22 März 2011

Bionik: Spinnenseide und Käferfüße als Ideengeber

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte in den vergangenen Jahren viele Projekte im Bereich Bionik

“Erfindungen nach dem Vorbild der Natur” – damit beschäftigt sich die Bionik. Indem sie Prinzipien aus der belebten Natur in technische Produkte umwandeln, wollen Forscher neue Materialien mit bisher ungekannten Eigenschaften entwickeln. Erste erfolgreiche Produkte gibt es bereits, zum Beispiel selbstreinigende Fassadenfarbe oder Haftmaterial ohne chemischen Klebstoff.

Auf der “International Industrial Convention on Biomimetics 2011″, die Mitte März in Berlin stattgefunden hat, präsentierten Wissenschaftler und Unternehmen ihre neuen bionischen Produkte. Mehr als 300 Teilnehmer aus 13 Ländern lockte die Veranstaltung in die Hauptstadt.

Vielen gilt Leonardo da Vinci als einer der großen Universalgelehrten der Renaissance. Mit dem Gemälde der Mona Lisa und der berühmten Proportionsstudie “Der vitruvianische Mensch” erlangte er als Maler Weltruhm. Aber auch als Ingenieur war Leonardo ein Pionier und seiner Zeit weit voraus. Jahrzehntelang skizzierte er beispielsweise Fluggeräte, die den heutigen Hubschraubern gleichen. Weil er den Vogelflug analysierte und versuchte, seine Erkenntnisse auf Flugmaschinen zu übertragen, sehen viele in da Vinci den Begründer der Bionik.

Mit Haifischhaut purzeln Weltrekorde
Knapp 500 Jahre nach seinem Tod hat sich die Bionik zu einer anerkannten Wissenschaft entwickelt. Mit ihr sollen Konstruktionsprinzipien der belebten Natur entschlüsselt werden, um sie für die Technik nutzbar zu machen. Inzwischen gibt es einige Produkte, bei denen die Natur Pate gestanden hat. Fassadenfarben, die sich dank des Lotuseffekts selbst reinigen, sind sicherlich eines der bekanntesten Beispiele.

Auch als die Hochleistungsschwimmer vor wenigen Jahren plötzlich alle Weltrekorde pulverisierten, war Bionik im Spiel. Badeanzüge, die eine Struktur wie Haifischhaut hatten, verhalfen den Schwimmern zu einem geringeren Widerstand und sorgten so für neue Spitzengeschwindigkeiten. Nicht nur Schwimmer, auch Containerschiffe sollen künftig leichter durchs Wasser gleiten. Eine dem Schwimmfarn nachempfundene Oberflächenstruktur verleiht den Frachtern unter Wasser ein wenige Millimeter dünnes Luftpolster. Weil dadurch weniger Reibung entsteht, könnten die Schiffe bis zu 10% weniger Kraftstoff verbrauchen (mehr…).

Welche Lösungsansätze der Werkzeugkasten der Natur noch bereithält, zeigten mehr als 60 kreative Köpfe aus Wissenschaft und Wirtschaft bei einem Kongress Mitte März in Berlin. Mehr als 300 Teilnehmer aus 13 Ländern lockte die “International Industrial Convention on Biomimetics 2011″ in die Bundeshauptstadt. Der thematische Bogen der Veranstaltung war breit gespannt: Kraftfahrzeugtechnik, Maschinenbau und Architektur waren ebenso vertreten wie Medizintechnik, Robotik und chemische Industrie.

Spinnenseide als Filter
Gemeinsam mit Axel Leimer von der Firma AMSilk GmbH aus Martinsried zeigte beispielsweise Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth, was sich mit künstlicher Spinnenseide alles bewerkstelligen lässt. Das entsprechende Naturprodukt steht schon lange im Fokus des Interesses, verfügt es doch über außerordentliche Eigenschaften: Fünf mal zugfester als Stahlseile, drei Mal druckfester als Eichenholz, gleichzeitig aber dehnbarer als Gummi, wasserfest und biologisch abbaubar (mehr…).

“In Papua-Neuguinea fischen Ureinwohner mit Käschern, deren Netz sie von Spinnen haben weben lassen”, berichtet Scheibel in Berlin. Fische mit einem Gewicht von bis zu sechs Kilogramm ließen sich damit problemlos aus dem Wasser ziehen.

Schon seit Jahren forscht seine Arbeitsgruppe an Spinnenseide, die sich industriell herstellen lässt. Inzwischen konnte er Bakterien erzeugen, die entsprechende Proteine produzieren (mehr…). Die Biotech-Firma AMSilk will in den kommenden Monaten die ersten Spinnenseide-Produkte auf den Markt bringen. “Als erstes werden wir die Bereiche Medizin- und Filtertechnik bedienen”, kündigt Unternehmensschef Leimer an. Die Spinnenseide soll dafür zu einer Art Vlies verarbeitet werden.

“Der besondere Vorteil gegenüber chemisch hergestellten Stoffen ist, dass wir die Oberfläche noch chemisch modifizieren können”, so Leimer. Dadurch könnten beispielsweise Indikatoren oder Signalmoleküle am Filtermaterial befestigt werden. So lassen sich dann bestimmte Stoffe besonders einfach nachweisen oder aufreinigen. Doch die künstliche Spinnenseide kann noch viel mehr: Kleine, mit einem Wirkstoff beladene Kügelchen könnten künftig Bestandteil vieler Medikamente sein. Implantate könnten eines Tages mit einer dünnen Spinnenseide-Beschichtung überzogen werden, um so eine bessere Bioverträglichkeit zu erreichen.

Um für die Vielzahl neuer Anwendungsfelder genug Material zu haben, sorgt AMSilk schon einmal vor: Die in Bakterien produzierten, hauchdünnen Spinnenseide-Fasern werden in einem Vlies miteinander vernetzt. “Wir wollen die Produktion jetzt vom 100- in den 100.000-Liter-Maßstab bringen”, berichtete der AMSilk-Chef den Tagungsteilnehmern stolz. Dafür bekam das junge bayerische Unternehmen nun noch einmal fünf Millionen Euro von seinen Investoren.

Klebeband ohne Klebstoff
Sein Kollege Stanislav Gorb von der Universität Kiel ist schon einen Schritt weiter. Mit dem Gecko®-Haftband hat ein Industriepartner bereits das Ergebnis seiner Forschungsarbeit auf den Markt gebracht. “Auf dem Silikongummi sind auf jedem Quadratzentimeter mehr als 29.000 Haftstrukturen untergebracht”, erklärt Gorb, der 1999 zu den BioFuture-Preisträgern gehörte.

Unter dem Elektronenmikroskop sieht auf den ersten Blick aus wie eine Mischung aus Pilzkopf und Saugnapf. Vorbild in der Natur ist übrigens nicht etwa – wie der Name vermuten lässt – das possierliche Reptil, sondern verschiedene Insekten. “Viele Käfer haben an ihren Füßen kleine Hafthärchen, die genaue Form ist aber zwischen den Arten ganz unterschiedlich”, erklärt Gorb. Mindestens fünfmal haben verschiedene Tierarten im Laufe der Evolution unabhängig voneinander das Hafthaare entwickelt. “Offenbar sind Härchen also eine gute Idee, wenn es darum geht, starke Adhäsionskräfte aufzubauen”, so Gorb.

Nachdem er einige Zeit die unterschiedlichen Insektenfüße unter dem Elektronenmikroskop studiert hat, entwickelte er gemeinsam mit dem Klettverschluss-Hersteller Gottlieb Binder GmbH & Co. KG ein Klebeband nach dem Vorbild der Natur. Das hat ganz erstaunliche Fähigkeiten: 20.000 Klebezyklen macht es mit, ohne dass die Adhäsionskraft verloren geht. Im Vakuum haftet es genauso gut wie unter Wasser und weil der Kontaktschluss ganz ohne Klebstoff zustande kommt, ist es auch noch vollständig waschbar. Fast 30.000 der mikroskopisch kleinen Haftfüßchen finden auf einem Quadratzentimeter des Klebebandes Platz.

Auch die Industrie hat die breite Verwendungsmöglichkeit des Materials offenbar erkannt: Auf der CeBIT in Hannover wurde das Team um Gorb Anfang März für seine Leistung mit einem “iF Gold Award” des International Forum Design ausgezeichnet.

Bionik bezeichnet die Übertragung biologischer Funktionsprinzipien auf technische Anwendungen. Ein bekanntes Beispiel ist der Lotuseffekt, bei der die wasserabweisende Fähigkeit der Lotusblätter in der Industrie für die Produktion wasserabweisender Oberflächen genutzt wird.

Die bayerische AMSilk ist zum Beispiel 2007 für ihre Idee beim Gründungswettbewerb Bionik ausgezeichnet worden (mehr…). Viele andere Projekte profitierten von der Initiative “BIONA – Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien”. Inzwischen wurden allein in dieser Initiative 35 verschiedene Projekte mit insgesamt 33 Millionen Euro unterstützt.

BMBF-Vertreter Lothar Mennicken konnte sich in Berlin davon überzeugen, dass das Geld gut investiert wurde. In Bezug auf die vielen BIONA-Projekte, die sich auch auf dem Kongress präsentierten, zeigte er sich optimistisch, dass “BIONA durch Innovationen zu einer nachhaltigen Entwicklung, zum Beispiel zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz beiträgt.”

Source: Biotechnologie.de, 2011-03-22.

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