Бионика наука изучающая строение живых существ для целей техники на немецком языке
Einführung.
Die neuen Wege, die in das kommende Zeitalter führen,
werden in der Gegenwart bereitet. Niemand weiß, ob alles genau
so sein wird, wie wir es uns heute vorstellen. Vielleicht kommt es zu anderen,
besseren Projekten und Lösungen. Natürlich kommt
immer Neues hinzu, und die Forschungsfortschritte sind so groß,
daß
noch viele Überraschungen
zu erwarten sind.
Gegenwärtig
erleben wir, wie sich aus der wechselseitigen Durchdringung von
wissenschaftlich-technischen und industriellen Fortschritten ganz neue
Wissenschaftszweige herausbilden, die vielleicht morgen schon eine umwälzende
Bedeutung haben können.
Für
manche dieser neuen Arbeitsrichtungen gibt es heute nur Probleme, Aufgaben und
Forschungsziele, die sich aus der Praxis des Lebens und der wissenschaftlichen
Entwicklung ergeben. In letzten Jahren sind solche Wissenschaftszweige, wie
Biophysik, Biochemie und andere entstanden. Eines der aussichtsreichsten
Forschungsgebiete eröffnet sich mit der Bionik.
Diese
Bezeichnung kommt vom griechischen Wort "bion"
und bedeuet soviel wie Lebenselement, das heißt: Element eines
biologischen Systems.
Als
offizielles Datum der Geburt jener "Brücke",
die Biologie und Technik verbindet und Bionik genannt wird, gilt der 13.
September 1930. An diesem Tag wurde in Dayton (USA) das erste Internationale
Symposium zu dem Thema "Lebende Prototypen für
künstliche
Systeme - der Schlüssel zur neuen Technik" eröffnet.
Aber dieser Gedanke gehörte noch Leonardo da Binci.
Bionik. Voraussetzungen und
Aufgaben.
Die
Aufgabe dieses neuen Wissenschaftszweiges besteht darin, biologische Systeme
sowie die ihnen zurgrunde liegenden Prinzipien zu erforschen und zu prüfen,
ob sich ähnliche
Lösungen
in der Technik anwenden lassen.
Die Natur ist ein besserer Ingenieur als der Mensch. Das ist kein Wunder.
Sie hat Milliarden Jahre in einem Riesenlaboratorium gearbeitet und ungezählte
Experimente angestellt. Dabei haben sich im Verlaufe der Entwicklung hochgezüchtete
Eigenschaften und Sinnesorgane von phantastischer Funktionstüchtigkeit
herausgebildet.
Techniker muß
die Natur kennen und studieren, wenn er seine eigenen Geräte
zu einer hohen Leistung bringen will oder wenn er nach neuen Prinzipien sucht.
Es ist eine Tatsache, daß in der Natur auch heute noch mehr
Patente stecken, als jemals an Erfinder vergeben wurden. Nur, man muß
sie erforschen, denn Patentschriften hat sie leider nicht angefertigt.
Diese Patentgeheimnisse stecken hinter all den Fragen, die wir selbst
stellen: Wie vermögen
sich die Vögel
im Raum zu orientieren? Wie finden sie sich auf ihrem Flug über
10.000 bis 17.000 Meter Entfernung zurecht, und wie finden sie sogar ihr altes
Nest wieder? Wie funktioniert das Organ der Fische, die sich mit einem
elektrischen Feld umgeben? Wie ist das Organ beschaffen, mit dem die
Klapperschlange auf Infrarotstrahlen reagiert und damit Wärmeunterschiede
von einem tausendstel Grad wahrnimmt ? Wie finden Schmetterlinge zueinander?
Verständigen
sich Insekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen? Wie funktionieren die
Leuchtorgane der Tiefseefische ? Woher wissen Bienen, wie spät
es ist?
Fragen über
Fragen. Von ihrer richtigen Beantwortung hängt außerordentlich
viel ab.
Die Wissenschaft hat feststellen können, daß
jeder lebende Organismus - vom Kolibri bis zum Kondor, vom einzelligen
Strahlentierchen bis zum Wal, vom winzigen Grashalm bis zur majestätischen
Kiefer - in jeder Hinsicht eine vollendete, nachahmenswerte Konstruktion
darstellt. Obwohl die Bionik erst vor kurzem ihre offizielle Anerkennung
gefunden hat, würde
es eine ganze Weile dauern, wollte man die Ergebnisse ihrer Forschungen alle
aufzählen.
So ist zum Beispiel ein Gerät entwickelt worden, das eine genaue
Nachbildung des Gehörorgans der Qualle darstellt. Mit seiner
Hilfe lassen sich Stürme um 12 bis 14 Stunden früher
voraussagen als mit einem gewöhnlichen Barometer.
Anhand eingehender Untersuchungen der Struktur des Auges der Hufeisenkrabbe
konnte die Kontrastschärte von Fernsehapparaten verbessert
werden.
Der Nilhecht beispielsweise, der sich auch einer elektrischen Orientierung
bedient, ist zu einem besonders wichtigen Studienobjekt geworden. Die Bioniker
wollen das Organ finden, mit dem er sich über das Raumbild
informiert und zwischen Isolatoren und Leitern genau zu unterscheiden vermag.
Das Nilhecht-Ortungsprinzip könnte für uns interessant
werden, da übliche
Echoanlagen zwischen einem in der Tiefe schwimmenden Wal und einem U-Boot nicht
unterscheiden können.
Andere Forscher befassen sich mit Insekten. Sie nehmen an, daß
deren Fühler
die Rolle von Antennen spielen und sie sich mit elektromagnetischen Wellen
verständigen.
Aufgefunden hat man solche Wellen allerdings noch nicht. Es heißt,
sie seien so kurz, daß wir sie noch nicht messen können.
Techniker haben errechnet, daß ein zehntausendstel Watt genügt,
um eine Strecke von über sieben Kilometern zu überbrücken.
Diese Leistung könnte
auch ein Insekt aufbringen, denn bei einer Sendezeit von anderthalb Minuten würde
es nur ein vierhuderttausendstel Gramm Fett verbrauchen. Wenn der Mensch hinter
das Geheimnis so kleiner Sende- und Empfangsanlagen käme, könnte
das eine große
praktische Bedeutung für die Informations- und
Steuerungstechnik haben.
Beim Flußkrebs
ist ein erstaunliches Gleichgewichtsorgan entdeckt worden. Es ist von außerordentlicher
Empfindlichkeit gegenüber Verlagerungen in jeder beliebigen
Richtung und gegen Vibration. Noch wissen wir nicht, wie es beschaffen ist und
wie es funktioniert. Aber wenn das geklärt ist, werden
Geräte
entstehen, mit denen die künftigen Erforscher des Erdinneren bei
ihrem Abstieg ihren Standort genau bestimmen können.
Japanische Wissenschaftler stellten fest, daß die Form
des Wals der Fortbewegung im Wasser besser dient als die messerförmige
Form der modernen Schiffe. Die Schiffsbauer, die diese Entdeckung ausnutzten,
bauten ein Schiff mit der äußeren Form eines
Wals. Das von den japanischen Konstrukteuren geschaffene Schiff ist
wirtschaftlich vorteilhafter als die anderen Schiffe, weil seine Motoren bei
gleicher Geschwindigkeit und Tragfähigkeit des Schiffs eine geringere
Leistung brauchen.
Kürzlich
wurde festgestellt, daß Ratten ein Organ besitzen, mit dem sie
auf Röntgenstrahlen
zu reagieren vermögen.
Sie sprechen bereits auf eine Dosis von nur 20 Milliröntgen,
gegeben in einer Zehntelsekunde, an ! Es ist verständlich, daß
die Bioniker diese seltene Fähigkeit mit besonderer Aufmerksamkeit
studieren, um herauszufinden, wie dieses natürliche "Strahlennachweisgerät"
funktioniert.
Die Sonnenblume besitzt die Eigenschaft, ihren Kopf ständig
der Sonne zuzuwenden. Kann man dieses "Verfolgungsprinzip"
zur Speisung der Sonnenbatterien in kosmischen Forschungslaboratorien kopieren
? Die Ingenieure beschäftigen sich damit.
Aber auch in anderer Weise lernen die Ingenieure von Naturformen. Da ist
zum Beispiel in der Sowjetunion das Modell Pinguin entwickelt worden, ein
schneegängiges
Fahrzeug, das nichts mehr mit einem Schlitten und nur noch wenig mit einem
Automobil zu tun hat. Bei seiner Konstruktion wurde das "Pinguinprinzip"
angewendet. Dieser originelle Vogel bewegt sich im lockeren Schnee, indem er
auf dem Bauch liegt und sich mit den flügelartigen
Flossen wie auf Skistöcken abstößt.
Dieses Gleitprinzip ist für das neue Fahrzeug übernommen
worden. Es liegt mit dem Boden - dem Bauch - auf der Schneefläche,
und zwei Radschaufeln stoßen es vorwärts. Es
gleitet mühelos
über
lockeren, hohen Schnee, sinkt nicht ein, ist leicht lenkbar und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit
von 50 km/h. Es übertrifft
bei weitem die motorisierten Scheefahrzeuge alter Art und wird zur Zeit mit großem
Erfolg auf unseren antarktischen Stationen verwendet.
Diese Beispiele zeigen, wie die neue Wissenschaft nicht nur zu erklären
versucht, was bisher unerklärlich war, sondern daß
sie dem Menschen und seiner Technik alles das nutzbar machen will, was die
Natur in anderen Organismen ausgebildet hat.
Die architektonische Bionik.
Die architektonische Bionik ist noch jünger. Doch auch
auf diesem Gebiet zeigt das Erreichte mit aller Deutlichkeit, welche gewaltigen
Möglichkeiten
dieser Wissenszweig in sich birgt.
Bienen- und Wespenwaben bestehen aus Zehntausenden sechseckiger Zellen, die
in parallelen Reihen angeordnet sind. Der Boden einer jeden Zelle wird aus drei
Rhombenflächen
gebildet, die eine Pyramide ergeben. Führende
Mathematiker haben wiederholt die Abmessungen der Bienenwaben mit höchster
Präzision
bestimmt und sind jedesmal zu dem gleichen Schluß
gekommen: Alle spitzen Winkel der drei Rhombenflächen haben
eine Größe
von 70°32´.
Die Wissenschaftler haben nachgewiesen, daß bei der
sechseckigen Form gerade dieses Winkelmaß das größte
Fassungsvermögen
der Wabenzelle bei geringstem Materialverbrauch ergibt.
In ihrer Jahrmillionen währenden Entwicklung haben die Bienen
gewissermaßen
"empirisch" die sparsamste und zugleich geräumigste
Gefäßform
für
die Aufbewahrung des Honigs gefunden.
Sowjetische Ingenieure haben einen wabenförmigen
Getreidespeicher entwickelt, der sich rasch und einfach bauen läßt.
Schon beim ersten solchen Wabenspeicher, der die Größe
eines 15geschossigen Hauses hat und in Kupino (in der Steppe bei Nowosibirsk)
steht, kam man mit weitaus weniger Beton aus als sonst. Dabei ist die
Konstruktion wesentlich stabiler. Bei einem noch vollkommeneren
Getreidespeicher mit Wabenkonstruktion, der in Zelinograd (Kasachstan) gebaut
wurde, wurden etwa 30 Prozent weniger Beton verbraucht als bei einem gewöhnlichen
Getreidespeicher und der Arbeitsaufwand war nur halb so groß
! Der Wabenspeicher wurde zum Typenprojekt erklärt.
In nächster
Zeit schon werden in der Rusland - Wabenform folgend - sechseckige
Verwaltungsgebäude
und Wohnhäuser
aus getypten Bauelementen montiert werden.
Siliziumneuron.
Es gibt Aufgaben, zum Beispiel, das Unterscheiden der komplizierten
visuellen Bilder, mit denen sogar Supercomputer mit Mühe fertig
werden. Für
uns existiert hier aber keine Schwierigkeit. Kurzum ist Elektronenrechner vorläufig
nicht imstande, mit einem Menschen zu wetteifern.
Das ist aber nur vorläufig. Wenn man doch ein großes
Massiv der gemeinsam arbeitenden Prozessoren nimmt, kann man eine Art der
Analoga von Neuronnetzen. Solche Systeme, die man "Neurocomputer"
nennt, sehen in vielem einem Gehirn ähnlich: erstens
unterbricht die Beschädigung einzelner Elemente die Arbeit des
ganzen Komplexes nicht; zweitens wird die Information in ihnen in keiner
einzigen Position und nicht aufeinanderfolgend aufbewahrt und bearbeitet,
sondern verteilt und parallel; drittens werden sie nicht so programmiert, wie
an Beispielen gelehrt, für die Lösung dieser oder
jener Aufgabe selbstgestimmt.
Die Neurocomputer werden natürlich die Digitalrechenmaschinen nicht
ersetzen, und nur sie in puncto des intuitiven Denkens in den Maschinen der fünften
Generation ergänzen.
Viele Fachläute,
die sich durch Neurophisiologie fortreißen lassen, schätzen
zwar die Möglichkeiten
der Neurocomputer überaus skeptisch ein: man legt ja zu
vereinfachte Vorstellungen von einem realen Neuron der Arbeit dieser
Einrichtungen zugrunde.
Die Wissenschaftler aus der Kalifornischen technologischen Hochschule und
der Universität
in Oxford, die Fertigungstechnik der Integralschaltungen benutzend, haben aber
an einem Siliziumkristall das Verhalten eines richtigen Neurons modelliert. Die
Dynamik der Prozesse, die in einer Schaltung aus Transistoren vor sich gehen,
ist denen ähnlich,
die auf der Membrane einer Nervenzelle, und auch in Synapsen zu beobachten
sind. Es wird zum Beispiel der Effekt der Gewöhnung
wiedergegeben - bei der vielfachen Einwirkung wird die Anregungsschwelle höher.
Auf einer nagelgroßen Platte kann man Hunderte von solchen
"Halbleiterneuronen" unterbringen, die auf das Millionfache höher,
als richtige funktionieren. Wahrscheinlich werden diese "Neurochips"
eine Elementarbasis der Computers der sechsten Generation. So hat man in Japan
ein nationales Programm der Bildung eines künstlichen
Neurointellektes bekanntgemacht, der wie man glaubt, der japanischen
Gesellschaft ermöglichen
wird, in einen gewissen idyllischen, "rosa" (englisch - pink) Zustand zu übergehen -
PINK Society. Die Abbreviatur PINK versteht darunter: Psychological-Intelligent-Neural-Knowledge.
Anders gesagt müssen
im Entwurf die Errungenschaften der Neurobiologie und Logik, und Psychologie,
und Sprachwissenschaft ... berücksichtigt werden.
Da zeigen sich schon die Umrisse der Maschinen der siebten Generation, wo
man Information auf einem Molekularniveau bearbeiten wird. Die Zeit, wenn
Bioniker sehr nahe an die Modellierung des Denkens herangehen werden, ist nicht
allzuweit.
Schlußfolgerung.
Wurde in der Technik der Vergangenheit das Material der Natur nur als Roh-,
Bau- und Werkstoff oder die bloße Muskelkraft der Tiere genutzt, so eröffnet
sich jetzt sogar die Möglichkeit, natürliche
Organismen in technischen Systemen zu verwenden.
Man kann sich die Zeit bereits vorstellen, wo Raumschiffe mit Tieren an
Bord auf den weiten Weg zum Mars oder zur Venus oder anderen Planeten geschickt
werden. Diese Tiere sind dabei nicht nur einfache Passagiere. Der Organismus
dieser Tiere in Verbindung mit einfacheren technischen Systemen wird
komplizierte Aufgaben der Steuerung des Raumschiffes lösen. Sie
werden zum zuverlässigen
und genauen Hilfsmittel, um das Flugregime zu regulieren.
Dieser "Einbau"
niederer Lebewesen in technische Systeme wäre eine Möglichkeit,
die wahrscheinlich nur für so außerordentliche
Unternehmungen in Frage käme wie eben beim Raumflug. Im
allgemeinen "begnügt"
sich die Bionik damit, nicht die natürlichen
Organismen direkt, sondern die Prinzipien ihrer "Konstruktion"
zu nutzen.
Heute übernimmt
der Mensch ingenieurtechnische Lösungen, zu denen die Natur gelangt ist,
nachdem sie über
Jahrmillionen hinweg immer wieder Fehler überwunden hat.
Der Mensch kann sich diese Lösungen zu eigen machen und so das
Stadium des vielen Probierens und Suchens überspringen.
Man kann der neuen Wissenschaft eine große Zukunft
voraussagen. Hier steht den Gelehrten von morgen ein weites Feld für
die Forschung offen.
Ausgenutzte
Literatur :
1.“ Die
Technik um das Jahr 2000”
Ì. “Wysschaja Schkola” 1980.
2.“
Wissenschaftlich-technischen Kaleidoskop”,
Ì.
Proswestschenije” 1979.
3. “Die Große Sowjetische
Enzyklopädie”
,M.1967.
4.
Siliziumneuron” , M.Mahowald, R.Douglas,
“Nature”:1991,6354.
