Was ist InfoSCHUL?

Im Rahmen der Initiative Schulen ans Netz des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und der Deutschen Telekom AG läuft seit dem Schuljahr 1997/98 die Sonderfördermaßnahme Nutzung elektronischer und multimedialer Informationsquellen in Schulen (InfoSCHUL)".

Die geförderten Projekte sollen zeigen, wie elektronische und multimediale Informationsquellen im Unterricht und beim selbständigen Arbeiten der Schülerinnen und Schüler im Kontext mit anderen (gedruckten) Lehr- und Lernmaterialien sinnvoll eingesetzt werden können.

Sie sollen dazu beitragen, dass der selbständige Umgang mit wissenschaftlicher Literatur, Daten und Fakten auch aus elektronischen Quellen ein Element der Hochschulreife und der eigenständigen Erarbeitung von Wissen wird.

InfoSCHUL ist Teil der Maßnahmen des BMBF zur Förderung der Nutzung von elektronischer Fachinformation. Mit der Ausrichtung auf allgemein bildende und berufliche Schulen der Sekundarstufe II schlägt InfoSCHUL eine Brücke zu bereits durchgeführten und laufenden Maßnahmen an Hochschulen, Forschungseinrichtungen und in der Wirtschaft.


Was ist Bionik?

1. Einführung in die Bionik

Die Bionik übernimmt "Patente" der Natur. Sie befasst sich als Wissenschaft mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die "Technische Biologie" mit der Erforschung des Form-Struktur-Funktions-Zusammenhangs lebender Organismen unter der Verwendung physikalischer und technischer Methoden, d.h., hier findet ein (Methoden-)Transfer von der Technik in die biologische Forschung statt.
Die bionische Vorgehensweise kann zukünftige Technologien stark beeinflussen und verschafft uns viele Vorteile. Bionik erhält in der heutigen, technisch orientierten Welt große Resonanz von wissenschaftlicher Seite, da sie die Arbeit vieler Menschen sehr erleichtert. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass es sich in der Bionik nie um exakte Kopien handelt, sondern um in mehreren Abstraktions- und Modifikationsprozessen umgestaltetes "Neuerfinden", welches von der Natur angeregt wurde.
Bionik kann jedoch die Vorgehensweise professionellen Konstruierens nicht verschwinden lassen, sondern nur Anregungen liefern und es ermöglichen, technische Neuentwicklungen an der Natur zu orientieren.
Auf dem Grundwissen der Technischen Biologie beruhend, hält die Bionik den Kontakt zur Technik, es besteht demnach heutzutage kein Grund mehr, Grenzen zwischen den Disziplinen weiter aufrecht zu erhalten. Die interessantesten Entdeckungen werden im Grenzgebiet gemacht, in dem sich Biologie und Technik berühren und überschneiden. In der Praxis sind diese Überschneidungen jedoch nicht leicht zu erkennen; häufig werden sie erst in einem mehrstufigen Prozess herausgearbeitet.
Traditionelles ingenieurmäßiges Konstruieren wird die Grundlage technischer Entwicklungen bleiben, denn dieses kann von der Bionik nicht ersetzt werden, da die bionische Vorgehensweise nur als Ideenspeicher zur Optimierung dienen kann.

2. Definition

Der Begriff Bionik (im englischsprachigen Raum "bionics" oder "biomimetics") setzt sich aus den Worten "BIOLOGIE" und "TECHNIK" zusammen, wodurch schon eine grundsätzliche Definition der Forschungsrichtung gegeben ist.
Folgt man der 1992 vorgeschlagenen Gliederung von W. Nachtigall, ist eine Unterteilung der Bionik in 12 Teilgebiete möglich, wobei zwischen vielen der Teilgebiete fließende Übergänge bestehen. Sie lassen sich problemlos an bereits etablierte Fachrichtungen der Biologie bzw. der Ingenieurwissenschaften und Physik anschließen und können diese einerseits ergänzen, andererseits aber auch in neuer Richtung weiterführen.
a) Historische Bionik: Geschichte und Entwicklung bionischer Forschung aus verschiedenen Teilgebieten der Technik und der Biologie.
b) Strukturbionik: Untersuchung und Vergleich biologischer Materialien, Strukturen und Formbildungsprozesse (z.B. komplex aufgebaute Verbundmaterialien, pneumatische Strukturen, Membranstrukturen) auf Anwendungsmöglichkeiten in der Technik. Sie untersucht die Eignung vorgegebener Materialien für spezielle Fälle.
c) Baubionik: Nutzung natürlicher, recycelbarer Baumaterialien, die auch in der Biologie verwendet werden (z.B. Tonbacksteine mit Stroh als Wärme- und Schalldämmung). Sie dient zur Konstruktion technischer Leichtbauwerke (z.B. Seil-, Membran- und Schalenkonstruktionen), die auf Anregungen von natürlichen Leichtbaukonstruktionen basiert.
d) Klima- und Energiebionik: Energieeinsparung und höherer Wohnkomfort durch passive Lüftung durch poröse Materialien, Kühlung durch spezielle Luftführung und Heizung in Anlehnung an die bei Tierbauten verwirklichten Prinzipien. Mit der Übernahme solcher natürlicher Prinzipien, wie sie beispielsweise die Termiten verwirklichen, können bis zu 80 % der elektrischen Energie zur sommerlichen Kühlung und 40 - 60 % der Energie zur Winterheizung gespart werden.
e) Konstruktionsbionik: Analyse und Vergleich der Konstruktionselemente und Funktionsmechanismen der meist multifunktionellen natürlichen Konstruktionen und deren Anwendungsmöglichkeiten in der Technik (z.B. in der Pumpen- und Fördertechnik, der Hydraulik und der Pneumatik).
f) Bewegungsbionik: Untersuchung der Strömungs-Anpassungen von schwimmenden und fliegenden Tieren, ihrer Antriebsmechanismen und deren mechanischer Wirkungsgrade mit dem Ziel der Verbesserung technischer Konstruktionen (z.B. Strömungswiderstand der Rümpfe schwimmender Tiere). Analysiert werden außerdem die Bewegungsabläufe von Tieren mit unterschiedlicher Beinzahl als Grundlage für den Bau "laufender Roboter". Auch Fragen der funktionsmorphologischen Gestaltung beispielsweise von Flügeln oder Rümpfen können interessante Anregung geben. So ziehen beispielsweise die Oberflächenrauhigkeiten von Vogelflügeln infolge der Eigenrauhigkeit des Gefieders in bestimmten Bereichen positive Effekte nach sich.
g) Gerätebionik: Entwicklung von in der Technik einsetzbaren Maschinen, d.h. von Erfindungen, die auf Vorbildern aus der Natur basieren (z.B. Förder- und Abbausysteme, Bohrer und Pumpen)
h) Anthropobionik: Verbesserung von Mensch-Maschine-Interaktionen, z.B. ergonomische Gestaltung von Bedienungselementen entsprechend der physischen Gewohnheiten der Menschen. Weitere Ziele sind die Erhöhung der Effizienz von muskelbetriebenen Fortbewegungsmitteln (z.B. Fahrräder) und die Verbesserungen in der Robotik (z.B. bei der Greifarmsteuerung).
i) Sensorbionik: Entwicklung hochsensibler Sensor-, Ortungs- und Orientierungssysteme durch Umsetzung von Konstruktionsprinzipien biologischer Sensoren und Nerven.
j) Neurobionik: Weiterentwicklung von Steuerungen und Informationsverarbeitung, die von dem Bereich der Neurobiologie und der biologischen Kybernetik ausgehen. Daten und Informationen werden analysiert und können so weitere Anregungen zu intelligenten Verschaltungen von Parallelrechnern liefern.
k) Verfahrensbionik: Untersuchung von Steuerung und Ablauf komplexer biologischer Prozesse und deren Übertragungsmöglichkeit in die Technik. Man versucht eine Wasserstofftechnologie nach dem Vorbild der Photosynthese zu entwickeln, sowie die Übertragung des vollständigen Recyclings in die Industrie.
l) Evolutionsbionik: Nutzung biologischer Evolutionsstrategien in der Technik für die Verbesserung technischer Systeme und Verfahren, hauptsächlich solcher, die nicht simulierbar sind. Denn dann bleibt nur noch die experimentelle Versuchs-Irrtum-Entwicklung als Alternative, doch diese hat bereits Einzug in die Entwicklung von Schiffen und Flugzeugen, sowie in Verkehrssystemen gehalten.

3.Geschichte

Vermutlich wurden menschliche Erfindungen schon sehr früh an der Natur orientiert, da die Menschheit ihre Erfahrungen aus ihrer Umwelt bezieht. Schon vor über 2 Millionen Jahren gebrauchten die Menschen Werkzeuge, die sie der Natur abschauten und die sie bis zum Einsetzen der technischen Evolution vor ca. 100.000 benutzten. Bis zu dieser Phase technischer Weiterentwicklung veränderte sich der Mensch rein prozesstechnisch betrachtet kaum, da er meist die Materialien und Strukturen, die ihm die Natur bietet, nur selten bearbeitete (Faustkeil, Abschlaggeräte).
Im Zeitalter der Evolution verbesserten sich die Verarbeitungs- und Produktionsmethoden und es kam zu einer immer stärker werdenden Abkopplung von der Natur. Die Entwicklung der Metallverarbeitung war ein weiterer Schritt in Richtung technischer Zukunft.
Der erste bekannte Wissenschaftler, der ein Vorbild aus der Natur technisch umsetzen wollte, war Leonardo Da Vinci (1452-1519). Er gilt unumstritten als der Begründer der Bionik und der Technischen Biologie. Basierend auf den Beobachtungen, die er hinsichtlich des Flügelschlags von Vögeln und Insekten machte, versuchte er schon in frühen Jahren, diese Bewegungen auf den Menschen zu übertragen und somit den Traum vom Fliegen zu verwirklichen. Da Vinci war überzeugt, dass die Muskelmasse eines Menschen ausreiche, um Vögel nachzuahmen. Um ca. 1500 skizzierte er eine Reihe von Flugapparaten, die auf Vogelschwingen zurückgriffen; leider waren diese noch nicht flugfähig. Erst die Wandlung von beweglichen zu starren Flügeln brachte den Durchbruch bei technischen Fluggeräten.
Unter den zahlreichen Erfindungen da Vinci's befindet sich ein Flugapparat, der mit einem Steuerungsmechanismus ausgestattet ist. Dem ersten in der Geschichte der Luftfahrt!
Auch die Erfindung des Helikopters geht auf Leonardo da Vinci zurück, denn von ihm stammt der erste Entwurf eines Fluggerätes, das mit Hilfe einer spiralförmigen Luftschraube senkrecht in die Höhe steigen sollte. Weiterhin entwarf da Vinci einen Prototyp für den heutigen Fallschirm, jedoch hatte seiner die Form einer Pyramide. Auch sein Vorläufer des modernen Flugdrachens entstand im Zusammenhang mit seinen Flugmaschinen.
Auch Galileo Galilei (1564-1642), der als Begründer der neueren Naturwissenschaften gilt, hat sich mit dem mechanischen Aufbau von Pflanzen im Vergleich zu technischen Konstruktionen beschäftigt, z.B. mit der aufgrund des Eigengewichts erreichbaren Maximalhöhe von Bäumen und Bauwerken.
Der wohl wichtigste Vertreter der Forschungsrichtung, die man zwischen mathematischer, technischer und theoretischer Biologie ansiedeln muss, ist zu Beginn des 19. Jahrhunderts D'Arcy W. Thompson (1860-1948). In seinem 1917 erschienenen Werk "On Growth and Form" beschreibt er eine Vielzahl von biologischen Strukturen und Formbildungsprozessen, wobei er jedoch experimentelle Ansätze vermeidet.
Neben Überlegungen, die den Zusammenhang von Form, Struktur und mechanischer Effektivität von Knochen und Skelettkonstruktionen, widmet sich Thompson auch der mathematischen Beschreibung der Form bei Pflanzen und Tieren. Eine seiner bekanntesten Überlegungen zeigt, wie man durch Transformation verwandte Formen ineinander übergehen lassen kann.
Versuche der technischen Analyse von Lebewesen und ihrer Lebensfunktionen und der Übertragung von Lösungsvorschlägen der Natur in die Technik bleiben jedoch auch in der heutigen Zeit auf vereinzelte Ansätze beschränkt, denn viele sind zur allgemeinen Anwendung unbrauchbar.
"Bionik" ist eine relativ junge Wissenschaft, die Zusammenhänge in der Natur erforscht und versucht, diese auf die Technik zu übertragen.
Die vielfältigen, sich über Jahrhunderte hinziehenden erfolglosen Versuche, den Vogelflug zu kopieren, belegen eindrucksvoll die Grenzen einer direkten Kopie von der Natur in die Technik.

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