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Bionik : Der Baum als Vorbild für stabile Technik

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Kerben sind Schwachstellen. Sie lassen sich entschärfen, wenn man sie wie Astgabeln formt. Denn Bäume streben von Natur aus nach einer gleichmäßigen Spannungsverteilung über ihre gesamte Oberfläche. Dieses Wissen kommt besonders Ingenieuren zugute.

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          Dass der Nussbaum hinterm Haus mehr kann, als einmal im Jahr hartschalige Früchte abwerfen und im Herbst die Umgebung mit seinem Laub zu „belästigen“, ist den meisten Zeitgenossen bekannt: sein Holz ist bei Tischlern beliebt, Ofenbesitzer spekulieren auf seinen Brennwert. Einen völlig anderen Nutzen zieht darüber hinaus der Biomechaniker Claus Mattheck aus dem Gewächs. Für Mattheck sind Bäume wahre Naturwunder, deren Strukturen nicht biologischen Zufälligkeiten folgen, sondern einem wohlüberlegten System. Nur so ist es möglich, dass die weit ausladenden, tonnenschweren Äste, an denen gewaltige Wind- und Schneelasten zerren, nicht brechen. Bäume schaffen das, da sie für eine gleichmäßige Verteilung mechanischer Spannungen auf ihrer Oberfläche sorgen.

          Wenn es zu lokalen Überbeanspruchungen kommt, steuern sie mit einem „lastangepassten“ Wachstum dagegen. Dann legen sie an den gefährdeten Stellen zu, es bilden sich Rippen, Wülste oder Wurzelanläufe, die wie in den Boden vorgetriebene Schwerter aussehen. Mit seinen Naturstudien und den daraus abgeleiteten Erkenntnissen darüber, warum Bauteile versagen und wie man gegensteuern kann, ist Mattheck das Musterbeispiel eines Wissenschaftlers, der auf dem vergleichsweise jungen Gebiet der Bionik forscht. Mit dem aus Biologie und Technik hergeleiteten Begriff wird das Anzapfen des riesigen Versuchslabors Natur verstanden: Seit mehr als drei Millionen Jahren übernimmt sie unablässig Experimente, die in Äonen jeweils optimierte Strukturen hervorgebracht haben.

          Erst die Biologie, dann die Technik

          Diese evolutionären Prozesse kann man beobachten und daraus Schlüsse ziehen. Man kann aber auch unmittelbar von der Natur lernen. So soll etwa der französische Naturforscher und Physiker René Antoine Ferchault de Réaumur zu Beginn des 18. Jahrhunderts der Gedanke gekommen sein, Papier nicht wie bis dahin üblich aus Lumpen, sondern aus Holz herzustellen. Er hatte beobachtet, wie Wespen aus abgelösten Fasern ihre Nester bauen. Einer der ersten Bioniker war Leonardo da Vinci. Dieser Naturbeobachter beschreibt, wie die Schwungfedern eines Vogelflügels dank einer raffinierten gegenseitigen Überdeckung eine variable Spannfläche bilden. Beim Abschlag der Schwinge überlappen sie sich und drücken gegeneinander, so dass ein völlig spaltfreies Gefüge entsteht. Beim Aufschlag heben sich die Federn dagegen voneinander ab, und die Luft kann zwischen ihnen hindurchströmen. Dieses Zusammenspiel von Flügel und Luft ist ein typisches Betätigungsfeld für die technische Biologie, die Vorstufe der Bionik.

          Denn erst wenn die Biologie als Grundlagenforschung die Informationen der Natur gesammelt und aufbereitet hat, kann über technische Anwendungen nachgedacht werden. Ähnlich arbeitsteilig ging auch Leonardo vor. Nachdem er das theoretische Prinzip der variablen Fläche genau studiert hatte, versuchte er es auf die Technik zu übertragen. Er nutzte dazu die damals vorhandenen Materialien - Weidenruten und imprägnierte Leinenstoffe - und baute daraus ein System aus tragenden Flächen und Klappen. Sie sollten sich, analog zum Vogelflug, beim Abschlag schließen und beim Aufschlag öffnen. Leonardo hatte also nicht sklavisch die Natur kopiert - etwa mit Bienenwachs Federn an die Arme geklebt, wie es die Mythologie Daedalus und Ikarus nachsagt -, sondern die zu seiner Zeit gegebenen Möglichkeiten der technischen Konstruktion genutzt. Er hat sich verhalten, wie man es von einem Bioniker heute erwarten würde.

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