Bionik. Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaft GERMAN

595 Pages·2004·13.43 MB·German

by  Torsten Rossmann

TorstenRossmann
CameronTropea
Bionik
Torsten Rossmann · Cameron Tropea
Bionik
Aktuelle Forschungsergebnisse
inNatur-,Ingenieur-undGeisteswissenschaft
Mit312Abbildungen
123
Dr.TorstenRossmann
e-mail:[email protected]
ProfessorDr.-Ing.CameronTropea
e-mail:[email protected]
Biotechnik-ZentrumDarmstadt
TechnischeUniversitätDarmstadt
Petersenstr.30
64287Darmstadt
BibliografischeInformationderDeutschenBibliothek
DieDeutscheBibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.ddb.deabrufbar.
ISBN3-540-21890-4 SpringerBerlinHeidelbergNewYork
DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderedie
derÜbersetzung,desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,
derFunksendung,derMikroverfilmungoderderVervielfältigungaufanderenWegenundder
SpeicherunginDatenverarbeitungsanlagen,bleiben,auchbeinurauszugsweiserVerwertung,
vorbehalten.EineVervielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchim
EinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichenBestimmungendesUrheberrechtsgesetzesder
BundesrepublikDeutschlandvom9.September1965inderjeweilsgeltendenFassungzulässig.Sie
istgrundsätzlichvergütungspflichtig.ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungen
desUrheberrechtsgesetzes.
SpringeristeinUnternehmenvonSpringerScience+BusinessMedia
springer.de
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2005
PrintedinGermany
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesem
WerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,daßsolcheNamen
imSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenund
dahervonjedermannbenutztwerdendürften.
SollteindiesemWerkdirektoderindirektaufGesetze,VorschriftenoderRichtlinien(z.B.DIN,
VDI,VDE)Bezuggenommenoderausihnenzitiertwordensein,sokannderVerlagkeineGewähr
fürdieRichtigkeit,VollständigkeitoderAktualitätübernehmen.Esempfiehltsich,gegebenenfalls
fürdieeigenenArbeitendievollständigenVorschriftenoderRichtlinieninderjeweilsgültigen
Fassunghinzuziehen.
Satz:ReproduktionsfertigeVorlagevomAutor
Herstellung:LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig
Einbandgestaltung:medionetAG,Berlin
GedrucktaufsäurefreiemPapier 7/3141YL-543210
Für die beiden „Lokomotiven“ der Bionik
Werner Nachtigall
Ingo Rechenberg
und
Werner Himstedt
Wegbereiter des Biotechnik-Zentrums (BitZ)
Vorwort der Herausgeber
Dieses Buch ist das Resultat dreier Staffeln einer Ringvorlesung mit dem
Titel Bionik – Biologisch-Technische Systeme aus den Jahren 2002 bis
2004 an der Technischen Universität Darmstadt. Neununddreißig Kollegen
hatten sich finden lassen, ihre ureigensten Forschungsergebnisse aus den
Feldern Bionik, Biomedizintechnik und Biomechanik für ein studentisches
und öffentliches Publikum vorzutragen. Die meisten dieser Dozenten sind
von der TU Darmstadt, was uns als Verantwortliche im Rückblick zeigt,
wie qualitativ und quantitativ reich dieser Standort an biotechnischer For-
schung und Lehre ist.
Die Vorlesungsreihe war bewusst weiter gefasst, so dass Philosophen
und Naturwissenschaftler, Mediziner und Ingenieure deren Ergebnisse vor-
tragen konnten. Der Schrei nach Interdisziplinarität bekam so seinen Aus-
druck, wenngleich das Aufeinanderzugehen, das Verstehenwollen und die
gegenseitige Akzeptanz sowohl auf Dozenten- als auch von Publikumssei-
te ein Reifeprozess war und ist.
Die Breite der vorgetragenen Themen spiegelt sich in diesem Buch wi-
der. Uns ist bewusst, dass dies auch Widerspruch erzeugen wird. Interdis-
ziplinäre Forschung war immer schon dem Vorwurf ausgesetzt „weder
Fisch noch Fleisch“ zu sein. Und selbst unter den Interdisziplinären par
excellance – den Bionikern – gibt es stramme Engdenker, die bedenkenlos
biomedizinische und biomechanische Forschungen von einem bionischen
Kernfeld wegstreichen würden. Doch wollen wir hierzu ein Gegengewicht
setzen. Wir vereinigen die Wissenschaften Bionik, Biomedizintechnik und
Biomechanik zu einem überlappenden Dreiklang. Dieser ist unserer Erfah-
rung nach harmonisch und wird überschreiben mit dem Begriff Biotech-
nik. Warum Biotechnik? Das Wort ist zurückzuführen auf den Botaniker
Raoul Francé, der mit diesem Begriff das beschrieb, was wir heute als Bio-
nik bezeichnen. So war es gerade dieser Francé, der auf Grundlage seiner
Untersuchungen an den Kapseln der Mohnblume das erste bionische Pa-
tent für seinen „Gewürzstreuer“ erhielt. Werner Nachtigall hat den Begriff
Biotechnik in den 1970er Jahren aufgegriffen um der technischen Betrach-
tung der Biologie einen Namen zu geben. Letztlich hat eine andere große
Richtung der Biowissenschaften, nämlich die molekularbiologisch orien-
tierte Biotechnologie diesen Begriff quasi okkupiert, unserer Ansicht nach
zu Unrecht. Biotechnik ist und bleibt eine Symbiose von Natur, Mensch
und Technik. Wir definieren die Bestandteile wie folgt:
− Bionik = von der Natur lernen um die Technik zu verbessern
− Biomechanik = die Natur erklären mit Hilfe der Technik
viii Vorwort der Herausgeber
− Biomedizintechnik = der Natur/ den Menschen mit Hilfe der Technik
auf die Sprünge zu helfen.
Wir wünschen uns, dass dieses Buch dazu beiträgt, die Diskussion um die
Notwendigkeit interdisziplinärer Zusammenarbeit zu verstärken. Insbe-
sondere ermuntern wir Unternehmer und Industrievertreter, Entwickler
und Manager sowie Politiker genauer hinzuschauen, was es mit diesem
Dreiklang auf sich hat. Das Potential zukünftiger Entwicklungen ist riesig;
wir dürfen uns nicht scheuen unkonventionelle Wege zu gehen und diese
„Ideen-Schätze“ zu bergen. Die Früchte dieses Vorgehens sieht man in
Darmstadt in den Aktivitäten des Biotechnik-Zentrums (BitZ, www.tu-
darmstadt.de/bitz) genauso wie in dem nationalen Verbund BioKon
(www.bionik.tu-berlin.de/kompetenznetz/). Der Erfolg, belegbar durch
die große Anzahl laufender Forschungsprojekte, bestätigt unsere Vision
von der Zukunftsfähigkeit dieser Verbindung zwischen den Wissenschaf-
ten und damit von Natur und Technik.
Eine Vielzahl von Personen hat am Gelingen dieses Buches beigetragen.
Zuoberst natürlich alle Autoren, die in so mancher Nachtstunde sicherlich
leise Flüche ausgestoßen haben obgleich des sanften Drucks den wir aus-
geübt haben. Martin Zeuch (BitZ) hat sich aufgeopfert beim Redigieren.
Das Präsidium der TU Darmstadt um Prof. Dr. Johann-Dietrich Wörner,
Prof. Dr. Johannes Buchmann und Prof. Dr. Hanns Seidler sowie der Senat
der TU Darmstadt haben durch deren „Ja“ zum Forschungsschwerpunkt
Biotechnik das Ganze zum Laufen gebracht. Das Zentrum für Interdiszi-
plinäre Technikforschung (ZIT) der TU Darmstadt ermöglichte durch des-
sen Unterstützung die Ringvorlesungsreihe und den „großen“ interdis-
ziplinären Dialog. Wir möchten an dieser Stelle auch den TU-Bediensteten
im Bereich der Verwaltung und des Hausmeisterdienstes danken, die für
das Gelingen der Ringvorlesungsreihe und deren reibungslosen Ablauf
über die drei Semester hinweg gesorgt haben. Prof. Werner Himstedt hat
lange Jahre das Werden und Gedeihen des BitZ mitgestaltet.
Wir danken dem Springer-Verlag, insbesondere Frau Hestermann-
Beyerle, Frau Lempe und Frau Maas, durch deren Mithilfe das Werk in
„trockene Buchdeckel“ gelegt werden konnte. Den Kollegen von BioKon
sowie dem BMBF (Dr. Heidborn, K. Wollin) und dessen Projektträger
DLR (Dr. J. Hansen, O. Krause, M. Schulte) sei für deren Unterstützung
herzlich gedankt.
Zuguterletzt ein tiefer Knicks vor unseren Ehefrauen, die uns in den
letzten Jahren seltener gesehen haben als so mancher Kollege. Ohne deren
Verständnis und liebevolles Tragen wären wir heute noch nicht so weit,
wie wir sind.
Herbst 2004 T. Rossmann, C. Tropea
Vorwort von Prof. Werner Nachtigall
BIONIK – der Begriff, zusammengesetzt aus BIOlogie und TechNIK, be-
deutet, etwas salopp ausgedrückt, Lernen von der Natur für die Technik.
Ich bin der Meinung, dass dies nur eine Seite der Medaille ist. Bevor man
Daten aus der Natur in die Technik übertragen kann, muss man die Natur
erst einmal erforscht haben. Diese Arbeitsrichtung nenne ich Technische
Biologie. Die beiden Begriffe, man kann auch sagen Unterdisziplinen, bil-
den eine Einheit. Schon Max Planck hat gesagt: „Dem Anwenden muss
das Erkennen vorausgehen“. Der Wirtschaftler, Politiker, Industrielle
schätzt insbesondere diese Facette der Bionik. Sie führt über Auftragsfor-
schung direkt in die Anwendung. Der Grundlagenforscher weist mehr auf
die Basiswissenschaft der Technischen Biologie hin: Natur erkennen, ge-
sehen aus dem Blickwinkel der Physikalischen- und Ingenieurwissenschaf-
ten. Auffüllen eines Datenreservoirs, aus dem sich die bionische Übertra-
gung bedienen kann. Das Geheimnis des Erfolgs liegt in einem sensiblen
Abgleich beider Aspekte.
Vor dem Krieg waren beispielsweise Francé und Gießler Vertreter die-
ses gekoppelten Denk- und Forschungsansatzes, nach dem Krieg Hertel
und Helmcke. Als Vertreter der jüngeren Generation beispielsweise Re-
chenberg in Berlin und wir in Saarbrücken.
Erst 1993 gab es einen Anschub von außen, als der VDI Bionik als Zu-
kunftstechnologie einstufte und auf einer Düsseldorfer Tagung die folgen-
de Definition erarbeitete: „Bionik als Wissenschaftsdisziplin befasst sich
systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Kon-
struktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme“.
Später haben wir die Definition erweitert: „Bionik betreiben bedeutet Ler-
nen von den Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien der
Natur für eine positivere Vernetzung von Mensch, Umwelt und Technik“.
In dem Begriff „Lernen“ ist dann auch die Technische Biologie wohl ver-
ankert.
Als Hansen, ausgehend von der Gliederung und Darstellung in der 1.
Auflage meines Bionik-Lehrbuchs, die entscheidenden Weichen für das
Bionik-Kompetenznetz BioKon stellte, war die Startgruppe mit den Ver-
tretern von 6 Universitäten noch relativ klein. Nun, zu Beginn des 2. Be-
willigungszeitraums für das BioKon, umfasst sie bereits nicht weniger als
18 Arbeitsgruppen an 15 Standorten in der Bundesrepublik Deutschland.
Einer der neuen Standorte ist Darmstadt, ein anderer Aachen.
Bionik bedeutet ja immer Zusammenarbeit zwischen Biologie und
Technik. Die Initiativen können durchaus von der einen oder von der ande-
x Vorwort von Prof. Werner Nachtigall
ren Seite ausgehen. Während in Aachen insbesondere Biologen die Sache
ins Laufen gebracht haben, kam der Anstoß in Darmstadt insbesondere mit
Herrn Tropea aus der Strömungsmechanik, also aus einem Bereich der
Technischen Physik. In erstaunlich kurzer Zeit hat sich eine beachtliche in-
terdisziplinäre Zusammenarbeit und ein durchgehend positiv vernetztes
Lehrkonzept herausgebildet. Man kann zwar hier nicht Bionik als Fach
studieren – das gibt es bisher nur an der Fachhochschule Bremen -, aber
doch „Bionik mit seinem Fach“. Insbesondere aus der Kooperation im
Lehrbetrieb hat sich das vorliegende Buch entwickelt.
Das Buch fasst, natürlich fach- und ortsbezogen, wesentliche Neuent-
wicklungen zusammen, enthält eine ausgewogene Mischung von mehr
technisch und mehr bionisch orientierten Ansätzen, von Beiträgen, die eher
zusammenfassend und solchen, die eher speziell sind. Auf jeden Fall wird
dem Leser damit ein einigermaßen typischer Blick in eine momentane,
technisch biologisch/bionisch orientierte Arbeits- und Ausbildungsrichtung
gegeben.
Das Buch ist mit viel Enthusiasmus geschrieben und gestaltet worden.
Ich wünsche ihm, dass ein wenig von der Begeisterung, die zwischen den
Zeilen aufschimmert, auch auf den Leser ausstrahlt.
Saarbrücken im Sommer 2004
Prof. em. Dr. rer. nat. Werner Nachtigall
Inhalt
1. Bionik..............................................................................................1
1.1. Bionik im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereich................1
Sprachlich beschriebene Dynamik und rekurrente Fuzzy-Systeme
(J. ADAMY,R.KEMPF)......................................................................3
Adaptronik – ein technischer Ansatz zur Lösung bionischer
Aufgaben
(T. BEIN,H.HANSELKA,J.NUFFER)................................................17
Microelectronics meets Bionics
(M. GLESNER,H.WANG,T.HOLLSTEIN).........................................31
Wirbelbildung hinter schlagenden Tragflächen
(T. HUBEL,C.TROPEA)...................................................................51
Infobionik – Entwurf einer menschzentrierten Benutzerschnittstelle
(T. LIMBERGER,M.MÜHLHÄUSER).................................................63
Neurobionik – Prothetik, Biohybride und intelligente
Algorithmen
(H. LUKSCH)...................................................................................81
Animal attachments: Minute, manifold devices. Biological
variety – Basic physical mechanisms – A challenge for
biomimicking technical stickers
(W. NACHTIGALL)..........................................................................93
Bionik im Bauwesen
(S. SCHÄFER,B.BRIEGERT,S.MENZEL).......................................123
Laufbewegungen bei Roboter, Tier und Mensch: Analyse,
Modellierung, Simulation und Optimierung
(M. STELZER,O. VON STRYK).......................................................145
Ein bionisches neuronales Netz zur Periodizitätsanalyse
(K. VOUTSAS,G.LANGNER,J.ADAMY,M.OCHSE).......................159