Bionik: Grundlagen Und Beispiele Für Ingenieure Und Naturwissenschaftler

ISBN-13: 9783540436607 / Niemiecki / Twarda / 2002 / 492 str.

Werner Nachtigall

Opis

Dieses umfassende Lehrbuch wendet sich an Studenten, Fachleute und Wissenschaftler und liegt somit im Niveau deutlich uber den ublichen Sachbuchern zur Bionik. Es wird gezeigt, was Bionik ist, wie sie sich entwickelt hat, wie man Fragen stellt und was Bionik leisten kann. Im Detail diskutiert das Buch ausgewahlte Beispiele aus den verschiedensten technologischen Bereichen. Es bietet auch einen Zugang zum wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Umfeld der Bionik. Die vielfaltigen Facetten dieser interdisziplinaren Wissenschaft fugen sich in diesem anspruchsvollen Werk puzzleartig zu einer "Biostrategie in die Zukunft" zusammen. Seit dem Erscheinen der 1. Auflage hat sich die Bionik vielseitig weiterentwickelt. Das Buch wurde daher von Grund auf neu geschrieben, wobei einige bewahrte Abschnitte beibehalten wurden. Der Umfang wurde verdoppelt, die Zahl der Beispiele vervierfacht."

Spis treści

1 Definitionen und Gliederungen.- 1.1 Definitionen.- 1.1.1 Grunddefinition Bionik.- 1.1.2 Erweiterte Definition.- 1.1.3 Eine Abgrenzung.- 1.2 Zum Bionik-Begriff.- 1.2.1 Begriffsbildung.- 1.2.2 Begriffskennzeichnung.- 1.2.3 Herkunft des Begriffs „Bionik (bionics)“.- 1.2.4 Technische Biologie und Bionik als Antipoden.- 1.2.5 Technische Biologie und Bionik als integrative Disziplinen mit sich ergänzenden Aufgabenstellungen.- 1.2.6 Wurzeln und Vorgehensweisen der technisch-biologisch/bionischen Strategie.- 1.2.7 Bionik als Analogieforschung.- 1.2.8 Bionik als Kreativitätstraining.- 1.2.9 Bionik — was also ist das?.- 1.3 Teilgebiete der Bionik.- Literatur.- 2 Personen und Organisationen.- 2.1 Allgemeines.- 2.2 Das Bionik-Kompetenznetz BioKoN.- 2.3 Gesellschaften und sonstige Zusammenschlüsse.- 3 Publikationen und Öffentlichkeitsarbeit.- 3.1 Bücher.- 3.2 Zeitschriftenartikel.- 3.3 Ausstellungen.- 3.4 Messen und Zentren.- 3.5 Film und Fernsehen.- 3.6 Wettbewerbe und Preise.- 3.7 Werbung.- 4 Fachstudium und Fachtagungen.- 4.1 Bionik-Studiengänge.- 4.2 Tagungen und Kongresse.- 5 Vorwissenschaftliches und Historisches.- 5.1 Allgemeines.- 5.2 Beispielgruppen für die Anfangsentwicklung der Technischen Biologie und Bionik.- 5.2.1 Von den ersten Ansätzen bis zum 19. und beginnenden 20. Jahrhundert.- 5.2.2 Nationalsozialismus und Kommunismus.- 5.2.3 Übergang zur funktionellen Verknüpfung.- 5.3 Beispielgruppen für die Entwicklung der Technischen Biologie und Bionik nach dem Zweiten Weltkrieg.- 5.3.1 Zur Technischen Biologie.- 5.3.2 Zur Bionik.- 5.3.3 Istzustand und Ausblick.- 5.4 Historische Kette — Konzepte für Schiffsvortriebe u. a. nach dem Prinzip der Fisch-Schwanzflosse.- 5.4.1 Einführendes.- 5.4.2 v. Limbecks „Fischpropeller“ (1903).- 5.4.3 Lies „Lotsenfisch“ (1905).- 5.4.4 Frosts „Wasserfächer“ (1926).- 5.4.5 Schramms „Wellenschwingungsantrieb“ (1927).- 5.4.6 Budigs schrägangeströmter Schlagflügel.- 5.4.7 Moineaus „Vortriebsmechanismus“ (1943).- 5.4.8 Hertels „TUB-TUB“ (1963).- 5.4.9 Hertels „Schwingflächenpumpe“ (1973).- 5.4.10 Hertels „Flossenpropeller“ (1977).- Literatur.- 6 Materialien und Strukturen.- 6.1 Biologische Materialien, Strukturen und Oberflächen — das Typische an biologischen Materialien.- 6.1.1 Kann man die typischen Eigenschaften biologischer Materialien angeben?.- 6.1.2 Hierarchische Materialgestaltung in der Natur.- 6.1.3 Selbstorganisation im Materialbereich.- 6.2 Die Arthropodenkutikula — Anregungsquelle für technische Faserverbundwerkstoffe.- 6.2.1 Mikrostrukturierung von Arthropodenoberflächen: Eine vergleichende Bestandsaufnahme.- 6.2.2 Biologische Faserverbundwerkstoffe mit variablen mechanischen Parametern.- 6.3 Schalen, Schichtungen, Perlmutt — Mehr komponentenwerkstoffe mit erstaunlichen mechanischen Eigenschaften.- 6.3.1 Strukturelle Basis für die Bruchzähigkeit von Strombus-Schalen.- 6.3.2 Perlmutt von Meeresschnecken.- 6.3.3 Bifunktionelles Calcitmaterial.- 6.4 Spinnseiden und Byssusfäden — Biomaterialien und zugleich technische Anregungen.- 6.4.1 Seidenraupenfäden und ihre Produktbedeutung.- 6.4.2 Spinnenfäden und ihre Produktbedeutung.- 6.4.3 Miesmuscheln und Braunalgen in der Brandung.- 6.5 „Bio“-Kunststoffe — Vielzweckstoffe auf Naturbasis.- 6.5.1 Chitin und Chitosan.- 6.5.2 Bio-Kunststoffe und Bio-Plastik aus Pflanzen.- 6.5.3 Mikrobiell abbaubare Kunststoffe.- 6.6 Zellulose und Pflanzenfasern — auch Bestandteile biologischtechnischer Materialchimären.- 6.6.1 Zellulose: Chemierohstoff aus der Natur.- 6.6.2 Lignin und „Flüssiges Holz“.- 6.6.3 Allgemeines zu regenerativen Materialien.- 6.6.4 Pflanzliche Strukturen als intelligente Teile von technischen Kompositmaterialien.- 6.6.5 Biomineralisation: Auf dem Weg zu organisch-anorganischen Verbundwerkstoffen.- 6.7 Hölzer und Gräser — Anwendungspotential im Mikro- und Makro- bereich.- 6.7.1 Technisch interessante Eigenschaften pflanzlicher Fasern und Faserverbundmaterialien.- 6.7.2 Eine Kompositplatte nach dem Faserverlauf in Holz.- 6.7.3 Hochwachsende Gräser und langgestreckte Strukturen.- 6.8 „Intelligente“ und autoreparable Materialien — schwierig Umzusetzendes aus der Biologie.- 6.8.1 Eine Übersicht über „smarte“ Materialien.- 6.8.2 „Intelligente“ Gele und anderes.- 6.8.3 Materialien, die regenerieren oder sich selbst reparieren.- 6.9 Klebungen in der Natur — Vorkommen und Technikpotenziale.- 6.9.1 Klebetypen und ihr Umsetzungspotenzial.- 6.9.2 Strategien und Techniken des Klebeeinsatzes.- 6.10 Kurzabschnitte zum Themenkreis „Materialien und Strukturen“.- 6.10.1 Geigenkästen aus biologisch-technischem Verbundmaterial.- 6.10.2 Spinnenfäden als Feinstaubsammler.- 6.10.3 Poröse Werkstoffe mit einstellbarer Porengröße.- Literatur.- 7 Formgestaltung und Design.- 7.1 Bionik-Design — Sichtweisen und Vorbilder.- 7.1.1 „Funktionelles Design“ in Biologie und Technik.- 7.1.2 Akzeptanz im Designbereich.- 7.2 Problemkreise des Bionik-Designs.- 7.3 Das Pterygoid der Python-Schlange als Vorbild für ein Stuhlbein.- 7.4 Ideenwettbewerb Bionik-Design — „Bionic architecture — made of wood“.- 7.5 Kurzabschnitte zum Themenkreis „Formgestaltung und Design“.- 7.5.1 ICE-Design und der Beginn des neuzeitlichen Bootsdesigns.- 7.5.2 Zwei Studentenprojekte „Bionik-Aspekte im Design“ von Klassen an den Kunsthochschulen Berlin und Saarbrücken.- Literatur.- 8 Konstruktionen und Geräte.- 8.1 Biomechanische Mikrosysteme — vergleichende Analyse und Technikpotenzial.- 8.1.1 Funktionselemente und Elementarfunktionen biomechanischer Mikrosysteme.- 8.1.2 Mikrobiomechatronik aus der Ilmenauer Sicht.- 8.1.3 Zwei Demonstrationsbeispiele: Ruderbein und Mikrogreifer.- 8.2 Präzisionstechnische Antriebssysteme — neuartige konstruktive Wege.- 8.3 Mikrotribologie — eine Disziplin mit Zukunft.- 8.4 Reibung und Haftung — sehr unterschiedliche Mechanismen.- 8.4.1 Von der Schlangenhaut zum Skibelag.- 8.4.2 Die Haftung der Geckofüße — Vorbild für Trockenklebebänder.- 8.5 Mikromaschinen — Nanomaschinen.- 8.5.1 Mikromaschinen.- 8.5.2 Nano(bio)technologie.- 8.5.3 Auf dem Weg in die molekulare Nanowelt.- 8.5.4 Nanomaschinen.- 8.6 Stoßdämpfung und Sprunggeräte — Wie mit Leistungsspitzen umgegangen werden kann.- 8.6.1 Schockabsorption und Motorradhelme.- 8.6.2 Kängurusprung und Sprung-Sportgerät.- 8.6.3 Kängurusprung und PowerSkip-Sportgerät.- 8.7 Abriebfestigkeit und Stabilität — Anregungen von Zähnen und Schalen.- 8.7.1 Radulazähne von Napfschnecken geben Konzeptanregungen für Schneidewerkzeuge.- 8.7.2 Formstabilität von Seeigelschalen.- 8.8 Strömungsmechanische Konstruktionen — Vorschläge nach Naturvorbildern.- 8.8.1 Gestaltung der Flügelenden.- 8.8.2 Schleifenflügel und Schleifenpropeller.- 8.8.3 Von der Wirbelspule zum Berwian.- 8.8.4 Die „Schwertfischnase“ und ein Flugzeugbug.- 8.8.5 Anwendungsvorschlag des Mikroturbulenz-Effekts.- 8.9 Spiegeloptik im Krebsauge — Vorbild für Röntgenteleskopie und -kollimatoren.- 8.9.1 Einführendes.- 8.9.2 Prinzipbau des Krebsauges.- 8.9.3 Brechungsindizes.- 8.9.4 Hell- und Dunkeladaptation.- 8.9.5 Orthogonale Spiegeloptik.- 8.9.6 Zusammenfassung der Spiegeloptik-Prinzipien im Krebsauge.- 8.9.7 Technologische Umsetzungen.- 8.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Konstruktionen und Geräte.- 8.10.1 Würmer, Polypen und ein Ausstülpungsschlauch für medizinische Katheder.- 8.10.2 Surfbrettsegeln nach Fledermaus- und Fliegenvorbild.- 8.10.3 Die Schwimmflosse „Monopalme“.- Literatur.- 9.1 Bau und Klimatisierung.- 9.1 Umwelt und Bauten — Sichtweisen eines Biologen und eines Architekten.- 9.1.1 Begründung für ein regionales Bauen.- 9.1.2 Architektur und Zeitgeist.- 9.2 Das Eisbärfell — eine Art transparentes Isoliermaterial.- 9.2.1 Das Eisbärfell als solar betriebene Wärmepumpe und transparentes Isoliermaterial.- 9.2.2 Transparentes Isoliermaterial in der Technik.- 9.3 Der Termitenbau — ein verblüffendes Funktionssystem mit Anregungscharakter.- 9.3.1 Klimaregelung im Termitenbau.- 9.3.2 Solarkamine bei Termitenbauten und Gebäuden.- 9.3.3 Eine bionische Übertragung: die Porenlüftung.- 9.4 Lehm und Adobe — ursprüngliche Materialien mit interessanten bauphysikalischen Eigenschaften.- 9.4.1 Ton- und Mörtelnester.- 9.4.2 Bauen mit Adobe.- 9.5 Einbindung der Windkraft — Tierbauten und ursprüngliche Baukulturen als Vorbilder.- 9.5.1 Nutzung des Bernoulli-Prinzips.- 9.5.2 Nutzung des Staudruck-Prinzips.- 9.6 Architektonische Gestaltung und die Funktionalität der Natur.- 9.6.1 Einbindung bionischer Vorgehensweisen in den Planungsprozess.- 9.6.2 Bionische Aspekte behindern nicht eine klare architektonische Formensprache.- 9.7 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Bauen und Klimatisierung“.- 9.7.1 Eine Schülerarbeit: Überdachung eines Pausenhofs.- 9.7.2 Moleküle als Wärmespeicher.- 9.7.3 Erkenntnisse über schwingende Bienenwaben können Hochhäuser vielleicht weniger erdbebenanfällig machen.- Literatur.- 10 Robotik und Lokomotion.- 10.1 Roboterarme — Androiden.- 10.1.1 Integration von Serienelastizitäten bringt Vorteile.- 10.1.2 Roboterkonzepte aus Japan.- 10.2 Muskeln und Aktuatoren — „Künstliche Muskeln“ in der Technik.- 10.2.1 Entwicklung „Fluidischer Muskeln“.- 10.2.2 Eine „Künstliche Hand“ mit Fluidmuskeln.- 10.3 Laufen mit zwei bis acht Beinen — Laufmaschinen.- 10.3.1 Designhilfen aus der Natur für Laufmaschinen.- 10.3.2 Ein Insekten-analoger Laufroboter nach dem Prinzip des Stabheuschreckengangs.- 10.3.3 Timberjack, ein 6-beiniger Waldroboter.- 10.3.4 Entwicklungen am MIT „Leg laboratory“.- 10.4 Klettern, Kriechen, Springen — nachahmenswerte Ortsbewegungsformen.- 10.4.1 IV. Konferenz über Kletter- und Laufroboter.- 10.4.2 Kletterroboter.- 10.4.3 Schlangenartige Kriechroboter.- 10.4.4 Springroboter.- 10.5 Schwimmroboter — „Künstliche Fische“.- 10.5.1 Schlagflossenboote — Übertragung des Schwanzflossenprinzips.- 10.5.2 „Künstliche Fische“: Thunfisch- und Hecht-Roboter.- 10.5.3 Neunaugen-Schwimmroboter.- 10.5.4 Weitere biomimetische Unterwasserroboter.- 10.6 Verminderung des Strömungswiderstands — Rümpfe und Oberflächen.- 10.6.1 Dicke Rümpfe mit Anregungspotenzial für technische Rumpfformen.- 10.6.2 Kleinfahrzeuge: Bionik im Automobilbau.- 10.6.3 Geriefte Haischuppen und Ribletfolien für den Airbus.- 10.6.4 Weitere widerstandsvermindernde Oberflächengestaltungen.- 10.6.5 Fischschleim und Polyox.- 10.6.6 Luftblasenschleier bei Pinguinen und Unterwassergeschossen.- 10.6.7 „Sandfische“ und die Verminderung von Festkörperreibung.- 10.7 Mittel zur Auftriebserhöhung — Verringerung der Gefahr des Überziehens.- 10.7.1 Bewegliche Flügelklappen nach dem Gefiederprinzip.- 10.7.2 Strömungsbeeinflussung durch Felloberflächen.- 10.7.3 Daumenfittich und Vorflügel.- 10.8 Insektenflug — Entomopteren.- 10.8.1 Luftkrafterzeugung durch Schlagflügel bei Fliegen, zweiflügelige Entomopteren.- 10.8.2 Instationäre Effekte und der Weg zu Kleinstfluggeräten.- 10.8.3 Ein Miniatur-Schwingflügler nach dem Vorbild der fächelnden Honigbiene.- 10.9 Vogelflug — Ornithopteren.- 10.9.1 Untersuchungen des Vogelflugs als Basis für die Konzeption vogelähnlicher Kleinfluggeräte.- 10.9.2 Technische Aspekte von Kleinfluggeräten nach Art von Vögeln.- 10.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Robotik und Lokomotion“.- 10.10.1 Frühe Studien des Naturvorbilds „Vogel“.- 10.10.2 Dezentrale Steuerung von Roboterarmen nach dem Krakenprinzip.- 10.10.3 Polymer-Hydrogel-Aktuator.- 10.10.4 Vogelflügel und adaptive technische Flügel.- 10.10.5 Elektrische Felder und Auftriebserhöhung.- Literatur.- 11 Sensoren und neuronale Steuerung.- 11.1 Allgemeines zu Sensoren — Gedanken eines Biologen über Fühler und Fühlen.- 11.2 Optische Sensoren und Wärmesensoren — neuartige Prinzipien.- 11.2.1 Natürliche Spiegeloptik führt zum Röntgenkollimator.- 11.2.2 Entspiegelung und Sichtverbesserung durch Feinstnoppung nach dem Prinzip von Nachtfalteraugen.- 11.2.3 Das schwingende Fliegenauge und diefedernde Netzhaut der Springspinne: technische Bildschärfenerhöhung.- 11.2.4 Ein fotomechanischer Detektor für Wärmestrahlung beim „Feuerkäfer“ und seine Umsetzung.- 11.3 Akustische Sensoren — Lösungen bei Insekten.- 11.3.1 Schallschnelle-Einstandspeiler bei Stechmücken und Sonarpeilgeräte.- 11.3.2 Das Schallortungsprinzip von Raupenfliegen, Vorbild für Miniaturhörgeräte.- 11.4 Geruchssensoren und Elektrosensoren — Basistechnologien von der Natur.- 11.4.1 Zeitverzögerungseffekte beim Riechen.- 11.4.2 Schwach elektrische Fische als Sensormodelle.- 11.5 Bewegungssteuerung — Roboterorientierung.- 11.5.1 Bewegungssteuerung und Bewegungslernen in der Biologie: unkonventionelle Vorbilder für technische Anwendungen.- 11.5.2 Vom Fliegenauge zur Roboter-Orientierung.- 11.5.3 Visuelle Stabilisierung und Führung kleiner Flugroboter nach dem Fliegenaugenprinzip.- 11.5.4 Ein „Ameisenroboter“, der sich an polarisiertem Licht orientiert.- 11.6 Kleine Neuronenverbände — neuronale Netze mit Anregungscharakter.- 11.6.1 Prinzipien neuronaler Netze.- 11.6.2 Kleine Neuronenverbände und ihre Leistungsfähigkeit.- 11.6.3 Neuronale Netze für Mustererkennung und Bewegungssteuerung.- 11.7 Koppelung von Biomolekülen oder Mikroorganismen mit Messelektroden — Mikrobiosensoren.- 11.7.1 Molekulare Messtechnik in der Biosensorik.- 11.7.2 Mikrobielle Messtechnik in der Biosensorik.- 11.8 Kopplung biologischer Systeme mit technischen Geräten — Biomonitoring.- 11.8.1 Ein Sensorsystem zur Messung extrem geringer Stoffkonzentrationen.- 11.8.2 Online-Biomonitoring.- 11.9 Kommunikationstechniken — Anregungen aus der Natur.- 11.9.1 „Delfinsprache“ und Unterwasserkommunikation.- 11.9.2 Fotonische Kristalle bei der „Meermaus“ und Glasfaseroptiken.- 11.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Sensoren und neurale Steuerung“.- 11.10.1 „Künstliche Nasen“.- 11.10.2 Bionische Drucksensoren.- 11.10.3 Retinaartige Lichtsensoren.- 11.10.4 Steuerung über Gehirnpotenziale.- Literatur.- 12 Anthropo- und biomedizinische Technik.- 12.1 Menschen an Maschinen — Maschinen im Menschen.- 12.1.1 Zusammenwirken von Mensch und Maschinen.- 12.1.2 Beispiel: Unfallforschung.- 12.2 Radfahrer und Rad — ein biomechanisch abgestimmtes Funktionspaar.- 12.2.1 Optimale Muskelarbeit beim Pedaltreten.- 12.2.2 Charakteristiken von Radfahrer und Rad.- 12.2.3 Alternative Pedalbewegungen.- 12.3 Implantate und Knochen — sie sollten eine biomechanische Einheit bilden.- 12.3.1 Knochenspongiosa und „Metallspongiosa“-Implantate.- 12.3.2 Hüftgelenksendoprothesen nach dem Trajektorienprinzip.- 12.3.3 Eine elastische Knieprothese.- 12.4 Retinaimplantate — Mikrochips im Auge.- 12.4.1 Retinaersatz.- 12.4.2 Retinastimulation.- 12.5 Schwingungsdynamik der Gehörknöchelchen — biomechanische Anpassung eines Mittelohrimplantats.- 12.6 Interaktion Kohlenstoff-„Technologie“ — Silizium-Technologie.- 12.6.1 Biologisch-technische Hybridschaltungen (Zell-Elektronik-Hybride).- 12.6.2 Interaktionen „einfacher“ biologisch-technischer Hybridschaltungen.- 12.6.3 Mikroelektroden schließen Langzeitkontakte zu Neuronen in situ.- 12.7 Gewebeanwachsen auf technischen Materialien — biokompatible Werkstoffe.- 12.7.1 Anwachsen von Schleimhautzellen auf Zahnimplantatmaterial.- 12.7.1 Biokompatible Titanwerkstoffe.- 12.8 Naturstoffe als Schutz- und Pflegemittel.- 12.9 Interaktion des Organismus mit Wellen-Nutzung von Licht zur Einkoppelung von Mikrowellen.- 12.9.1 Steigerung von Enzymaktivitäten.- 12.9.2 Entwicklung einer lichtbetriebenen Mikrowelleneinkopplung.- 12.9.3 Anwendungsprinzip.- 12.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Anthropo- und biomedizinische Technik“.- 12.10.1 Kontrollierte Wirkstofffreisetzung.- 12.10.2 Ein osteokonduktives Ersatzmaterial aus Algen.- 12.10.3 Fliegenmaden als Wundheiler.- Literatur.- 13 Verfahren und Abläufe.- 13.1 Solarnutzung — Vielfalt der Technologien.- 13.1.1 Die Sonne als Energiespender.- 13.1.2 Vom biologischen Umgang mit der Sonnenstrahlung.- 13.1.3 Makroskopische solarbetriebene Energiesysteme.- 13.1.4 Schmetterlingsflügel als Solarfänger und Vorbilder für die Computerchip-Kühlung.- 13.2 Indirekte Solarnutzung — künstliche Fotosynthese und Wasserstofftechnologie.- 13.2.1 Molekulare solare Energiesysteme: Mechanismen und Umsetzungspotenzial.- 13.2.2 Artifizielle Fotosynthese aus molekularer Sonnenenergiekonversion.- 13.2.3 Wasserstoff als Energiespender der Zukunft.- 13.2.4 Wasserstoffproduktion durch artifizielle Bakterien-Algen-Symbiose.- 13.2.5 Fotosynthetische Proteinkomplexe bei Cyanobakterien.- 13.2.6 Algenkonverter — Fluidreinigung, Nahrungsmittel- und Wertstoffproduktion in einem System.- 13.3 Fotovoltaik — solarbedingte Spannungserzeugung.- 13.3.1 Prinzipielle Wirkungsweise fotovoltaischer Zellen.- 13.3.2 Probleme der Fotovoltaik auf Siliziumbasis.- 13.3.3 Fotovoltaische und thermoelektrische Effekte bei Hornissen.- 13.3.4 Organisch-fotovoltaische Solarzellen.- 13.3.5 Bereits weitgediehen: die Plastik-Solarzelle.- 13.4 Solarverdunstung — ein bislang vernachlässigtes Naturverfahren.- 13.5 Wassergewinnung durch Nebelkondensation.- 13.6 Verträgliche Frostschutzmittel.- 13.7 Selbstreinigende pflanzliche Oberflächen — schmutzabweisende Beschichtungen.- 13.7.1 Epidermale Oberflächenstrukturen.- 13.7.2 Experimente über Selbstreinigungseffekte.- 13.7.3 Ökologische Bedeutung und Störung der Selbstreinigungseffekte.- 13.7.4 Physikalische Grundlagen der Selbstreinigung.- 13.7.5 Technische Umsetzung des „Lotus-Effekts“.- 13.8 Verpackungen in der Natur — Ideenreservoir für die Technik.- 13.8.1 Natürliches Verpacken und natürliche Verpackungen.- 13.8.2 Bionisch orientierte Verpackungen.- 13.9 Diagene Mineralisation nach dem Vorbild der biogenen Mineralisation.- 13.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Verfahren und Abläufe“.- 13.10.1 Lichtausnutzung durch Oberflächenschichtung bei Pflanzenblättern und Fotozellen.- 13.10.2 Solardachstein und Solarschiefer.- 13.10.3 Papierherstellung.- Literatur.- 14 Evolution und Optimierung.- 14.1 Optimierung in der Natur — kann man sie erkennen, beschreiben und nachahmen?.- 14.1.1 Der Optimierungsbegriff in Wirtschaft und Technik.- 14.1.2 Der Optimierungsbegriff in der Biologie.- 14.1.3 Konsequenzen für die Verwendung des Optimierungsbegriffs bei bionischen Übertragungen.- 14.2 Evolution und Optimierung — Umsetzung der Art, wie biologische Konstruktionen entstehen.- 14.3 Evolutionsprinzipien: Stufen der Imitation biologischer Evolutionsprozesse.- 14.3.1 Evolution und Evolutionsnachahmung.- 14.3.2 Elementare Spielregeln für die Evolutionsstrategie.- 14.3.3 Universelle Nomenklatur für Evolutionsstrategien.- 14.4 Evolutionsstrategisches Bergsteigen — eine naturbasierte Vorgehensweise.- 14.4.1 Zwischen Erfolg und Fortschritt.- 14.4.2 Das zentrale Fortschrittgesetz.- 14.4.3 Evolution zweiter Art.- 14.4.4 Gipfelklettern im Hyperraum.- 14.4.5 Optimierung mit Technologietransfer.- 14.4.6 Logik der Optimierung.- 14.5 Evolutive Systemoptimierung — Naturstrategien zum Nutzen von Technik und Wirtschaft.- 14.5.1 Ökonomische Lösungsstrategie für technisch-wirtschaftliche Innovationen.- 14.5.2 Kosten/Gewinn-Zeitfunktion.- 14.6 Optimierung mit Evolutionsstrategien — weitere Beispiele.- 14.7 Adaptives Wachstum — nach dem Vorbild der Bäume konstruieren.- 14.7.1 Methodische Grundlagen.- 14.7.2 Anwendung der CAD-Methode auf biologische Objekte.- 14.7.3 Beispiel: Optimierung der Baumgestalt nach Läsionen.- 14.7.4 Beispiel: Baumgabelung als Zugzwiesel und Wurzelquerschnitt bei Biegebelastung.- 14.7.5 Beispiel: Optimaler Faserverlauf im Holz.- 14.7.6 Gestaltoptimierung von Maschinenelementen nach Art des biologischen Wachstums.- 14.7.7 Beispiel: Gewindeoptimierung einer orthopädischen Schraube.- 14.7.8 Beispiel: Gestaltoptimierung einer Balkenschulter.- 14.7.9 Beispiel: Dreidimensionale Formoptimierung einer Welle mit Rechteckfenster.- 14.7.10 Eine Weiterentwicklung: das CAIO-Verfahren.- 14.8 CAO-optimierte Autobauteile — weniger Material- und Energieverbrauch bei gleicher Stabilität.- 14.8.1 Beispiel: Neue Leichtmetallfelgen und Motorenhalter.- 14.8.2 Beispiel: Locherzeugung und optimale Sickenanordnung: Schaltgestänge.- 14.8.3 Weitere Anwendungsmöglichkeiten.- 14.9 Krümmeroptimierung — ein Beispiel aus der Rohrströmungsmechanik.- 14.10 Kurzanmerkungen zum Thema „Evolution und Optimierung“.- 14.10.1 Zum Verständnis der Konturierung von Tiger- und Bärenkrallen.- 14.10.2 Knochen und Lasthaken.- Literatur.- 15 System und Organisation.- 15.1 Selbstorganisation — Ein Naturprinzip und seine sozioökonomische Anwendung.- 15.1.1Über das Prinzip Selbstorganisation.- 15.1.2 Selbstorganisation in der Sozioökonomie.- 15.2 Molekulare Selbstorganisation — Oberflächen und Materialien.- 15.2.1 Sich selbst organisierende biomolekulare Materialien.- 15.2.2 Selbstorganisation bei der Herstellung organischer Solarzellen.- 15.2.3 Selbstorganisation und Nanomaschinen.- 15.3 Organismische Selbstorganisation — Ameisen und Verwaltungen.- 15.3 Ameisenartiges Zusammenarbeiten autonomer Roboter.- 15.3.1 Nistplatzfinden und Verteidigungsverhalten bei Honigbienen.- 15.3.2 Organisation von Erkundungspfaden bei Ameisen.- 15.4 Suchstrategien beim Absuchen von Arealen.- 15.5 Biologische Verpackungsstrategien — Entwicklung umweltökonomischer Verpackungen.- 15.5.1 Sichtweisen des Deutschen Verpackungsinstituts.- 15.5.2 Umweltökonomische Verpackungsorganisation.- 15.6 Funktionshilfe bei komplexen Wirtschaftssystemen — Analogien können Impulse geben.- 15.6.1 Vernetzte Querbeziehungen in Beziehungsgefügen des Waldes.- 15.6.2 Zufall und Regelung im Funktionsablauf von Tiersozietäten.- 15.7 Innovationsmanagement — „Nachhilfe in Biologie“ für Manager.- 15.7.1 Postindustrielles Innovationsmanagement.- 15.7.2 Produktive Kreativität zur Förderung von Innovationen.- 15.8 Bereichsüberschreitungen 1. Art — Anregungen aus der Biologie können in andere Funktionsbereiche hineinwirken.- 15.8.1 Beispiel 1: Umströmung des Pinguins.- 15.8.2 Beispiel 2: Stachel des Seeigels Diadema setosum.- 15.8.3 Beispiel 3: Das Bienenwabenprinzip.- 15.9 Bereichsüberschreitungen 2. Art — Verklammern von Einzelfächern.- 15.9.1 Kratzen am Kontinuum.- 15.9.2 Bionik in der Schule.- 15.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis „Systemik und Organisation“.- 15.10.1 Sich selbst organisierende Biomaterialien.- 15.10.2 Evolutionäres Gestalten — eine Alternative zum Recycling?.- Literatur.- 16 Konzeptuelles und Zusammenfassendes.- 16.1 Bionik als technische und wirtschaftliche Herausforderung — was nicht gegen Naturgesetze verstößt, ist prinzipiell machbar.- 16.2 Bionik als Betrachtungsaspekt — die fächerübergreifende kybernetische Sichtweise.- 16.2.1 Die kybernetische Betrachtungsweise.- 16.2.2 Vermaschung, Vernetzung komplexer Systeme.- 16.2.3 Ökosysteme als kybernetische Systeme.- 16.3 Bionik als Kreativitätstraining — die Vielfalt biologischer Lösungsmöglichkeiten regt die kreative Fantasie an.- 16.4 Bionik als Ansporn für vernetztes Denken — auf dem Weg zu einer zukunftsorientierten Bildung.- 16.4.1 Bewusstseinswandel zum vernetzten Denken und Reaktion der Bildungsgremien.- 16.4.2 Neue Ansätze des Lernens als Überlebensunterweisung.- 16.4.3 Probleme beim Verständnis komplexer Zusammenhänge.- 16.4.4 Spielen hilft verstehen; Unscharfe erlaubt Muster erkennen.- 16.4.5 Lernen vom Fertigungsbetrieb Natur.- 16.4.6 Fachübergreifend Ganzheit erkennen.- 16.5 Bionik und weiterführende Netzwerkplanung — vom vernetzten Denken zum Sensitivitätsmodell.- 16.6 Bionik und Ansatzmöglichkeiten — Grundregeln für bionische und biokybernetische Ansätze.- 16.6.1 Zehn Grundprinzipien natürlicher Systeme mit Vorbildfunktion für die Technik.- 16.6.2 Acht Grundregeln der Biokybernetik mit Vorbildfunktion für komplexe technische Systeme.- 16.7 Fünf Aspekte — Einkoppeln bionischer Aspekte in den Konstruktionsprozess.- 16.8 Nochmals Bionik und Organisation — systemisches Organisationsmanagement.- 16.9 Bionik als Teil einer Überlebensstrategie — vom Ökosystem zum Wirtschaftssystem.- 16.9.1 Biostrategie — die Summe bionischer Ansätze.- 16.9.2 Das Symbioseprinzip.- 16.9.3 Recycling und Verbundtechnologie.- 16.9.4 Wachstum, Funktion, Organisation.- 16.10 Kurzanmerkungen zum Themenkreis: „Konzeptuelles und Zusammenfassendes“.- 16.10.1 Neue Formen in Unterricht und Bildung.- 16.10.2 Glühwürmchen und der Sinn allen Forschens.- Literatur.- 17 Patente und Rechtsaspekte.- 17.1 Zwei historische Patente — eines davon hat die Welt verändert.- 17.1.1 Der Stahlbeton Joseph Moniers (Patente ab 1867).- 17.1.2 Der „Salzstreuer“ Raoul H. Francés (Patent 1920).- 17.2 Sind Vorbilder aus der Natur patentschädigend? — Patentrechtliche Verwertung von Bionik-Erfindungen.- 17.2.1 Vorbemerkungen.- 17.2.2 Patentrechtliche Wertung der Neuheit von Bionik-Erfindungen.- 17.2.3 Patentrechtliche Wertung des technischen Fortschritts von Bionik-Erfindungen.- 17.2.4 Patentrechtliche Wertung der Erfindungshöhe von Bionik- Erfindungen.- 17.2.5 Aufgabe-Lösung-Zweck: neuere Sichtweise.- 17.3 Patentrechtliche Formulierungsprobleme — Beispiel Ausstülpungsschlauch.- 17.4 Patente in Biologie und Medizin I — Die Wirkungen des Patents.- 17.5 Patente in Biologie und Medizin II — Lizenzierung biotechnologischer Erfindungen.- 17.6 Geistiges Eigentum — Sinn und Unsinn von Patenten auf Lebewesen oder Teilen davon.- 18 Statt eines Ausklangs: Fragen und Antworten zur Bionik.- 469.- 485.- 489.

O autorze

Prof. Dr. rer. nat. Werner Nachtigall, geb. 1934, hat mit seiner Sichtweise der 'Technischen Biologie und Bionik' als weltweit anerkannte Autorität Biologie und Technik zusammengeführt. Sein spezielles, fachübergreifendes Interesse gilt bionischen und umweltrelevanten Aspekten im Bereich des Bauens, Konstruierens und Gestaltens. Er ist Autor von über 30 Büchern und 300 Fachpublikationen, Mitglied mehrerer wissenschaftlicher Gesellschaften und Träger meherer Preise. Er hat eine Gesellschaft für Technische Biologie und Bionik gegründet, deren 1. Vorsitzender er ist, sowie eine gleichnamige Ausbildungsrichtung für Diplombiologen. Weiter war er maßgeblich am Zustandekommen des Bionik-Kompetenznetzes BioKon beteiligt. Seit seiner Emeritierung 2002 widmet er sich weiter Fragen der Bionik, des funktionellen Gestaltens, der Industrie-Kultur und der Öffentlichkeitsarbeit.

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Dieses umfassende Lehrbuch wendet sich an Studenten, Fachleute und Wissenschaftler und liegt somit im Niveau deutlich über den üblichen Sachbüchern zur Bionik. Es wird gezeigt, was Bionik ist, wie sie sich entwickelt hat, wie man Fragen stellt und was Bionik leisten kann. Im Detail diskutiert das Buch ausgewählte Beispiele aus den verschiedensten technologischen Bereichen. Es bietet auch einen Zugang zum wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Umfeld der Bionik. Die vielfältigen Facetten dieser interdisziplinären Wissenschaft fügen sich in diesem anspruchsvollen Werk puzzleartig zu einer "Biostrategie in die Zukunft" zusammen. Seit dem Erscheinen der 1.Auflage hat sich die Bionik vielseitig weiterentwickelt. Das Buch wurde daher von Grund auf neu geschrieben, wobei einige bewährte Abschnitte beibehalten wurden. Der Umfang wurde verdoppelt, die Zahl der Beispiele vervierfacht.