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07: Design by nature – nature’s contribution to industrial progress

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Hauptschule
Breakout / Working Group
german language

In this working group, the topic of bionics will be discussed from various angles by experts from research and industry. Bionics deals with decoding “inventions of the living world” and their innovative applications by technological means. However, is it really possible and useful to apply nature s design to various products? There are innumerable applications for this interdisciplinary topic. By presenting concrete examples from the fields of surface technology, tribology and tissue engineering we will show how the experiences gained from research can be applied in an economically feasible way. We will also deal with the limits of what is possible and with the advantages and disadvantages that arise with these applications.

Speakers

Geschäftsführer und Wissenschaftlicher Leiter, AC²T research GmbH - Österreichisches Kompetenzzentrum für Tribologie und K2-Zentrum XTribology, Wiener Neustadt Abstract
Tribologische Aufgabenstellungen aus der Sicht natürlicher Vorbilder zu bearbeiten, gehört (noch) nicht zum Alltag. Dies mag damit zusammen hängen, dass der Systemansatz im Zusammenhang mit Reibung und Verschleiß selbst erst relativ spät in das Bewusstsein der Techniker und Wissenschafter gedrungen ist ("Tribologie", 1966).
Ohne die generelle tribo-bionische Sichtweise einschränken zu wollen, muss doch festgestellt werden, dass diesbezügliche Vorbilder der Natur sich jeweils in ihrer ganz spezifischen Umgebung bewähren. Dies betrifft insbesondere thermische Situationen oder mechanische Gegebenheiten (Beanspruchungen). Werden diese jeweiligen Bedingungen - man könnte sie tribologisches Biotop nennen -, innerhalb derer zumeist eine erstaunliche Fehlertoleranz besteht, nicht eingehalten, so ist das Versagen des Systems naheliegend.
Zu Anforderungen aus dem tribologischen Alltag werden einige Beispiele herausgegriffen (siehe hiezu auch [1]):
Maschinenelemente mit kinematischen Funktionen
Hiezu gehören insbesondere Lager und Führungen. Aus dem Bereich der Biotribologie sind als klassische Systeme die Gelenke (Hüfte, Knie, Schulter) im Betrachtungsbereich. Die hervorragenden Eigenschaften des gesunden (!) natürlichen Gelenkes - niedrige Reibung, interne Kühlung, beanspruchungsabhängige Grenzschicht bzw. Schmierstoffpräsenz, Regeneration der Verschleißflächen, unproblematische Aufarbeitung (Rezykling?) der Verschleißpartikel - werden durch die von den Chirurgen verwendeten künstlichen Bauteilen nicht erfüllt.
Beeindruckend sind die natürlichen Maschinenelemente-Lösungen bei Lebewesen aus dem Meso- bzw. Mikrobereich, z. B. Gelenke der Beine von Insekten, vergleichbar einem Kugelscharnier mit 360° Drehwinkel und einer "Sicherheitseinrichtung" gegen Überstrecken, oder die Lagerung der Geißelfäden von Einzellern, die das klassisch-maschinenbauliche Konstruktionsprinzip umsetzt (2 Lager, "statisch bestimmt") und auch noch einen chemischen Nanomotor umfasst.

Schmierstoffe
Neben biogenen Schmierstoffen (Wachse, Öle) sind muköse (schleimartige) Substanzen immer wieder ein Thema der Schmierungstechnik. Durch Schleim bewältigen Schnecken ihre tribologischen Probleme der Fortbewegung durch das während des Kriechens aus einer Drüse unterhalb des Mundes abgegebene Muzin, bestehend aus großen, langgestreckten Zuckermolekülen (Flüssigkristallen). Die Substanz ist eine multifunktionelle Gleitflüssigkeit: wasseranziehend (tribologisch wirksam), antibakteriell, pilztötend und schützend vor Fressfeinden, extrem dünnflüssig beim Darübergleiten des Schneckenfußes (1/1000 der sonstigen Viskosität) [2].

Gleitfreundliche Werkstoffe
Tribologen forschen an Materialien bzw. Gleitsystemen mit "Superlubricity" mit extrem niedrigen Reibzahlen (< 0,001), selbst unter den Bedingungen der trockenen Festkörperreibung. Die technischen Lösungen sind von diesem Wunschziel mehr oder weniger weit entfernt. Aber auch die Natur kann hinsichtlich derartiger Anforderungen nichts anbieten. Immerhin gibt es Beispiele für Hautoberflächen von Tieren, die bei trockener Reibung technischen Materialien überlegen sind. Als Paradebeispiel gilt der in der Sahara beheimatete Sandskink (Glattechse), dessen Schuppenhaut eine regelmäßige Kammstruktur mit hochelastischen Deckplättchen aufweist die hinsichtlich der Sandreibung (!) und Verschleißfestigkeit deutlich besser ist, als polierter Stahl, Glas oder auch PTFE.

Gleithemmende Werkstoffe (bzw. Systeme)
Die Übertragung von Reibungswirkungen im Festkörperkontakt (für Bremsen, Friktionselemente, Autoreifen etc.) hängt von einer Vielzahl von Parametern von der Makrodomäne bis herunter zur Nanodomäne ab. Mensch und Tier gehen mehr oder weniger instinktiv mit dem Phänomen der (ausreichend hohen) (Haft-)Reibung um, nicht ohne bisweilen böse Überraschungen zu erleben. Erst vor wenigen Jahren wurden entscheidende Grundlagenergebnisse erarbeitet, die das enorme, quasi ein- und ausschaltbare Haftvermögen von Insektenfüßen oder den Zehen von Echsen (Geckos) auf Oberflächen erklären helfen. Den Paradebeispielen in diesem Gebiet sei ein banal erscheinendes Beispiel hinzugefügt: Die Reibungseigenschaften der menschlichen Haut variieren relativ stark in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt: Trockene Haut hat eine vergleichsweise niedrige Reibzahl (ca. 0,2), während etwa beim Halten eines Wasserglases (mit leicht feuchter Oberfläche) wesentlich höhere Reibzahlen genutzt werden können (bis ca. 2!). Ähnliche Beispiele ließen sich auch z. B. für Ledersohlen für Schuhe anführen.

Verschleißhemmende Werkstoffe
"Werkstoffe", aus denen Lebewesen aufgebaut sind (organische Substanzen, Zellen von Tieren und Pflanzen), haben nicht nur bisweilen beeindruckende Verschleißfestigkeiten aufzuweisen (siehe das oben zitierte Beispiel der Echsenschuppen), sondern u. U. einen entscheidenden Vorteil: Sie verfügen über Mechanismen der Selbstheilung (im wesentlichen durch Nachwachen der Zellen, möglicherweise zum Teil eine Erklärung für das festgestellte Verschleißverhalten!). Für technische Materialien mit tribologischen Anforderungen gibt es lediglich in bescheidenem Ausmaß das Nutzen plastischer Eigenschaften (zum Ausgleichen von verschleißbedingten Riefen und Kratzern), an chemischen oder mikromechanischen Reparatureffekten wird gearbeitet, jedoch handelt es sich dabei - bezogen auf die jeweils betroffene Zone - um einen Einmaleffekt mit eher bescheidenen Nutzungsmöglichkeiten. Alternativen lassen sich im technischen Bereich - jedoch ebenfalls in einem eher kleinen Bereich an spezifischen Bedingungen - nach dem Prinzip der selektiven Übertragung finden (Verschleißabtrag und Regeneration finden simultan in einem dünnen Oberflächenbereich statt).

Zusammenfassung
Tribo-Bionik - ja, aber! In der Natur realisierte Lösungen bieten interessante Ansätze für tribologische Aufgabenstellungen. Hinsichtlich der Übertragbarkeit müssen diese Lösungen ohne falsche Euphorie kritisch hinterfragt werden. Die evolutionäre Orientierung auf die Optimierung eines Systems unter bestimmten Randbedingungen kann nicht für quasi beliebige Applikationen allgemein übernommen werden. Nichtsdestotrotz werden zunehmend maßgeschneiderte Lösungen in der Tribotechnik nach Vorbildern aus der Natur realisiert werden, zumal die Werkzeuge für die Gestaltung ("Dimensionierung") und die technologische Umsetzung schon jetzt sehr leistungsfähig sind, rasant weiterentwickelt und schließlich auch kostenmäßig attraktiv werden.

Literaturhinweise:
[1] Michael Nentwich, Christina Raab: Bionik-Potenzial in Österreich - Endbericht, Österr. Akademie der Wissenschaften - Institut für Technikfolgenabschätzung, Sept. 2006, ISSN: 1819-1320
[2] www.arxiv.org/cond-mat/0608363 - New Scientist Nummer 191, Seite 19
[3] Ingo Rechenberg: Vorlesungsunterlagern zur Vorlesung "Bionik I", Kapitel 8 - Reibungsminderung-im-Spiegel-der-Evolution, TU Berlin, 2001
Leiter Business Development, Eybl International AG, Krems Abstract
Neben Form, Funktion, Leistung, Lebensdauer und neben dem zunehmend steigenden Faktor der Schadstoffausstossreduktion ist der Wiederverkaufswert eines Fahrzeuges ein wesentliches Kaufentscheidungskriterium, vorallem im Bereich der Volumsmodelle, die vorwiegend mit textilen Oberflächenverkleidungsteilen ausgestattet sind. Ein höherer Wiederverkaufswert eines gebrauchten Fahrzeuges ist aber auch ein Motiv für den Automobilhersteller einen höheren Neupreis im Markt umzusetzen.

Ketchup, Tinte oder Schokolade auf dem Textil? Kein Problem! Mit Wasser spülen und es reinigt sich selbst. Das Zauberwort: Nanotechnologie. Die Textilindustrie ist auf dem Weg zu Quantensprüngen.
Wertigkeit und Emotion sind entscheidende Elemente im Fahrzeuginnenraum. Denn die empfundene Wertanmutung ist bedeutend für die Kaufentscheidung des Kunden. Neue Effekte in Optik, Haptik und Akustik stehen hier im Mittelpunkt, aber auch die kontinuierliche Verbesserung funktionaler Eigenschaften wie schmutzabweisend, lichtbeständig, antistatisch oder atmungsaktiv. Zunehmende Bedeutung gewinnen nachwachsende Rohstoffe, z.B. für hochwertigen Faserverbund. Die Verbindung mit der Nanotechnologie wird weitere Materialeigenschaften ermöglichen.

Als spezifische Probleme können folgende beiden Aspekte angeführt werden
- dauerhafter Schutz
- Griff bzw. Haptik des ausgerüsteten Textils

Bestehende Lösungen führen oft zu starken Veränderungen der textilen Eigenschaften im Bezug auf Haptik und Griff. Auch die Beständigkeit der Ausrüstungen liegt noch weit unter den Anforderungen der Kunden.

Vorraussetzung für den "Lotus Effekt" im Textil:
Bei Beschichtungen dürfen Nanopartikel nicht agglomerieren  die Nanopartikel müssen regelmäßig angeordnet sein.

Lösungsansätze:

Fluorcarbonausrüstung
müssen generell bei 100  150°C angewendet werden, verändern aber die mechanischen Eigenschaften des Textils, da mit der Vernetzung eine Reduktion des Molekulargewichtes und damit der mechanischen Festigkeit einhergeht.
Die Prozesse sind ökologisch recht problematisch, da sie viel Energie und Wasser benötigen. In der Vergangenheit wurde mittels Fluorcarbon Ausrüstungen Versuche durchgeführt, die jedoch die Kundenanforderungen nicht erfüllen konnten


Nanobeschichtung mit Sol-Gel Systemen
Diese Technologie ist relativ jung und kann durch die entsprechende Auswahl der Komponenten sehr spezifische Eigenschaften erreichen.

- Oberflächen können nachträglich einer Beschichtung mit Sol-Gel Systemen unterzogen werden, die eine Reaktionstemperatur von 40-80°C erfordern. Diese Coatings können sehr gut an die Unterlage gebunden werden, wenn OH Gruppen vorhanden sind (die auch eventuell durch einen Aktivierungsschritt erzeugt werden können). Sie haben den Vorteil der Flexibilität bei doch beträchtlicher mechanischer Stabilität, beeinflussen die Optik nicht, und verändern die Haptik nur geringfügig.
- Diese Sol-Gel Systeme polymerisieren nach der Aufbringung und bilden ein mechanisch stabiles Oberflächennetzwerk. Durch die entsprechende Auswahl der Komponenten können gleichzeitig sowohl hydrophobe als auch oleophobe Effekte erreicht werden. Dadurch wird die Anschmutzung sowohl durch wässrige als auch ölige Schmutzkomponenten verhindert bzw. stark vermindert.

- Die Lebensdauer dieser Systeme beträgt je nach mechanischer und UV Belastung ca. 5 Jahre.

Erzeugung von mikrostrukturierten Oberflächen (Lotus-Effekt) möglich.

Der Sol-Gel Prozess beschreibt die Bildung anorganischer Feststoffe. Dabei reagiert ein Molekül in einem Prozess aus Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen in einem Lösungsmittel (Sol) zu einem ungeordneten und verzweigten Netzwerk unter Verlust der Fließeigenschaften. Ein Gel ist somit ein formbeständiges, meist an Flüssigkeiten oder Gasen reiches disperses System.

Auf molekularer Ebene kann der Sol-Gel Prozess für Siliziumalkoxide durch die Reaktionsschritte 1-3 beschrieben werden. Sie finden teilweise gleichzeitig und konkurrierend statt.

In Schritt Eins unterliegt die Si-OR Bindung einer hydrolytischen Spaltung. In der nachfolgenden Kondensation der gebildeten Si-OH Gruppen entstehen Siloxanbindungen, die mit Fortgang der Reaktion ein dreidimensionales Netz ausbilden. Es entsteht ein zweiphasiges System aus SiO2 und den mit Lösungsmittel gefüllten Poren.
Durch unterschiedliche Molverhältnisse von Siliziumalkoxid, Lösungsmittel und Wasser, den pH im Sol oder Lösungsmittel, Art und Konzentration des Katalysators, der Temperatur und externe Faktoren wie Druck und Ultraschallbehandlung können Veränderungen in Bezug auf spezifische Oberfläche, Größe und Verteilung der Poren, sowie der Dichte ergeben.

Vorteile: Diese Systeme können sehr einfach mit geringem technischen Aufwand (Aufsprühen) aufgebracht werden. Die nachfolgende Polymersiationsreaktion sollte bei erhöhter Temperatur (40-80°C) durchgeführt werden, läuft aber auch bei Zimmertemperatur, allerdings wesentlich langsamer ab. Die mechanischen Eigenschaften des Coatings werden durch erhöhte Temperatur ebenfalls verbessert.
Der Prozess benötigt wenig Wasser und wenig Energie.

Durch den Einsatz der Antischmutzausrüstung wird der Wiederverkaufswert des Fahrzeuges erhöht. Damit ergibt sich eine Aufwertung des Faktors Textil im automobilen Innenraum und ein nachhaltiger Beitrag zum emotionalen Entscheidungsprozess nicht nur durch den Faktor Design, sondern auch durch den Faktor Ausrüsten. Es wird damit eine Differenzierung des so ausgerüsteten Produkts zum Mitbewerb erreicht; es soll sogar zu einem Entfliehen aus der bislang anonymen Welt der Textillieferungen in eine markenrechtlich geschützten Situation kommen.
Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter, ECHEM Kompetenzzentrum für angewandte Elektrochemie GmbH, Wiener Neustadt Abstract
Den Traum eines jeden Kletterfans - senkrecht die glatte Wand nach oben oder überhängend ohne technische Hilfsmittel zur nächsten Schwierigkeit - realisieren und beherrschen Spinnen, Ameisen oder Geckos perfekt.
Der Wunsch nach einer "makellosen" Weste - fleckenfrei, was auch immer passiert - wird in der Pflanzenwelt oft realisiert. Wassertropfen perlen von der Oberfläche des Blattes ab und nehmen jedes Körnchen Verschmutzung mit. Diese Selbstreinigung einer biologischen Oberfläche - von Wilhelm Barthlott, Botaniker an der Universität Bonn in den siebziger Jahren bei Beobachtungen im Herbarium entdeckt, in den neunziger Jahren hinsichtlich der physikalisch-chemischen Grundlagen als "Lotus-Effekt" beschrieben und als Marke 1998 registriert, hilft unterschiedlichen Pflanzen wie Schilfrohr, Tulpen, Kapuzinerkresse , ihre Blätter sauber zu halten und die Photosynthese ungestört ablaufen zu lassen.

Dieser Lotus-Effekt basiert auf einer besonderen Oberflächenstruktur, die nur sehr geringe Adhäsionskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und der Oberfläche zulässt, sodass die Kohäsionskräfte innerhalb der Flüssigkeit selbst bei Substanzen mit geringer Oberflächenspannung diese Adhäsionskräfte deutlich überwiegen - es findet daher keine Benetzung der Oberfläche statt. Die an solchen Oberflächenstrukturen gegenüber Wasser auftretenden Kontaktwinkel sind deutlich größer als 130° - es entstehen stark hydrophobe Oberflächen und der Effekt wird auch als "Superhydrophobie" bezeichnet. Durch eine geeignete Kombination von nano-skaligen und mikro-skaligen Strukturen auf einer Oberfläche kann der Lotus-Effekt auch für unterschiedliche Medien realisiert werden.
Auf Glasoberflächen konnte dieser Effekt bereits technisch realisiert und für selbstreinigende große, architektonisch eingesetzte Glasscheiben genutzt werden. Mit Hilfe von nano-skaligen Beschichtungen, deren Aufbringen in den normalen Flachglasproduktionsprozess integriert wurde, konnten "superhydrophobe" Oberflächen und damit leicht zu reinigende Glasscheiben hergestellt werden. Diese eignen sich z.B. ideal als Abdeckung für thermische oder photovoltaische Solarkollektoren, da deren natürliche Verschmutzung in Ballungsräumen weitgehend vermieden werden kann.

In vielen Bereichen ist die Qualität eines "Interfaces", eines dünnen Bereichs zwischen einer festen Phase (als Grundmaterial z.B. Stahl, Aluminium, Messing, nicht leitende Materialien wie Kunststoff oder Glas) und einer weiteren Phase (fest, flüssig oder gasförmig, wie ein Klebstoff, Lack oder einer Flüssigkeit) von entscheidender Bedeutung. Mit dem Design solcher "Interfaces" für unterschiedliche Anwendungen beschäftigen sich mehrere Arbeitsgruppen am ECHEM Kompetenzzentrum für Angewandte Elektrochemie, einem Kplus-Zentrum im Technopol Wiener Neustadt.

Als Beispiele seien hier angeführt:
Durch geeignete nano-skalige Strukturierung und Beschichtung einer Edelstahloberfläche gelingt es, diese Oberflächen mit einer "anti-fingerprint"- Qualität bei weitgehend gleichbleibender Haptik auszustatten. Dadurch sind z.B. Reinigungsschritte von Edelstahlbauteilen im täglichen Nutzungsbereich (Türen etc.) deutlich seltener notwendig. In Kombination mit photokatalytisch aktiven nano-skaligen Titandioxid-Partikeln lassen sich noch zusätzlich anti-bakterielle Wirkungen erzielen. Dadurch lassen sich bei Einsatz im Pflege- und Spitalsbereich leichter höhere Hygienestufe erreichen. Die dafür notwendigen Strukturierungen werden durch definierte elektrochemische Ätz- und/oder Oxidationsprozesse erreicht. Durch Kombination mit einem elektrochemisch unterstütztem Beschichtungs-verfahren können noch weitere spezifische Modifikationen erreicht werden, wie definierte Farbe, hohe Abriebfestigkeit und Härte oder hoher Glanz.

Für die Optimierung der Beständigkeit und Haltekraft von Klebeverbindungen von Metallen (wesentlich z.B. im Automobil- und Schienenfahrzeugbau) ist die Oberflächenstruktur ebenfalls von grundsätzlicher Bedeutung. Durch Optimierung des "Interfaces" über elektrochemische Ätzverfahren bzw. Oxidationsprozesse ("Anodisierung") werden Strukturen hergestellt, an denen sich in Wechselwirkung mit den polymeren Klebern ähnlich starke Adhäsionskräfte ausbilden wie sie die Gecko-Beine auf einer Blattoberfläche generieren.

Neueste Arbeiten beschäftigen sich u.a. mit der Optimierung der Rauheit und der Struktur von metallischen Oberflächen von Druckwalzen für eine verbesserte Farbhaftung oder mit der Umsetzung von Erkenntnissen aus der Biologie bodenbearbeitender Lebewesen wie Maulwürfe, deren Grabwerkzeuge eine definierte raue Oberflächenstruktur aufweisen, die eine deutliche Verminderung der Haftung des Bodenmaterials an den Werkzeugen bewirkt. Diese Oberflächen, realisiert über z.B. elektrochemisch aufgebrachte Hartmetallbeschichtungen auf der Schaufel einer Schubraupe, können die Haftung des Aushubmaterials in der Schaufel deutlich verringern bei gleichzeitiger Verbesserung der Abriebfestigkeit. Dadurch lässt sich die Effizienz einer Schubraupe oder eines Baggers beim Einsatz z.B. in lehmigen Böden deutlich verbessern.
Für die Oberflächen von Flugzeugflügeln können ebenfalls definierte, strömungstechnisch optimierte Strukturen elektrochemisch produziert werden, die den Luftwiderstand des Flugzeugs signifikant absenken. Die Grundlagen zu diesen Arbeiten stammen aus biologischen Untersuchungen der Hautstruktur schnellschwimmender Haie.

Durch Übertragung von Erkenntnissen aus der biologischen Grundlagenforschung im Bereich der Strukturaufklärung und der Organisation können neue technische Anwendungen entwickelt werden, wie z.B. komplexe Stahlwerks- oder Betonkonstruktionen basierend auf Untersuchungen des Knochenaufbaus und von Baumstrukturen, oder die Vermeidung der Wirbelbildung an den Spitzen von Flugzeugflügeln durch Nutzung von Erkenntnissen aus der Beobachtung von Raubvögeln im Gleitflug und der detaillierten Beschreibung des Schwingenaufbaus. Der bereits in den Fünfzigerjahren des 20.Jhdts. entwickelte Klettverschluß (George de Mestral) basiert auf der Beobachtung der Wirkungsweise von Kletten (Arctium), deren widerhakigen Hüllblätter zur Verbreitung der Pflanzensamen und Früchte durch Tiere dienen (Epizoochorie). Die in der Natur entwickelten Hilfsmittel und Mechanismen der Distribution von Pflanzensamen durch Tiere, Wind oder Wasser stellen ein faszinierendes Gebiet für technische Anwendungen dar, zumal von den angewandten Optimierungsstrategien für unterschiedliche Bereiche moderner Technologie gelernt werden kann (z.B. Frucht des Ahorns - Propellerentwicklung).

Das in den letzten Jahren sich schnell entwickelnde Forschungsgebiet der "Bionik" eröffnet durch Betrachtung und Umsetzung "evolutionärer" Erfindungen der Natur in moderne technische Verfahren und Produkte "radikale" Innovationen, die in einigen Jahren aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sein werden. Selbstreinigende Kleidung, selbststerilisierende Oberflächen von Materialien und Geweben im Spitalsbereich oder optimierte Reifenprofile für bessere Haftung des Kraftfahrzeugs bei Regenwetter sind nur einige Beispiele.

Für den sehr großen Bereich der Strukturmaterialien (Polymere, Composites, Keramiken) sei auf eine zusammenfassende Arbeit von Prof. Peter Fratzl, dem geschäftsführenden Direktor des Max Planck Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam verwiesen, der die "Bio-Inspiration" des Materialwissenschafters als eine wichtige Quelle neuer Möglichkeiten beschreibt und die bio-mimetische Materialforschung als ein ganz wesentliches, rasch wachsendes Hoffnungsgebiet der Materialwissenschaft sieht.("Biomimetic materials research: what can we really learn from nature's structural materials ?", Journal of the Royal Society Interface 2007, 4, 637 ff.)
Vorstand, Internationales Bionik-Zentrum, Stiftung für Bionik, Saarbrücken; Associate Partner, Malik Management Zentrum St. Gallen Abstract
Im Vortrag wird anhand von vier Themenbereichen die Anwendung des Bionik Ansatzes im Management dargestellt:

Bionik für das Topmanagement führt nicht nur bei der Entwicklung von Produkten zu Wettbewerbsvorteilen sondern zeigt auch ganz neue Lösungsmöglichkeiten bei der Gestaltung von Innovationsprozessen und bei der Steuerung und Optimierung von Distributionslogistikprozessen (Schwarmintelligenz) auf.

Heute schon im Einsatz ist die Anwendung des Modells lebensfähiger Systeme für die Diagnose und Gestaltung nachhaltig operierender Organisationsstrukturen sowie der Aufbau optimaler Informationsstrukturen für die Lösung komplexer Probleme bei der Syntegration.

Der Vortrag zeigt auf, wie dieses neue Paradigma des Lernens von der Natur im Management wirkt und welche Einsatzmöglichkeiten sich damit für die erfolgreiche Bewältigung von Komplexität im Management bieten.
Professor for Functional Morphology and Biomechanics; Director, Botanic Garden, Plant Biomechanics Group, University of Freiburg Abstract
Pflanzen und Tiere haben sich bereits seit langen als hervorragende Ideengeber für innovative bionische Produkte bewährt. Dies zeigen sowohl historische Beispiele als auch erfolgreiche aktuelle bionische Entwicklungen [4]. Das Wort Bionik leitet sich aus den Begriffen Biologie und Technik her, wodurch schon eine grundsätzliche Definition der Forschungsrichtung gegeben ist. Unter Bionik versteht man die Umsetzung von Erkenntnissen aus der biologischen Forschung in technische Anwendungen. Es handelt sich hierbei nicht um eine direkte Übertragung, sondern um ein kreatives Umsetzen in die Technik, d.h. um ein durch die Natur angeregtes "Neuerfinden", das in der Regel über mehrere Abstraktions- und Modifikationsschritte abläuft. Bionik ist ein hochgradig interdisziplinäres Forschungsgebiet. Bionisch forschen bedeutet, dass Fachleute aus unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise Biologen, Chemiker, Physiker oder Ingenieure, in einem wissenschaftlichen Kontext miteinander kommunizieren und arbeiten [6].

An aktuellen Forschungsprojekten, die in der Plant Biomechanics Group Freiburg mit verschiedenen Kooperationspartnern durchgeführt werden, wird die Vorgehensweise vom biologischen Vorbild bis hin zum patentierbaren biologisch inspirierten technischen Endprodukt erläutert. Hierbei lassen sich zwei grundsätzlich unterschiedliche Vorgehensweisen unterscheiden, die als "Bottom-Up-Prozess" und "Top-Down-Prozess" bezeichnet werden [6].

Ein Beispiel für den "Bottom-up-Prozess" ist der "Technische Pflanzenhalm", ein bionisches Produkt, das in enger Kooperation mit dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf entwickelt wurde. Beim "Technischen Pflanzenhalm" handelt es sich um ein biologisch inspiriertes Faserverbundmaterial mit optimiertem Faserverlauf und Gradientenstruktur. In enger Absprache zwischen Biologen und Ingenieuren entstand schließlich ein Prototyp des "Technischen Pflanzenhalms", eines textilen Hohlprofils mit Funktionskanälen. Dafür wurde eine dreidimensionale Flechtstruktur produziert, die in eine geschäumte Polyurethan-Matrix eingebettet ist. Das Hohlprofil wurde mit einem Flecht-Pultrusions-Verfahren hergestellt, das zur industriellen Endlosproduktion derartiger Produkte geeignet ist [1 ,2].

Die Struktur verbindet extremen Leichtbau mit hervorragender Energiedämpfung und besitzt ein gutmütiges Bruchverhalten. Das neuartige bionische Hohlprofil ist für sein Gewicht mechanisch sehr hoch belastbar. Ein Versagen des Verbundmaterials durch Ablösung einzelner Elemente aus dem Verbund soll durch allmähliche Steifigkeitsübergänge zwischen Fasern und Matrix weiter verringert werden.

Das zweite vorgestellte Forschungsprojekt, das in Zusammenarbeit mit dem Center for Synergetic Structures an der EMPA Dübendorf durchgeführt wird, ist ein Beispiel für den "Top-Down-Prozess". Bei diesem Projekt geht es um die Entwicklung selbstreparierender technischer Materialien basierend auf den schnellen Selbstreparaturprozessen bei Pflanzen. Biologische Vorbilder sind hierbei verschiedene Arten von Lianen und krautigen Pflanzen, die Geweberisse, wie sie durch Wachstumsprozesse oder Verletzungen entstehen, schnell und effizient reparieren können. Eine erste technische Umsetzung ist die Entwicklung selbstreparierender Membranen für pneumatische Strukturen, die einen schnellen Rissverschluss bei Beschädigung der Membran bewirken und somit den Luftaustritt stoppen oder zumindest deutlich verlangsamen. Im Labormaßstab konnten durch die Verwendung von unter zwei Bar Überdruck polymerisierten, hoch elastischen Polyurethan-Schäumen bereits hervorragende Selbstreparatureffekte erzielt werden. So kann bei Verletzungen der Membran mit Nägeln von bis zu 5 mm Durchmesser der Luftaustritt im Vergleich zu unbeschichteten Membranen um zwei bis drei Größenordnungen verlangsamt werden [3, 5].

Abschließend werden die Möglichkeiten und Grenzen der Bionik diskutiert. (1) Die Bionik ist Zusatz, nicht Ersatz. Traditionelles Konstruieren durch Ingenieure wird weiterhin die Grundlage technischer Entwicklungen bleiben. Bionik kann und soll diese etablierte und bewährte Vorgehensweise nicht ersetzen. (2) Die Bionik bietet Anregung, keine Patentrezepte. In der Natur sind viele Probleme gelöst, die als analog zu technischen Problemen angesehen werden können. Die vielfältigen Lösungsvorschläge der Natur sollen als Ideenreservoir zur (Weiter-)Entwicklung von Technologien und Produkten genutzt werden. (3) Natürliche und technische Parallelentwicklungen sind nicht Bionik. Oftmals wurden in der Vergangenheit ohne jegliche Vorkenntnis der Natur Problemlösungen in der Technik entwickelt, die in ihrer Funktion und teilweise auch ihrer Form natürlichen Gebilden mit ähnlichen Aufgaben verblüffend ähneln. Solche Lösungsanalogien sind das Ergebnis von Parallelentwicklungen ohne wissenschaftlichen Erkenntnistransfer von der Biologie in die Technik und haben nichts mit Bionik zu tun. (4) Die Bionik ist nicht per se "ökologisch" oder "umweltverträglich". Nachhaltigkeit ist zwar ein intrinsisches Ziel bionischer Forschung, aber bionische Produkte können auch mit Materialien hergestellt werden, die keine gute Ökobilanz besitzen [6].

Die Bionik ist also weder Allheilmittel, noch wird sie die moderne Technologieentwicklung revolutionieren. Sie kann aber in vielen Technologiefeldern inspirierend und zukunftsweisend sein und ist ein bisher viel zu wenig genutztes Mittel, um technische Innovationen zu generieren.


Literatur: (weiterführende Literatur siehe zitierte Arbeiten)
(1) Milwich, M., Speck, T., Speck, O., Stegmaier, T. & Planck, H. (2006): Biomimetics and technical textiles: solving engineering problems with the help of nature s wisdom. - American Journal of Botany, 93/10: 1295 - 1305.
(2) Rüggeberg, M., Burgert, I. & Speck, T. (2006): Fibre-matrix interfaces in plants as model systems for technical composites. - In: L. Salmen (ed.), Proceedings of the 5th International Plant Biomechanics Conference Vol. I, Stockholm, STFI Packforsk AB, Stockholm, 77 - 82.
(3) Speck, O., Luchsinger, R., Busch, S., Rüggeberg, M. & Speck, T. (2006): Self-repairing membranes for pneumatic structures: transferring nature s solutions into technical applications. - In: Salmen, L. (ed.), Proceedings of the 5th International Plant Biomechanics Conference Vol. I, Stockholm, STFI Packforsk AB, Stockholm, 115 - 120.
(4) Speck, T. & Neinhuis, T. (2004): Bionik, Biomimetik - ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunftspotential. - Naturwissenschaftliche Rundschau, 57/4: 177 - 191.
(5) Speck, T., Luchsinger, R., Busch, S., Rüggeberg, M. & Speck, O. (2006): Self-healing processes in nature and engineering: self-repairing biomimetic membranes for pneumatic structures. - In: Brebbia, C.A. (eds.), Design and Nature III, 105 - 114. WIT Press, Southampton.
(6) Speck, T., Harder, D. & Speck, O. (2007): Gradienten Werkstoffe und Selbstreparatur: von der Biologie lernen für die Technik. - In: Kunststoffe im Automobilbau, 1 - 14. VDI Wissensforum, IWB GmbH, VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf.
Produktionsleiter, Diamond Aircraft Industries GmbH, Wiener Neustadt
Institut für Holzforschung, Universität für Bodenkultur Wien Abstract Chair
Die Bionik stellt eine interdisziplinäre Wissenschaft dar, deren Ziel es ist, in der Natur erfolgreich angewandte Prinzipien in Struktur und Funktion zu analysieren und in technische Anwendungen umzusetzen. Diese Umsetzung erfolgt dabei nicht einfach durch Kopieren der Natur, sondern vielmehr in Form eines durch die Natur angeregten Entdeckens und Erfindens. Beispiel dafür sind Flugmaschinen, die zu den traditionsreichsten Anwendungsbeispielen der Bionik zählen. So begeisterten um 1905 die Flugeigenschaften des geflügelten Samens der tropischen Zanonia macrocarpa den österreichischen Industriellen Igo Etrich so sehr, dass er daraus ein erfolgreiches Flugzeug, die legendäre Etrich Taube, entwickelte.

Ein wichtiger Bereich bionischer Umsetzung sind Innovationen im Werkstoff- und Verfahrensbereich, die selbst vielfach zur treibenden Kraft für industrielle Produktentwicklungen werden können. Darunter sind neuartige Strukturen, Verfahren und Funktionen zu verstehen, die auf Vorbildern aus der Natur beruhen und auf die Herstellung bzw. Anwendung synthetischer Werkstoffe übertragen werden. Ziel ist es dabei, biologische Werkstoffe nachzuahmen und ihre besondere Festigkeit bei geringem Gewicht (z.B. Holz), ihre katalytischen oder sensorischen Eigenschaften oder auch Haftungsphänomene zu nutzen (z.B. Gecko-Effekt). Solche bionische Werkstoffansätze können sein: biofunktionalisierte Oberflächen ("Lotuseffekt"), biomorphe hierarchische Strukturen wie aus pflanzlichen Strukturen erzeugte Keramiken, oder biomineralisierte Werkstoffe nach dem Vorbild der Muschelschale.

Besonders in der Bionik sind folgende Entwicklungsphasen gut zu erkennen: (1) Entdecken, (2) Entschlüsseln, (3) Übertragen, (4) Anwenden. Nicht alle Entdeckungen der Bionik finden gleich den Weg in Richtung Anwendung, geht es doch in der Wissenschaft doch auch darum, Phänomene als solche erstmal zu entdecken, ohne gleich den möglichen wirtschaftlichen Nutzen sehen zu wollen. Das Entschlüsseln als nächsten Schritt verlangt gerade in der Bionik ein hohes Maß an Interdisziplinarität, eine oft formulierte Forderung, die nur selten wirklich umgesetzt wird. Die technische Übertragung und Anwendung verlangt die Zusammenarbeit mit Ingenieuren, Technologen, etc., es müssen Patent- und Schutzrechte geklärt werden, Risikokapital und mutige Unternehmenspartner sollen gefunden werden. Erst der Schritt vom Prototyp zum Produkt wird zeigen, ob sich ein neuer Werkstoff, eine neue Technologie, durchsetzen kann. Gezielte Förderprogramme für bessere interdisziplinäre Zusammenarbeit in der bionischen Forschung, enge Vernetzung mit der Industrie, hohe Internationalität, sowie insgesamt die Verbreitung bionischer Erkenntnisse in Bildungs- und Studienprogrammen und nicht zuletzt auch in der Öffentlichkeit, werden dazu beitragen, ob die Natur als Vorbild für technische Meisterleistungen auch tatsächlich Wirklichkeit wird.
Head of Department, Company and Technology, ecoplus. The Business Agency of Lower Austria, St. Pölten Coordination

Dr. Friedrich FRANEK

Geschäftsführer und Wissenschaftlicher Leiter, AC²T research GmbH - Österreichisches Kompetenzzentrum für Tribologie und K2-Zentrum XTribology, Wiener Neustadt

1981 Dr. techn.
1983-1998 Stellvertretender Institutsvorstand, Institut für Feinwerktechnik, Technische Universität Wien
1984 Habilitation im Fachgebiet Feinwerktechnik, mit besonderer Berücksichtigung der Tribologie, Technische Universität Wien
1984-1988 Leiter, Abteilung für Tribologie, Institut für Feinwerktechnik, Technische Universität Wien
1999-2003 Vorstand, Institut für Mikro- und Feinwerktechnik, Technische Universität Wien
2002-2005 Administrativer und wissenschaftlich-technischer Leiter, Ludwig-Boltzmann-Institut für Hüftendoprothetik und orthopädische Implantologie
seit 2002 Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter, AC²T research GmbH - Österreichisches Kompetenzzentrum für Tribologie, Wiener Neustadt
seit 2004 Stellvertretender Leiter, Abteilung Mikrosystemtechnik, Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme, Technische Universität Wien

Gabriele MÜLLER

Leiter Business Development, Eybl International AG, Krems

1992-1997 HTBL u. VA - St. Pölten "Wirtschaftsingenieurwesen"
1998-2001 HUK Schadenreferent bei der Donau Allg. Versicherung AG
seit 2001 beschäftigt bei Eybl International AG
2001-2003 Produktentwicklung Konfektion
2003 Umstieg zum Engineering für Interieur
2004 Übernahme der Leitung Advanced Engineering
2007 Übernahme der Leitung BDA Business Development Innovation und Business Services

Dr. Karl-Heinz OELLER

Vorstand, Internationales Bionik-Zentrum, Stiftung für Bionik, Saarbrücken; Associate Partner, Malik Management Zentrum St. Gallen

 Studium an der Hochschule St. Gallen, Doktorat mit Auszeichnung
 15 Jahre Industrieerfahrung als Geschäftsführer in führendem Ostschweizer Unternehmen der Bauzulieferindustrie (Haustechnik) Ausbau zum Marktführer in Exportmärkten Middle and Far East; Geschäftsführung der europäischen Produktionswerke in D und England.
 4 Jahre Geschäftsführung für technischen Anlagenbau mit innovativen Maschinen und Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten und ASICS in der Elektronik-Industrie mit Turn-Key-Projekten in Russland; Markterschliessung in USA ,Taiwan
 15 Jahre selbständiger Unternehmensberater mit Schwerpunkten Strategie, Marketing, BPR; Geschäftsmodellentwicklung, Implementierungsunterstützung
 Projekterfahrung und Expertise in Strategieentwicklung, Geschäftsmodelle, Business Process, Re-Engineering, Management Kybernetik, Projektmanagement, Kybernetische Systemanalysen

Dr. Thomas SPECK

Professor for Functional Morphology and Biomechanics; Director, Botanic Garden, Plant Biomechanics Group, University of Freiburg

1978-1986 Studium der Biologie, Universität Freiburg
1986 Diplom in Biologie, Thema aus dem Grenzbereich Biophysik - Paläobotanik, Universität Freiburg
1986-1990 Wissenschaftlicher Mitarbeiter, DFG-Projekt zur biomechanischen Analyse fossiler Pflanzen
  Freiburg
1990 Promotion in Biologie, Titel der Dissertation: Biomechanische Untersuchungen an aufrechten Pflanzenachsen unter besonderer Berücksichtigung der frühen "Gefäß"-Landpflanzen, Universität
1990-1993 Wissenschaftlicher Angestellter, Fachbereich Pflanzensystematik und Paläobotanik, Fakultät für Biologie, Universität Freiburg
1993-1999 Hochschulassistent, Botanischer Garten der Universität Freiburg
 WS 99/00 Gastprofessor, Formal- und Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität Wien
1996 Habilitation and venia legendi für Botanik & Biophysik, Titel der Habilitationsschrift: Eine funktionell- biomechanische Analyse von Achsenstruktur und Wuchsform rezenter und fossiler Pflanzen
2000-2002 Hochschuldozent, Botanik und Biophysik, Universität Freiburg
2001 Berufung an die Humboldt-Universität Berlin auf eine Professur für Paläobotanik verbunden mit der Leitung der Abteilung für Paläobotanik am Naturkunde Museum Berlin
2001 Berufung an die Fakultät für Biologie der Albert-Ludwig-Universität Freiburg
2002-2006 C3-Professor, "Funktionelle Morphologie und Biomechanik" und Direktor, Botanischer Gartens der Universität Freiburg
2006 Berufung als Leitender Direktor, Botanischer Garten und Botanisches Museum Berlin-Dahlem, W3-Professur für Pflanzensystematik und Pflanzengeographie, Freie Universität Berlin
seit 2006 W3-Professor für "Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik" und Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg

Manfred ZIPPER

Produktionsleiter, Diamond Aircraft Industries GmbH, Wiener Neustadt

1985-1987 Goodyear Industrie Fulda: Industriemeister, Schichtleiter
1989-1993 Robbe Modellsport: Modellentwicklung
1994-2000 Selbstständig im Bereich Formenbau für Autoindustrie und Modellbau
seit 2000 Diamond Aircraft: Leiter Formen-, Vorrichtungs- und Prototypenbau

Dipl.-Ing. Dr. techn. Rupert WIMMER

Institut für Holzforschung, Universität für Bodenkultur Wien

 Studium der Forst- und Holzwirtschaft an der Universität für Bodenkultur Wien, sowie Technischer Umweltschutz an der Technischen Universität Wien
1991 Doktoratsstudium der Bodenkultur
1997 Habilitation
  Ao. Univ.-Prof. am Institut für Botanik, Universität für Bodenkultur Wien
1993-1994 Post-Doc Aufenthalte am Oak Ridge National Laboratory, USA
 Anstellungen an der Fachhochschule Salzburg, bei der Kplus Wood GmbH
2000 Gastforscher am CSIRO, Australien
2003-2005 Forschungsleiter der Funder Industrie
seit 2003 Univ.-Prof. für Naturfaserwerkstoffe an der Universität für Bodenkultur Wien

Dipl.-Ing. Claus ZEPPELZAUER

Head of Department, Company and Technology, ecoplus. The Business Agency of Lower Austria, St. Pölten

 Studium der Lebensmittel- und Biotechnologie, Universität für Bodenkultur Wien
1998-2000 Brauereileiter, Braumeister und stellvertretender Geschäftsführer, 1. Wiener Gasthofbrauerei
2000-2001 Senior Consultant, Czipin & Proudfoot, früher Czipin & Partner, Internationale Produktivitätsberatung
2001-2003 Leiter, Abteilung Research & Development, Melbrosin International GmbH & Co KG
2003-2004 Gründer und Inhaber, Life Science Project Management, Unternehmensberatung für externe Projektleitung von interdisziplinären F&E - Projekten
seit 2004 Technopolemanager, Tulln, ecoplus. Niederösterreichs Wirtschaftsagentur GmbH
seit 2006 Geschäftsfeldleiter, Technopole, ecoplus. Niederösterreichs Wirtschaftsagentur GmbH
  Verantwortlich für die Geschäftsfelder Cluster Niederösterreich, Internationalisierung und Technopole
seit 2007 Bereichsleiter, Unternehmen & Technologie, ecoplus. Niederösterreichs Wirtschaftsagentur

Technology Forum

show timetable

23.08.2007

10:00 - 23:00Presentation of the three Christian Doppler Laboratories concerning allergiesCulture
10:00 - 12:00Technology brunch hosted by Tiroler ZukunftsstiftungSocial
13:00 - 13:20Welcome addressPlenary
13:20 - 14:00OpeningPlenary
14:00 - 16:00Global warmingPlenary
16:30 - 18:15The frontiers of science [in cooperation with the Institute of Science and Technology Austria]Plenary
20:00 - 21:30Looking insidePlenary
21:30 - 23:30Reception hosted by Alcatel-Lucent AustriaSocial

24.08.2007

09:00 - 18:00Junior Alpbach - Science and technology for young peopleBreakout
09:00 - 14:30Working Group 01: The risk and the new - 'risk governance'Breakout
09:00 - 14:30Working Group 02: The changing industrial landscape  challenges, opportunities, strategiesBreakout
09:00 - 14:30Working Group 03: Climate change and risk governance - the role of research, science and innovationBreakout
09:00 - 14:30Working Group 05: New initiatives and models of the 7th EU Framework Programme on Research to enhance European competitiveness - European technology platforms from the Austrian and the European points of viewBreakout
09:00 - 14:30Working Group 05: The end of IT-innovation - the growth opportunity for Europe?Breakout
09:00 - 14:30Working Group 06: The impact of climate change on mobility - challenges for infrastructure and private transportBreakout
09:00 - 14:30Working Group 07: Design by nature - nature's contribution to industrial progressBreakout
09:00 - 14:30Working Group 08: Smart WellbeingBreakout
09:00 - 14:30Working Group 09: The five sensesBreakout
09:00 - 14:30Working Group 10: Technology transfer in European regionsBreakout
09:00 - 14:30Working Group 11: The phenomenon of Second Life - the creation of a new world?Breakout
09:00 - 18:00Ö1 Children's University Alpbach - Science and technology for kidsBreakout
09:30 - 15:30Special event: Bulgaria and Romania as partners in EUropean science and researchBreakout
15:00 - 16:30Regions and global competitionPlenary
16:30 - 18:00The future - dream or realityPlenary
18:30 - 20:00The five sensesPlenary
20:00 - 23:30Reception hosted by the Province of Lower AustriaSocial

25.08.2007

09:00 - 10:00What changed?Plenary
10:00 - 11:00SecurityPlenary
11:30 - 12:00Junior Alpbach and Ö1 Children's University Alpbach 2007Plenary
12:00 - 13:00Science & technology, entrepreneurship & societyPlenary
13:00 - 13:20A look back and a view aheadPlenary
13:20 - 14:30Reception hosted by Microsoft AustriaSocial