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Бионика - наука изучающая строение живых существ для целей техники

Einführung.

Die neuen Wege, die in das kommende Zeitalter führen, werden in der Gegenwart bereitet. Niemand weiß, ob alles genau so sein wird, wie wir es uns heute vorstellen. Vielleicht kommt es zu anderen, besseren Projekten und Lösungen. Natürlich kommt immer Neues hinzu, und die Forschungsfortschritte sind so groß, daß noch viele Überraschungen zu erwarten sind.

Gegenwärtig erleben wir, wie sich aus der wechselseitigen Durchdringung von wissenschaftlich-technischen und industriellen Fortschritten ganz neue Wissenschaftszweige herausbilden, die vielleicht morgen schon eine umwälzende Bedeutung haben können. Für 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 eröffnet sich mit der Bionik.

Diese Bezeichnung kommt vom griechischen Wort "bion" und bedeuet soviel wie Lebenselement, das heißt: Element eines biologischen Systems.

Als offizielles Datum der Geburt jener "Brücke", 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 für künstliche Systeme - der Schlüssel zur neuen Technik" eröffnet. Aber dieser Gedanke gehörte 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 prüfen, ob sich ähnliche Lösungen 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 ungezählte Experimente angestellt. Dabei haben sich im Verlaufe der Entwicklung hochgezüchtete Eigenschaften und Sinnesorgane von phantastischer Funktionstüchtigkeit herausgebildet.

Techniker muß die Natur kennen und studieren, wenn er seine eigenen Geräte zu einer hohen Leistung bringen will oder wenn er nach neuen Prinzipien sucht. Es ist eine Tatsache, daß in der Natur auch heute noch mehr Patente stecken, als jemals an Erfinder vergeben wurden. Nur, man muß sie erforschen, denn Patentschriften hat sie leider nicht angefertigt.

Diese Patentgeheimnisse stecken hinter all den Fragen, die wir selbst stellen: Wie vermögen sich die Vögel im Raum zu orientieren? Wie finden sie sich auf ihrem Flug über 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 Wärmeunterschiede von einem tausendstel Grad wahrnimmt ? Wie finden Schmetterlinge zueinander? Verständigen sich Insekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen? Wie funktionieren die Leuchtorgane der Tiefseefische ? Woher wissen Bienen, wie spät es ist?

Fragen über Fragen. Von ihrer richtigen Beantwortung hängt außerordentlich viel ab.

Die Wissenschaft hat feststellen können, daß jeder lebende Organismus - vom Kolibri bis zum Kondor, vom einzelligen Strahlentierchen bis zum Wal, vom winzigen Grashalm bis zur majestätischen Kiefer - in jeder Hinsicht eine vollendete, nachahmenswerte Konstruktion darstellt. Obwohl die Bionik erst vor kurzem ihre offizielle Anerkennung gefunden hat, würde es eine ganze Weile dauern, wollte man die Ergebnisse ihrer Forschungen alle aufzählen.

So ist zum Beispiel ein Gerät entwickelt worden, das eine genaue Nachbildung des Gehörorgans der Qualle darstellt. Mit seiner Hilfe lassen sich Stürme um 12 bis 14 Stunden früher voraussagen als mit einem gewöhnlichen Barometer.

Anhand eingehender Untersuchungen der Struktur des Auges der Hufeisenkrabbe konnte die Kontrastschärte 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 über das Raumbild informiert und zwischen Isolatoren und Leitern genau zu unterscheiden vermag. Das Nilhecht-Ortungsprinzip könnte für uns interessant werden, da übliche Echoanlagen zwischen einem in der Tiefe schwimmenden Wal und einem U-Boot nicht unterscheiden können.

Andere Forscher befassen sich mit Insekten. Sie nehmen an, daß deren Fühler die Rolle von Antennen spielen und sie sich mit elektromagnetischen Wellen verständigen. Aufgefunden hat man solche Wellen allerdings noch nicht. Es heißt, sie seien so kurz, daß wir sie noch nicht messen können. Techniker haben errechnet, daß ein zehntausendstel Watt genügt, um eine Strecke von über sieben Kilometern zu überbrücken. Diese Leistung könnte auch ein Insekt aufbringen, denn bei einer Sendezeit von anderthalb Minuten würde es nur ein vierhuderttausendstel Gramm Fett verbrauchen. Wenn der Mensch hinter das Geheimnis so kleiner Sende- und Empfangsanlagen käme, könnte das eine große praktische Bedeutung für die Informations- und Steuerungstechnik haben.

Beim Flußkrebs ist ein erstaunliches Gleichgewichtsorgan entdeckt worden. Es ist von außerordentlicher Empfindlichkeit gegenüber Verlagerungen in jeder beliebigen Richtung und gegen Vibration. Noch wissen wir nicht, wie es beschaffen ist und wie es funktioniert. Aber wenn das geklärt ist, werden Geräte entstehen, mit denen die künftigen Erforscher des Erdinneren bei ihrem Abstieg ihren Standort genau bestimmen können.

Japanische Wissenschaftler stellten fest, daß die Form des Wals der Fortbewegung im Wasser besser dient als die messerförmige Form der modernen Schiffe. Die Schiffsbauer, die diese Entdeckung ausnutzten, bauten ein Schiff mit der äußeren Form eines Wals. Das von den japanischen Konstrukteuren geschaffene Schiff ist wirtschaftlich vorteilhafter als die anderen Schiffe, weil seine Motoren bei gleicher Geschwindigkeit und Tragfähigkeit des Schiffs eine geringere Leistung brauchen.

Kürzlich wurde festgestellt, daß Ratten ein Organ besitzen, mit dem sie auf Röntgenstrahlen zu reagieren vermögen. Sie sprechen bereits auf eine Dosis von nur 20 Milliröntgen, gegeben in einer Zehntelsekunde, an ! Es ist verständlich, daß die Bioniker diese seltene Fähigkeit mit besonderer Aufmerksamkeit studieren, um herauszufinden, wie dieses natürliche "Strahlennachweisgerät" funktioniert.

Die Sonnenblume besitzt die Eigenschaft, ihren Kopf ständig der Sonne zuzuwenden. Kann man dieses "Verfolgungsprinzip" zur Speisung der Sonnenbatterien in kosmischen Forschungslaboratorien kopieren ? Die Ingenieure beschäftigen 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 schneegängiges 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 flügelartigen Flossen wie auf Skistöcken abstößt. Dieses Gleitprinzip ist für das neue Fahrzeug übernommen worden. Es liegt mit dem Boden - dem Bauch - auf der Schneefläche, und zwei Radschaufeln stoßen es vorwärts. Es gleitet mühelos über lockeren, hohen Schnee, sinkt nicht ein, ist leicht lenkbar und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h. Es übertrifft bei weitem die motorisierten Scheefahrzeuge alter Art und wird zur Zeit mit großem Erfolg auf unseren antarktischen Stationen verwendet.

Diese Beispiele zeigen, wie die neue Wissenschaft nicht nur zu erklären versucht, was bisher unerklärlich war, sondern daß 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 jünger. Doch auch auf diesem Gebiet zeigt das Erreichte mit aller Deutlichkeit, welche gewaltigen Möglichkeiten 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 Rhombenflächen gebildet, die eine Pyramide ergeben. Führende Mathematiker haben wiederholt die Abmessungen der Bienenwaben mit höchster Präzision bestimmt und sind jedesmal zu dem gleichen Schluß gekommen: Alle spitzen Winkel der drei Rhombenflächen haben eine Größe von 70°32´. Die Wissenschaftler haben nachgewiesen, daß bei der sechseckigen Form gerade dieses Winkelmaß das größte Fassungsvermögen der Wabenzelle bei geringstem Materialverbrauch ergibt.

In ihrer Jahrmillionen währenden Entwicklung haben die Bienen gewissermaßen "empirisch" die sparsamste und zugleich geräumigste Gefäßform für die Aufbewahrung des Honigs gefunden.

Sowjetische Ingenieure haben einen wabenförmigen Getreidespeicher entwickelt, der sich rasch und einfach bauen läßt. Schon beim ersten solchen Wabenspeicher, der die Größe 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 gewöhnlichen Getreidespeicher und der Arbeitsaufwand war nur halb so groß ! Der Wabenspeicher wurde zum Typenprojekt erklärt.

In nächster Zeit schon werden in der Rusland - Wabenform folgend - sechseckige Verwaltungsgebäude und Wohnhäuser aus getypten Bauelementen montiert werden.

Siliziumneuron.

Es gibt Aufgaben, zum Beispiel, das Unterscheiden der komplizierten visuellen Bilder, mit denen sogar Supercomputer mit Mühe fertig werden. Für uns existiert hier aber keine Schwierigkeit. Kurzum ist Elektronenrechner vorläufig nicht imstande, mit einem Menschen zu wetteifern.

Das ist aber nur vorläufig. Wenn man doch ein großes 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 ähnlich: erstens unterbricht die Beschädigung 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, für die Lösung dieser oder jener Aufgabe selbstgestimmt.

Die Neurocomputer werden natürlich die Digitalrechenmaschinen nicht ersetzen, und nur sie in puncto des intuitiven Denkens in den Maschinen der fünften Generation ergänzen. Viele Fachläute, die sich durch Neurophisiologie fortreißen lassen, schätzen zwar die Möglichkeiten der Neurocomputer überaus 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 Universität 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 ähnlich, die auf der Membrane einer Nervenzelle, und auch in Synapsen zu beobachten sind. Es wird zum Beispiel der Effekt der Gewöhnung wiedergegeben - bei der vielfachen Einwirkung wird die Anregungsschwelle höher.

Auf einer nagelgroßen Platte kann man Hunderte von solchen "Halbleiterneuronen" unterbringen, die auf das Millionfache höher, 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 künstlichen Neurointellektes bekanntgemacht, der wie man glaubt, der japanischen Gesellschaft ermöglichen wird, in einen gewissen idyllischen, "rosa" (englisch - pink) Zustand zu übergehen - PINK Society. Die Abbreviatur PINK versteht darunter: Psychological-Intelligent-Neural-Knowledge. Anders gesagt müssen im Entwurf die Errungenschaften der Neurobiologie und Logik, und Psychologie, und Sprachwissenschaft ... berücksichtigt 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.

Schlußfolgerung.

Wurde in der Technik der Vergangenheit das Material der Natur nur als Roh-, Bau- und Werkstoff oder die bloße Muskelkraft der Tiere genutzt, so eröffnet sich jetzt sogar die Möglichkeit, natürliche 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 lösen. Sie werden zum zuverlässigen und genauen Hilfsmittel, um das Flugregime zu regulieren.

Dieser "Einbau" niederer Lebewesen in technische Systeme wäre eine Möglichkeit, die wahrscheinlich nur für so außerordentliche Unternehmungen in Frage käme wie eben beim Raumflug. Im allgemeinen "begnügt" sich die Bionik damit, nicht die natürlichen Organismen direkt, sondern die Prinzipien ihrer "Konstruktion" zu nutzen.

Heute übernimmt der Mensch ingenieurtechnische Lösungen, zu denen die Natur gelangt ist, nachdem sie über Jahrmillionen hinweg immer wieder Fehler überwunden hat. Der Mensch kann sich diese Lösungen zu eigen machen und so das Stadium des vielen Probierens und Suchens überspringen.

Man kann der neuen Wissenschaft eine große Zukunft voraussagen. Hier steht den Gelehrten von morgen ein weites Feld für die Forschung offen.

Ausgenutzte Literatur :

1.“ Die Technik um das Jahr 2000”

Ì. “Wysschaja Schkola” 1980.

2.“ Wissenschaftlich-technischen Kaleidoskop”,

Ì. “Proswestschenije” 1979.

3. “Die Große Sowjetische Enzyklopädie” ,M.1967.

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

        “Nature”:1991,6354.