für die Endphase des Buchs auch das Pro jektmanagementübernommenhat.Ihnengilt meinbesondersherzlicherDank,dennnur mit ihrer Hilfe war es möglich,dem Gebiet der Bionik eine angemessene Breitenwir kungin der Öffentlichkeitzu geben. Schließlichdankeich demSekretärunsererGesellschaftfürTechnischeBiologieund Bionik, Herrn Knut Braun. Die Internet-Recherchen, Korrespondenzen und Daten sammlungen zum Gesamtgebiet Bionik, die er bisher ehrenamtlich durchgeführt hat und nun als Mitglied des Bionik-Netzwerksweiterausbaut,haben mir beiso mancher zeitaufwendigenDatenbeschaffungweitergeholfen. Saarbrücken, im Frühjahr2002 WernerNachtigall Vorwort zur1.Auflage Wie kamdieses Buch zustande,undwas hatsichderAutorbeiseinerAbfassungvorge stellt? PopuläreDarstellungen Bionik- LernenvonderNaturfürdie Technik:UnterdiesemGrundgedankenist inden letztenJahreneineReihevon Büchern erschienen.Die meistenallerdingswaren popu lärwissenschaftlich orientiert, und der kleine Rest war sachspezifisch auf bestimmte Themenausgerichtet. Allgemeinverständliche Zusammenfassungen im Sinne einer"Öffentlichen Wissen schaft"soll man nicht unterschätzen.Sie sind sehrwichtig zur Information des nicht fachlichen (steuerzahlenden) Publikums und helfen, die Akzeptanz eines neuen For schungsgebiets in der Öffentlichkeitherzustellen.DerVerfasserdieses Bucheshatdenn auchkräftigversucht,seinenTeilzu dieserFacettebeizutragen. DokumentationvonEntwicklungundForschungsansätzen In der Zwischenzeit ist Technische Biologie und Bionik als anerkanntes Forschungsge biete etabliert;esgibtAusbildungsrichtungenan Universitäten undvielfältigeKontakte derForschungmitIndustrieundWirtschaft.Esistnunan derZeit,eineZusammenschau vorzulegen oder, wenn man so will, eine Art Lehrbuch zu verfassen, das dieses For schungsgebietdokumentiert.Diesem Ziel soll das vorliegende Buch miteinerallgemei nen DarstellungundmiteinerAuswahldetailliertausgearbeiteterFallbeispieledienen. Die Auswahl der Beispiele ist,wie könnte es anders sein,in gewisserWeise subjektiv, doch habe ich versucht, wichtige, teils bereits "klassische" Entwicklungen ebenso zu berücksichtigenwie derzeitbearbeitetezukunftsweisendeProjekte.Aus derSummedie ser Einzeldarstellungen magsich ergeben,daß Bionikbereits ein integriertesWerkzeug für technischeEntwicklungen ist. Bionik-Design Ähnlich wie im technischen Bereichkann manauchvon einerArt"Design" eines bio logischen Wesens sprechen.Bionik-Design im Sinne von innerer und äußererfunktio neller Formgestaltung stellt einen spezifischen Aspekt bionischen Arbeitens dar, über den ich im selbenVerlagbereitsin Buchformberichtethabe:"VorbildNatur- BIONIK Design für funktionelles Gestalten" (1997). überwindungderSprachbarrieren Die bisherigeAusbildungliefsowohl in Technikwie Biologie rein zielgerichtet ab.Der Blick überdenZaunist Einzelnenüberlassenworden;Querbeziehungenwurdenin der VIII Vorwortzur 1.Auflage Problemkreis Schwimmen @ Abb.1 Hemmnissebei derUm setzungbiologischerForschung ~ in Technologien sind Differen zen inSpracheundBlickwinkel, historische Bedingungen und Komplexität.Wenn esbeispiels weise um das Schwimmengeht, denken BiologenundIngenieu TechnischeBiologie reanunterschiedlichesundspre Bionik chen unterschiedlich darüber. Bionik kann helfen, eine ge Querverbindungen meinsameBasiszu finden. (Nach Blickhan1992, ergänzt) Lehre nur in seltenen Ausnahmefällen eingebracht. Somit sprachen und sprechen im allgemeinen auch heute noch Ingenieur und Biologe unterschiedliche Sprachen, wenn sievoneinunddemselbenPhänomenberichten.EinermeinerfrüherenMitarbeiterhat das in seinerHabilitationsschriftsehrdrastisch dargestellt (Abb. 1). Das Buch sollauch dazubeitragen,diese Sprachbarrieren zu überwinden.Biologen sollten lernen,das kleine Einmaleins der Technik zu praktizieren (das große ist Inge nieurssache),damit Techniker und Ingenieure überhaupt die Bereitschaft zeigen, mit ihnenzu reden.Unddie Vertreterdertechnischorientierten Fächersolltenlernen,daß die Biologie nicht trivial ist, auch wenn ihre Sprache manchmal (im morphologischen Bereich) einfach erscheint, daß die Crux in der Komplexheit des Einzelfalls und der ungeheuren Vielfalt der natürlichen Lösungsansätze steckt, eine Crux, die allerdings rasch in ein geradezufaszinierendes Anregungspotential umschlagen kann,wenn man sichnureinwenigeindenktodermitBiologenunterhält. ÜberwindungvonAbgrenzungen Seitdemwir,vorwenigenJahren,in SaarbrückendenStudiengang"TechnischeBiologie undBionik"für Biologeneingeführthabenundauch(in reduzierterForm) als Neben fach für Technikeranbieten,beginnt sichdas wenigstens im kleinen Bereich,den man selbstbeeinflussenkann,zu ändern. DieAusbildungsrichtung"TechnischeBiologieundBionik"kanndeshalbalsgerade zu idealesBindemitteldienen,dasBiologie und Technik in derBlickrichtungderjungen Naturwissenschaftler und Techniker vernetzt. Wir kommen daran nicht mehr vorbei, und es ist auch kein Grund mehrvorhanden,die klassischen Grenzen der Disziplin so starr aufrechtzuerhalten. Es ist freilich nicht nur bei der Bionik so: was weiterführt, geschiehtheuteim wesentlichenim quirligen Grenzgebietzwischen allen nurmöglichen Disziplinen.Manbesinntsichimmermehrdarauf,daßsichalleWissenschaftmiteinem einzigen,großen Kontinuum abgibt und daß man pragmatische Grenzen, wie sie für Studiumund Berufja nunsichernötigsind,nichtüberstrapazierensoll. Es ist mirein Anliegen,mitdiesem BuchaucheinenBeitragzurIntegration zu leis ten. Bionik ist selbst in dieser Hinsicht ein machtvolles Werkzeug. Man muß es nur anwenden undin die AusbildungderjungenIngenieure undBiologeneinbauen. Vorwortzur 1.Auflage IX Ein holländischerKollege,von dessenAnsätzenich in Abschnitt8.8berichte,fordert dennauchunumwunden:"Bionicsoughtto bean obligatorysubjectin highertechnical education", Bearbeitungsaspekte Die Beispielauswahl für die einzelnenUnterkapitelhabe ich imWesentlichen nachfol genden Kriterien getroffen: - ÜbertragungBiologie--Techniknachgewiesen - HohesÜbertragungspotentialgegeben - Klassisches,für die Entwicklungder Bionikwichtiges Beispiel Wo Vorarbeiten vorhanden waren - z.B.die von mir herausgegebenen oder mit her ausgegebenen Berichte zu den drei Bionik-Kongressen1992,1994,1996 unserer Gesell schaftfürTechnischeBiologieundBionik- habeich zurVereinfachungdes immensen Bearbeitungsumfangs darauf zurückgegriffen. Textliche und vor allem bildliehe Ver fügbarkeit,die im unmittelbarenBereichnatürlichamehestengegebenist,warein wei teresAuswahlkriterium.Dabeihabeich aberversucht,allewesentlichenFacettenderBio nikausgewogenzuberücksichtigen.DochgibtesfürjedenAspektunterschiedlichviele und unterschiedlichweitgedieheneAnsätze.Manchmalkann man den Erfolgdes Bio nik-Gedankens gut dokumentieren, vom biologischen Vorbild zum Patent. Manchmal habendie BeispielemehrAufforderungscharakterfür technische Übertragung. Inhalt DefinitionenundGliederungen ................................... 3 1.1 Definitionen . 3 1.1.1 Grunddefinition Bionik . 3 1.1.2 ErweiterteDefinition . 3 1.1.3 Eine Abgrenzung . 3 1.2 Zum Bionik-Begriff . 4 1.2.1 Begriffsbildung . 4 1.2.2 Begriffskennzeichnung . 4 1.2.3 Herkunft desBegriffs"Bionik (bionics)" . 5 1.2.4 TechnischeBiologie und Bionikals Antipoden . 7 1.2.5 TechnischeBiologieund Bionik als integrativeDisziplinen mitsich ergänzenden Aufgabenstellungen . 7 1.2.6 Wurzeln undVorgehensweisender technisch-biologisch/bionischen Strategie . 8 1.2.7 Bionik alsAnalogieforschung . 9 1.2.8 Bionik als Kreativitätstraining . 9 1.2.9 Bionik- was also ist das? . 10 1.3 Teilgebiete der Bionik . 10 Literatur . 15 2 PersonenundOrganisationen 19 2.1 Allgemeines . 19 2.2 Das Bionik-KompetenznetzBioKoN . 19 2.3 Gesellschaften und sonstige Zusammenschlüsse . 20 3 PublikationenundÖffentlichkeitsarbeit . 25 3.1 Bücher . 25 3.2 Zeitschriftenartikel . 27 3.3 Ausstellungen . 30 3.4 Messen und Zentren . 30 3.5 Film und Fernsehen . 31 3.6 Wettbewerbe und Preise . 31 3.7 Werbung . 31 4 FachstudiumundFachtagungen . 35 4.1 Bionik-Studiengänge . 35 4.2 Tagungen und Kongresse . 35
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