Biomimikry: Definition und Anwendungen in unserer modernen Welt

Biomimikry ist ein in erster Linie philosophischer Ansatz, bei dem es darum geht, den Menschen als bescheidenes Wesen darzustellen, das viel von der Natur lernen kann, um seine eigenen Herausforderungen zu meistern. Ein solcher Ansatz erfordert Interdisziplinarität. Heutzutage können Bereiche wie Medizin, Architektur, Ingenieurwesen oder Transport neue Lösungen hervorbringen, indem sie die in der Natur umgesetzten Strategien verstehen. Dieser Artikel möchte Ihnen zeigen, was wir bereits alles aus der Biomimikry mitnehmen konnten und wer weiß, auch Berufungen fördern.

Definition von Biomimikry

Der Begriff „Biomimikry“ leitet sich vom griechischen „bios“, was Leben bedeutet, und „mimesis“, was „nachahmen“ bedeutet, ab. Er bezeichnet eine Reihe wissenschaftlicher Ansätze, die darauf abzielen, in der Natur beobachtete Strategien und Lösungen auf die menschliche Welt zu übertragen. Biomimikry kann zur Entwicklung neuer Technologien und Prozesse mit einer bestimmten Zielsetzung führen.

Der Mensch achtet seit jeher auf seine Umwelt und versucht, sie zu benennen, zu klassifizieren und ihre Funktionsweise zu verstehen. Die Lebenswelt hat den Vorteil, dass sie sehr vielfältig und oft auf Sparsamkeit ausgerichtet ist. So stellte sich heraus, dass die Umsetzung dessen, was wir in der Natur beobachtet haben, Lösungen für die Herausforderungen einer nachhaltigen Entwicklung bieten könnte, insbesondere wenn es um Energieeinsparungen oder das Recycling von Abfällen geht. , Beispielsweise.

Biomimikry und Bioinspiration

In dieser Reihe von Initiativen können wir beispielsweise Paläo-Bioinspiration identifizieren, die insbesondere von ausgestorbenen Arten inspiriert ist, die, wie Sie sich erinnern, 99 % der biologischen Vielfalt auf der Erde ausmachen. Inspiration kommt insbesondere aus dem Studium der paläontologischen Sammlungen der verschiedenen Museen auf der ganzen Welt, die so viele Ideenbibliotheken darstellen. Es ist tatsächlich nichts Offensichtliches daran, dass die Knochen und Gelenke von Riesennashörnern oder Dinosauriern in der Lage waren, solche Gewichte zu tragen, ohne zu brechen.

Wir müssen verstehen, dass das Verstehen eines Naturphänomens nicht alles ist, denn dann muss es auf technische Weise auf die menschliche Welt übertragen werden. Somit wird Bioinspiration als „ein kreativer Ansatz“ definiert, gemäß der Definition, die 2015 vom Biomimetics Committee der International Organization for Standardization (ISO) veröffentlicht wurde. Man könnte also sagen, dass Biomimikry eher eine allgemeine Geisteshaltung gegenüber der Natur ist was die Bioinspiration fördert.

Um diese Ansätze konkret zu veranschaulichen, haben wir einige Beispiele ausgewählt, die wir für symbolisch halten. Aber letztendlich öffnet sich Ihnen ein riesiges Universum, und dieser Artikel ist nur ein kleiner Teil dessen, was existiert.

Architektur: Termitenhügel

Das Einkaufszentrum Eastgate in Harare in Simbabwe (Afrika) wurde vom Architekten Mick Pearce entworfen und 1996 erbaut. Die Karriere dieses Architekten basiert auf der Erforschung verantwortungsvoller Techniken unter Verwendung natürlicher Materialien. Dieses Gebäude ist insofern interessant, als das vorgestellte Lüftungssystem natürlich ist und neunmal weniger kostet als eine herkömmliche Klimaanlage. Für seine Entwicklung ließ sich Mick Pearce von Termiten inspirieren. Diese Insekten bauen Hügel, die bei genauem Hinsehen wahre Meisterwerke der Klimatechnik sind: Diese Strukturen ermöglichen es Millionen von Menschen, in einem Schutzraum zu leben, der ihnen eine konstante Temperatur bietet, während die Außentemperaturen extreme Werte erreichen können.

Der Architekt arbeitete mit Ingenieuren von Arup Associates zusammen, um seine Idee zu verwirklichen, die auf einer natürlichen Belüftung basiert, ähnlich wie bei Termitenhügeln, bei denen Außenluft durch die Struktur strömt, um sie auf natürliche Weise zu kühlen. So funktioniert es für das Gebäude. Über Nacht wird in Räumen unter dem Gebäude kalte Luft gespeichert, die die thermische Masse des Gebäudes kühlt. Tagsüber steigt die im Gebäudeinneren erzeugte Wärme nach oben und entzieht dem Gebäudesockel auf natürliche Weise kühle Luft. Einstellbare mechanische Lüftungsschlitze steuern die durch das Gebäude strömende Luftmenge je nach Außenbedingungen und Innenbedürfnissen. Die verwendeten Materialien haben eine hohe thermische Masse, die es dem Gebäude ermöglicht, tagsüber Wärme aufzunehmen und nachts abzugeben, was zum Kühlkreislauf beiträgt.

Luftfahrt: die Flügel der Adler

Im Bereich der Luftfahrt war die Beobachtung und Untersuchung von Vögeln schon immer eine Inspirationsquelle für Ingenieure und Designer, vorausgesetzt wir verstehen, wie Vögel fliegen, gleiten und komplexe Manöver in der Luft ausführen.

Winglets sind ein Beispiel für Innovation aus der Biomimikry. Die Adler sind die Inspirationen. Forscher stellten fest, dass diese Greifvögel häufig die Position ihrer Flügelspitzenfedern anpassen, um den Luftwiderstand zu verringern. Winglets, im Wesentlichen vertikale Flossen an den Flügelspitzen eines Flugzeugs, imitieren diese Eigenschaft.

Die Hauptfunktion von Winglets besteht darin, Wirbel an der Flügelspitze zu verringern, die sich bilden, wenn Hochdruckluft unter dem Flügel in Richtung Niederdruckluft über dem Flügel strömt. Diese Wirbel erzeugen Luftwiderstand und erhöhen den Kraftstoffverbrauch. Das Vorhandensein von Winglets verringert den induzierten Widerstand, was den Treibstoffverbrauch senkt und die Flugreichweite und Nutzlast erhöht. Die Winglets ermöglichen es dem Flugzeug außerdem, in einem höheren Anstellwinkel zu fliegen, ohne abzuwürgen, was die Leistung bei Start und Landung verbessert.

Nanotechnologie: Spinnenseide

Spinnenseide ist vor allem aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften eines der am besten untersuchten Naturmaterialien. Es ist fünfmal stärker als Stahl mit demselben Durchmesser und kann bis zu 40 % seiner Länge gedehnt werden, ohne zu brechen.

Wissenschaftler haben daher die molekulare Struktur der Spinnenseide analysiert, um zu verstehen, was ihr diese Stärke und Flexibilität verleiht. Sie fanden heraus, dass es hauptsächlich aus Proteinen besteht, die zu Spulen gewickelt sind, die sich dehnen und zusammenziehen lassen und so Energie effizient ableiten können. Seide verfügt außerdem über kristalline Bereiche, die für Festigkeit sorgen, im Wechsel mit amorphen Segmenten, die Elastizität ermöglichen.

Diese Entdeckungen haben die Entwicklung synthetischer Fasern gefördert, die die Zusammensetzung und Struktur von Spinnenseide nachahmen und potenzielle Anwendungen eröffnen, darunter:

• Kugelsichere Westen, die leichter und bequemer sind und gleichzeitig einen hervorragenden Schutz gegen Projektile bieten;
• Extrem starke und dennoch leichtere Seile und Kabel, die bei der Herstellung von Hängebrücken, Aufzügen und sogar Kletterausrüstung verwendet werden können;
• Chirurgische Materialien, die die Biokompatibilität und Robustheit von Spinnenseide als künstliche Sehnen und Bänder für die regenerative Medizin nachahmen.

Medizin: Haifischhaut

Haifischhaut ist mit kleinen, V-förmigen Hautzähnchen bedeckt, die die Wasserströmung stören und die Reibung verringern. Diese Eigenschaften haben eine weitere Konsequenz: Haifischhaut schränkt die Anlagerung von Mikroorganismen und damit deren Entwicklung ein. Inspiriert von dieser Textur haben Forscher Oberflächenbeschichtungen und Materialien mit ähnlichen Mustern entwickelt, die die Anlagerung von Bakterien verhindern.

Diese biomimetischen Oberflächen können die Ausbreitung von im Krankenhaus erworbenen nosokomialen Infektionen erheblich reduzieren, ohne dass chemische antibakterielle Wirkstoffe eingesetzt werden müssen, die bekanntermaßen die Antibiotikaresistenz erhöhen.

Robotik: die Bewegungen verschiedener Tiere

Biomimetische Roboter müssen den Einsatz in Umgebungen ermöglichen, die für Menschen oder herkömmliche Maschinen schwierig oder gefährlich wären.

Durch die Nachahmung der wellenförmigen Bewegung von Schlangen haben Ingenieure schlangenartige Roboter geschaffen, die sich durch enge Räume zwängen, komplexe Strukturen erklimmen oder sogar an Such- und Rettungsaktionen in Trümmern teilnehmen können, wo Roboter mit Rädern oder Pfoten nicht hinkommen können.

Biomimetische Schwimmroboter verwenden Flossen und flexible Körper, um die Fortbewegung von Fischen nachzuahmen. Diese haben potenzielle Anwendungen bei der Unterwassererkundung, der Überwachung der aquatischen Umwelt, der Beseitigung von Ölverschmutzungen oder sogar der Inspektion von Unterwasserinfrastrukturen wie Pipelines und Kabeln.

Mikroluftroboter verfügen über schlagende Flügel, um den Flug von Insekten nachzuahmen, wodurch sie präzise Manöver ausführen und in turbulenten Umgebungen stabil bleiben können. Die Anwendungen reichen von der künstlichen Bestäubung bis zur Aufklärung und Datenerfassung an sonst unzugänglichen Orten.

Energie: Photosynthese

Wenn es um Energie geht, ist die Photosynthese eine der bevorzugten Inspirationsquellen. Forscher arbeiten daran, diesen natürlichen Mechanismus für die Entwicklung von Solarzellen zu übertragen, die möglicherweise aktuelle Silizium-Solarmodule übertreffen könnten. Aktuelle Forschungen zur Entwicklung organischer Photovoltaikzellen mit wasserbasierten Tinten sind vielversprechend. Die Gesamtidee besteht darin, einen lichtempfindlichen Farbstoff zu entwickeln, der Sonnenlicht absorbieren und angeregte Elektronen erzeugen kann, die einen elektrischen Strom erzeugen können.

Diese Technologien sind im Hinblick auf Produktionskosten und Effizienz vielversprechend, da die bioinspirierten Zellen auch bei bewölktem Wetter oder im Schatten effizient funktionieren können.

Auf dem Weg in die Zukunft!

Klebstoffe, inspiriert vom Befestigungssystem von Muscheln, Design luftgestützter Sensoren, inspiriert von Insektenflügeln, Wassermanagement, inspiriert vom Verhalten eines in der Wüste lebenden Käfers … Die Quelle der Natur scheint unerschöpflich!

Um die Entwicklung eines solchen Ansatzes zu unterstützen, führt das Pariser Naturkundemuseum in Frankreich gemeinsam mit dem Centre for Studies and Expertise in Biomimicry (CEEBIOS) ein Projekt namens BIOMIg durch, das sich dem Einsatz von Biomimicry in Frankreich widmet und EuraMaterials, ein Wettbewerbscluster für materialverarbeitende Industrien mit Sitz in Tourcoing. Wir haben bereits erwähnt, dass Biomimikry interdisziplinäre Ansätze erfordert. Auch dieses Projekt zielt darauf ab, ein Netzwerk zwischen Entdeckern, Erfindern und Entwicklern für die Entwicklung innovativer und nachhaltiger Biomaterialien aufzubauen. Es geht auch darum, kommerzielle Chancen zu sichern, wenn ein interessanter Weg identifiziert wird. Und umgekehrt geht es darum, herauszufinden, ob die bisherige Forschung geeignet ist, auf die Anfrage eines Industriellen einzugehen, der einen bestimmten Bedarf äußert.

Wenn eine solche Initiative sowohl von öffentlichen Behörden als auch von privaten Akteuren breite Unterstützung findet, liegt das daran, dass die Biomimikry neben den Tausenden von Arbeitsplätzen, die durch diese neuen Anwendungen geschaffen werden können, ein echter Hebel für den Übergang ist und es ermöglicht, den ökologischen und gesellschaftlichen Wandel zu beschleunigen Übergang.

Von Didier Barbeau – Veröffentlicht am 23.11.2023