Бионика - наука изучающая строение живых существ для целей техники

Бионика - наука изучающая строение живых существ для целей техники

Einf(hrung.

Die neuen Wege, die in das kommende Zeitalter f(hren, werden in der

Gegenwart bereitet. Niemand wei(, ob alles genau so sein wird, wie wir es

uns heute vorstellen. Vielleicht kommt es zu anderen, besseren Projekten

und L(sungen. Nat(rlich kommt immer Neues hinzu, und die

Forschungsfortschritte sind so gro(, da( noch viele (berraschungen zu

erwarten sind.

Gegenw(rtig erleben wir, wie sich aus der wechselseitigen

Durchdringung von wissenschaftlich-technischen und industriellen

Fortschritten ganz neue Wissenschaftszweige herausbilden, die vielleicht

morgen schon eine umw(lzende Bedeutung haben k(nnen. F(r 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 er(ffnet sich mit der Bionik.

Diese Bezeichnung kommt vom griechischen Wort (bion( und bedeuet

soviel wie Lebenselement, das hei(t: Element eines biologischen Systems.

Als offizielles Datum der Geburt jener (Br(cke(, 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 f(r k(nstliche Systeme - der Schl(ssel zur neuen

Technik" er(ffnet. Aber dieser Gedanke geh(rte 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 pr(fen, ob sich (hnliche L(sungen 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

ungez(hlte Experimente angestellt. Dabei haben sich im Verlaufe der

Entwicklung hochgez(chtete Eigenschaften und Sinnesorgane von

phantastischer Funktionst(chtigkeit herausgebildet.

Techniker mu( die Natur kennen und studieren, wenn er seine eigenen

Ger(te zu einer hohen Leistung bringen will oder wenn er nach neuen

Prinzipien sucht. Es ist eine Tatsache, da( in der Natur auch heute noch

mehr Patente stecken, als jemals an Erfinder vergeben wurden. Nur, man mu(

sie erforschen, denn Patentschriften hat sie leider nicht angefertigt.

Diese Patentgeheimnisse stecken hinter all den Fragen, die wir selbst

stellen: Wie verm(gen sich die V(gel im Raum zu orientieren? Wie finden sie

sich auf ihrem Flug (ber 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 W(rmeunterschiede von einem tausendstel Grad wahrnimmt ? Wie finden

Schmetterlinge zueinander? Verst(ndigen sich Insekten mit Hilfe

elektromagnetischer Wellen? Wie funktionieren die Leuchtorgane der

Tiefseefische ? Woher wissen Bienen, wie sp(t es ist?

Fragen (ber Fragen. Von ihrer richtigen Beantwortung h(ngt

au(erordentlich viel ab.

Die Wissenschaft hat feststellen k(nnen, da( jeder lebende Organismus

- vom Kolibri bis zum Kondor, vom einzelligen Strahlentierchen bis zum Wal,

vom winzigen Grashalm bis zur majest(tischen Kiefer - in jeder Hinsicht

eine vollendete, nachahmenswerte Konstruktion darstellt. Obwohl die Bionik

erst vor kurzem ihre offizielle Anerkennung gefunden hat, w(rde es eine

ganze Weile dauern, wollte man die Ergebnisse ihrer Forschungen alle

aufz(hlen.

So ist zum Beispiel ein Ger(t entwickelt worden, das eine genaue

Nachbildung des Geh(rorgans der Qualle darstellt. Mit seiner Hilfe lassen

sich St(rme um 12 bis 14 Stunden fr(her voraussagen als mit einem

gew(hnlichen Barometer.

Anhand eingehender Untersuchungen der Struktur des Auges der

Hufeisenkrabbe konnte die Kontrastsch(rte 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 (ber das

Raumbild informiert und zwischen Isolatoren und Leitern genau zu

unterscheiden vermag. Das Nilhecht-Ortungsprinzip k(nnte f(r uns

interessant werden, da (bliche Echoanlagen zwischen einem in der Tiefe

schwimmenden Wal und einem U-Boot nicht unterscheiden k(nnen.

Andere Forscher befassen sich mit Insekten. Sie nehmen an, da( deren

F(hler die Rolle von Antennen spielen und sie sich mit elektromagnetischen

Wellen verst(ndigen. Aufgefunden hat man solche Wellen allerdings noch

nicht. Es hei(t, sie seien so kurz, da( wir sie noch nicht messen k(nnen.

Techniker haben errechnet, da( ein zehntausendstel Watt gen(gt, um eine

Strecke von (ber sieben Kilometern zu (berbr(cken. Diese Leistung k(nnte

auch ein Insekt aufbringen, denn bei einer Sendezeit von anderthalb Minuten

w(rde es nur ein vierhuderttausendstel Gramm Fett verbrauchen. Wenn der

Mensch hinter das Geheimnis so kleiner Sende- und Empfangsanlagen k(me,

k(nnte das eine gro(e praktische Bedeutung f(r die Informations- und

Steuerungstechnik haben.

Beim Flu(krebs ist ein erstaunliches Gleichgewichtsorgan entdeckt

worden. Es ist von au(erordentlicher Empfindlichkeit gegen(ber

Verlagerungen in jeder beliebigen Richtung und gegen Vibration. Noch wissen

wir nicht, wie es beschaffen ist und wie es funktioniert. Aber wenn das

gekl(rt ist, werden Ger(te entstehen, mit denen die k(nftigen Erforscher

des Erdinneren bei ihrem Abstieg ihren Standort genau bestimmen k(nnen.

Japanische Wissenschaftler stellten fest, da( die Form des Wals der

Fortbewegung im Wasser besser dient als die messerf(rmige Form der modernen

Schiffe. Die Schiffsbauer, die diese Entdeckung ausnutzten, bauten ein

Schiff mit der (u(eren Form eines Wals. Das von den japanischen

Konstrukteuren geschaffene Schiff ist wirtschaftlich vorteilhafter als die

anderen Schiffe, weil seine Motoren bei gleicher Geschwindigkeit und

Tragf(higkeit des Schiffs eine geringere Leistung brauchen.

K(rzlich wurde festgestellt, da( Ratten ein Organ besitzen, mit dem

sie auf R(ntgenstrahlen zu reagieren verm(gen. Sie sprechen bereits auf

eine Dosis von nur 20 Millir(ntgen, gegeben in einer Zehntelsekunde, an !

Es ist verst(ndlich, da( die Bioniker diese seltene F(higkeit mit

besonderer Aufmerksamkeit studieren, um herauszufinden, wie dieses

nat(rliche (Strahlennachweisger(t( funktioniert.

Die Sonnenblume besitzt die Eigenschaft, ihren Kopf st(ndig der Sonne

zuzuwenden. Kann man dieses (Verfolgungsprinzip( zur Speisung der

Sonnenbatterien in kosmischen Forschungslaboratorien kopieren ? Die

Ingenieure besch(ftigen 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 schneeg(ngiges 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

fl(gelartigen Flossen wie auf Skist(cken abst((t. Dieses Gleitprinzip ist

f(r das neue Fahrzeug (bernommen worden. Es liegt mit dem Boden - dem Bauch

- auf der Schneefl(che, und zwei Radschaufeln sto(en es vorw(rts. Es

gleitet m(helos (ber lockeren, hohen Schnee, sinkt nicht ein, ist leicht

lenkbar und erreicht eine H(chstgeschwindigkeit von 50 km/h. Es (bertrifft

bei weitem die motorisierten Scheefahrzeuge alter Art und wird zur Zeit mit

gro(em Erfolg auf unseren antarktischen Stationen verwendet.

Diese Beispiele zeigen, wie die neue Wissenschaft nicht nur zu

erkl(ren versucht, was bisher unerkl(rlich war, sondern da( 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 j(nger. Doch auch auf diesem

Gebiet zeigt das Erreichte mit aller Deutlichkeit, welche gewaltigen

M(glichkeiten 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 Rhombenfl(chen gebildet, die eine Pyramide ergeben.

F(hrende Mathematiker haben wiederholt die Abmessungen der Bienenwaben mit

h(chster Pr(zision bestimmt und sind jedesmal zu dem gleichen Schlu(

gekommen: Alle spitzen Winkel der drei Rhombenfl(chen haben eine Gr((e von

70(32(. Die Wissenschaftler haben nachgewiesen, da( bei der sechseckigen

Form gerade dieses Winkelma( das gr((te Fassungsverm(gen der Wabenzelle bei

geringstem Materialverbrauch ergibt.

In ihrer Jahrmillionen w(hrenden Entwicklung haben die Bienen

gewisserma(en "empirisch" die sparsamste und zugleich ger(umigste Gef((form

f(r die Aufbewahrung des Honigs gefunden.

Sowjetische Ingenieure haben einen wabenf(rmigen Getreidespeicher

entwickelt, der sich rasch und einfach bauen l((t. Schon beim ersten

solchen Wabenspeicher, der die Gr((e 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 gew(hnlichen Getreidespeicher und der

Arbeitsaufwand war nur halb so gro( ! Der Wabenspeicher wurde zum

Typenprojekt erkl(rt.

In n(chster Zeit schon werden in der Rusland - Wabenform folgend -

sechseckige Verwaltungsgeb(ude und Wohnh(user aus getypten Bauelementen

montiert werden.

Siliziumneuron.

Es gibt Aufgaben, zum Beispiel, das Unterscheiden der komplizierten

visuellen Bilder, mit denen sogar Supercomputer mit M(he fertig werden. F(r

uns existiert hier aber keine Schwierigkeit. Kurzum ist Elektronenrechner

vorl(ufig nicht imstande, mit einem Menschen zu wetteifern.

Das ist aber nur vorl(ufig. Wenn man doch ein gro(es 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 (hnlich: erstens unterbricht die Besch(digung 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, f(r die L(sung dieser oder jener Aufgabe selbstgestimmt.

Die Neurocomputer werden nat(rlich die Digitalrechenmaschinen nicht

ersetzen, und nur sie in puncto des intuitiven Denkens in den Maschinen der

f(nften Generation erg(nzen. Viele Fachl(ute, die sich durch

Neurophisiologie fortrei(en lassen, sch(tzen zwar die M(glichkeiten der

Neurocomputer (beraus 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 Universit(t 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 (hnlich, die

auf der Membrane einer Nervenzelle, und auch in Synapsen zu beobachten

sind. Es wird zum Beispiel der Effekt der Gew(hnung wiedergegeben - bei der

vielfachen Einwirkung wird die Anregungsschwelle h(her.

Auf einer nagelgro(en Platte kann man Hunderte von solchen

"Halbleiterneuronen" unterbringen, die auf das Millionfache h(her, 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 k(nstlichen Neurointellektes

bekanntgemacht, der wie man glaubt, der japanischen Gesellschaft

erm(glichen wird, in einen gewissen idyllischen, "rosa" (englisch - pink)

Zustand zu (bergehen - PINK Society. Die Abbreviatur PINK versteht

darunter: Psychological-Intelligent-Neural-Knowledge. Anders gesagt m(ssen

im Entwurf die Errungenschaften der Neurobiologie und Logik, und

Psychologie, und Sprachwissenschaft ... ber(cksichtigt 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.

Schlu(folgerung.

Wurde in der Technik der Vergangenheit das Material der Natur nur als

Roh-, Bau- und Werkstoff oder die blo(e Muskelkraft der Tiere genutzt, so

er(ffnet sich jetzt sogar die M(glichkeit, nat(rliche 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 l(sen. Sie werden

zum zuverl(ssigen und genauen Hilfsmittel, um das Flugregime zu regulieren.

Dieser (Einbau( niederer Lebewesen in technische Systeme w(re eine

M(glichkeit, die wahrscheinlich nur f(r so au(erordentliche Unternehmungen

in Frage k(me wie eben beim Raumflug. Im allgemeinen (begn(gt( sich die

Bionik damit, nicht die nat(rlichen Organismen direkt, sondern die

Prinzipien ihrer (Konstruktion( zu nutzen.

Heute (bernimmt der Mensch ingenieurtechnische L(sungen, zu denen die

Natur gelangt ist, nachdem sie (ber Jahrmillionen hinweg immer wieder

Fehler (berwunden hat. Der Mensch kann sich diese L(sungen zu eigen machen

und so das Stadium des vielen Probierens und Suchens (berspringen.

Man kann der neuen Wissenschaft eine gro(e Zukunft voraussagen. Hier

steht den Gelehrten von morgen ein weites Feld f(r die Forschung offen.

Ausgenutzte Literatur :

1.“ Die Technik um das Jahr 2000”

М. “Wysschaja Schkola” 1980.

2.“ Wissenschaftlich-technischen Kaleidoskop”,

М. “Proswestschenije” 1979.

3. “Die Gro(e Sowjetische Enzyklop(die” ,M.1967.

4. “Siliziumneuron” , M.Mahowald, R.Douglas,

“Nature”:1991,6354.