brand eins, August 2010                                                                                                      zurück zur Übersicht

Rattenscharf

Tiere sind auf vielen Gebieten große Könner. Wir verstehen immer besser, wie sie das machen.Nur mit dem Nachmachen hapert es noch.

Das Wesen hüpft die Düne hinauf wie ein Tennisball auf acht Beinen. Trudelt, springt, rollt in rasender Geschwindigkeit. "Vielleicht ist sie bei der Flucht vor Feinden gestolpert und hat Purzelbäume geschlagen", erklärt sich Ingo Rechenberg das Verhalten der handtellergroßen Radlerspinne. "Und irgendwann hat sie gelernt, dass sie damit doppelt so schnell ist, als wenn sie wie gewohnt auf ihren Beinen läuft. Ist doch faszinierend, oder?" Das Prinzip der Radlerspinne könne ein gutes Vorbild sein für Marsmobile oder für Räder an Behindertenfahrzeugen. Nicht zuletzt könne eine rollende Spinne ein hübsches Spielzeug abgeben.

Bald wird der Berliner Professor für Bionik und Evolutionstechnik wieder zu seinen Spinnen reisen, in die Wüste Erg Chebbi in Marokko. Drei Monate wird er im Zelt leben, schwitzen und sich den Sand aus den Augen reiben. Diesmal hat er auch ein Nachtsichtgerät dabei. "Ich werde still in den Dünen liegen und Spinnen gucken. Denn ich frage mich auch, wie sie in der Dunkelheit nach Hause finden. Orientieren sie sich an den Sternen?"

Diese Spinnen. Auch der Sandfisch bereitet Rechenberg noch immer Kopfzerbrechen. Das ist kein Fisch, sondern eine etwa 20 Zentimeter lange Echse, die ihm Nomaden vor zehn Jahren vor die Nase hielten. Sie zerrieben den Sandfisch zu feinem Pulver, das die Potenz steigern sollte. Rechenberg hingegen fragte sich, wie er so flink durch den Sand flitschen konnte. Er untersuchte die Haut des Reptils unter einem Elektronenmikroskop. Und erkannte, dass sie geprägt ist von Querrillen, nur hundertstel Millimeter tief. "Das könnte die Reibung minimieren, und diese Oberfläche nachzubauen wäre prima, etwa für die Solarspiegel beim Desertec-Projekt", schwärmt Rechenberg. Im Gepäck hat er jetzt hautähnliche Kunststofffolien. Er will sie in die windige Wüste legen. Hoffentlich findet der Sand auf ihnen keinen Halt. "Ich will endlich einen Beweis."

Wer tierische Eigenschaften in Technik übersetzen will, braucht Geduld, denn Tiere sind im Wortsinne unberechenbar. Sicher ist nur: Was sie draufhaben, ergibt Sinn. Sie haben einen Entwicklungsvorsprung von einigen Milliarden Jahren, deshalb nimmt sie sich der Mensch zum Vorbild. "Die Evolution", sagt Ingo Rechenberg, "ist ein hochwirksames Experiment. Tiere müssen in ihrer Umwelt überleben, deshalb bilden sie optimierte Mechanismen heraus. Jede Generation passt sich immer besser an." Auch wenn es Perfektion nicht gibt - Tiere kommen ihr oft sehr nahe.

Die Frage ist nur, welche dieser oft faszinierenden Eigenschaften der Mensch nutzen kann. Jahrhundertelang konzentrierte sich die tierische Bionik auf Äußerlichkeiten. Wie Vögel fliegen und Fische schwimmen, ließ sich mit bloßem Auge erkennen, und der Mensch konnte es ihnen nachtun. Leonardo da Vinci entdeckte im 15. Jahrhundert in Vogel- und Fledermausflügeln einen perfekten Bewegungsapparat und baute ihn nach, aus Weidenruten und Leintuch. Davon inspiriert, bastelte sich der türkische Gelehrte Hezarfen Ahmet Celebi ein Gerät und flog 1638 vom Galata-Turm in Istanbul über den Bosporus.

Wenige Jahrzehnte zuvor konstruierte der Brite Matthew Baker Schiffsrümpfe nach Dorschkopf und Makrelenschwanz. Otto Lilienthal hob Ende des 19. Jahrhunderts richtig ab, mit Gleitseglern nach dem Vorbild von Störchen. Auch die Winglets, die nach oben gebogenen Spitzen an den Tragflächen moderner Flugzeuge, ähneln denen an Vogelschwingen.

Die Pioniere der Bionik interessierte, was Tiere einzigartig macht, was sie von Pflanzen unterscheidet: die selbst gesteuerte Bewegung. Heute dringen Bioniker auch ins Innere der Tiere vor, entschlüsseln ihre Konstruktion, das Material, aus dem sie bestehen, die Sensoren, mit denen sie ihre Umwelt wahrnehmen. Die Forscher orientieren sich an ihren persönlichen Erkenntnisinteressen, am Stand der Technik und an Fördertöpfen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat in den vergangenen drei Jahren 50 Millionen Euro in der Hoffnung auf ressourcenschonende Technik nach dem Vorbild der Natur spendiert.

Das Forschungsfeld ist groß, denn Tiere können viel. Spinnen laufen, Geckos kleben, Ratten nagen. Haie setzen kein Moos an, Käfer erkennen frühzeitig Brände, Kakerlaken überleben Abstürze. Sie sind für uns Menschen Ideengeber, Vorbilder als Perfektionisten und Improvisatoren. Und der Beweis, dass ein Ansatz grundsätzlich funktioniert, bevor man ihn exakt definieren kann.

Nur neue, marktreife Produkte sind dabei bislang kaum herausgekommen. "Die einfachen Systeme sind bereits entdeckt", sagt Rechenberg. "Jetzt kommen wir in den Mikro- und Nanobereich. Wir reden hier von Molekülstrukturen. Die lassen sich mit heutiger Technik kaum nachbilden. Das treibt die Leute zur Verzweiflung. Wir können ja nicht einfach Sandfische häuten und die Teile zusammennähen. Wir können nur Prinzipien übernehmen. Und dann geht die Sache erst richtig los."

Am Anfang steht stets eine einfache Frage: Warum ist das so?

Nagerzähne zu Messern

"Warum haben Nagetiere so verdammt scharfe Zähne", fragte sich Jürgen Bertling, als ihm sein Meerschwein in den Finger biss. Gut sechs Jahre ist das her. "Mein Staunen weicht immer mehr der Begeisterung", sagt der 41-jährige Chemietechnik-Ingenieur. Er leitet das Geschäftsfeld Spezialwerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik in Oberhausen. Meerschweine, Biber, vor allem Ratten, die sich 20 Jahre lang durch Holz, Beton und selbst Metall nagen, widerlegen eine Grundregel der Technik: Was beansprucht wird, wird stumpf.

Deshalb müssen Maschinenmesser, die etwa Spanplatten schreddern, Gummidichtungen ausschneiden oder Stahlplatten, häufig ausgetauscht werden, mitunter nach wenigen Stunden. Ein Messerwechsel kann bis zu acht Mannstunden dauern. Stumpfe Schneiden erfordern zudem einen höheren Kraftaufwand, das kostet zusätzliche Energie, also Geld.

"Ingenieure haben stets versucht, dem Verschleiß mit noch härterem Messer-Material zu begegnen", sagt Bertling, "aber damit sind wir an Grenzen gestoßen." Grund genug, sich näher mit den Werkzeugen der Nager zu befassen. Dabei lernte er: Ratten haben nicht scharfe Zähne, weil diese so besonders hart wären. Vielmehr bestehen sie aus einer harten und einer weichen Schicht. Die Schärfe entsteht mit jedem Biss neu, weil sich das weiche Material abschleift und so immer eine harte, scharfe Kante übrig bleibt. Schärfe durch Verschleiß - dieser Mechanismus brach mit dem traditionellen Prinzip der Ingenieure. "Seitdem ist die Ratte unser Entwicklungspartner", sagt er. "Das ist das Faszinierende an Tieren. Sie heben Widersprüche auf, die in der Technik gelten. Da fängt man ganz anders an zu denken."

Dass es Bertlings Messer noch nicht auf dem Markt gibt, sagt viel aus über die Probleme, die die Fauna Ingenieuren bereitet. "Wir hecheln der Biologie hinterher. Wir können nichts wachsen lassen, wir können die Dinge nicht beleben. Die Natur baut alles von unten auf. Von Atomen über Moleküle entwickeln sich komplexe, verwobene Materialstrukturen. Wenn du da reinguckst, findest du nie ein Ende. Und wie sollen wir das nachbauen? Mit unseren Verfahren schaffen wir nur Feinheiten von bis zu einem Millimeter. Alles andere wäre viel zu teuer."

Wie überlegen die Natur ist, hat Bertling in seinen Versuchen erfahren - unzählige Male gingen seine Messer zu Bruch. Bis er schließlich doch eine geeignete Kombination fand aus weichem Stahl und harter Keramik. Die bionischen Klingen schaffen jetzt 25 000 Schnitte fast ohne Schärfeverlust, den erforderlichen Kraftaufwand für die Maschinen hat Bertling halbiert.

Die Ratte hat ihn gelehrt, Messer zu fertigen, mit denen sich effizienter produzieren ließe. Doch die Industrie beißt nicht an. "Im Labor klappt das prima", sagt er, "aber für die Serienreife müssten wir die Messer in mehr Fabriken testen. Dafür bräuchten wir Firmen, die uns in ihre Produktion lassen und diese Störung auch finanziell tragen. Aber für Neues fehlt oft der Mut. Schärfe durch gelenkten Verschleiß - wir arbeiten mit unseren Messern gegen die Erfahrung alter Männer. Wir hatten um die 60 Anfragen, aber die Industrie will am liebsten fertige Produkte."

An den rattenscharfen Messern zeigt sich ein grundsätzliches Missverständnis zwischen Forschern und Anwendern. Zwar gilt Bionik, also die Adaption tierischer Fähigkeiten, nicht mehr als Spinnerei, sondern als Kreativtechnik, spätestens für den Moment, in dem die herkömmliche Ingenieurskunst an ihre Grenzen stößt. "Aber man muss sich klarmachen, dass Bionik kein Kasten ist, in den man oben eine Frage hineinwirft und unten eine Antwort rauskommt", betont Rainer Erb, Geschäftsführer des Bionik-Kompetenz-Netzes Biokon. "Ob es eine Lösung gibt, entscheidet sich von Fall zu Fall. Und Übertragungen in Produkte verrecken oft in der Pipeline, auch weil sich die Industrie nicht entsprechend beteiligt."

Die große Krux bei der Forschung mit Tieren: Es gibt keine Regeln. Niemand kann vorab sagen, welches Tier ein geeignetes Vorbild ist. Material, Konstruktion, Sensorik, Bewegung - es gibt auch keine Rangfolge dessen, was der Mensch am erfolgreichsten übernehmen kann. Wer sich Tiere zum Vorbild nimmt, betreibt also fast immer Grundlagenforschung. Jede Erkenntnis gebiert eine neue Frage. "Ein großes Problem ist", sagt Erb, "dass man dem nicht genügend Zeit einräumt. Ein halbes Jahr reicht einfach nicht." Dabei kämen gerade bei der scheinbar so ziellosen Grundlagenforschung die entscheidenden Quantensprünge heraus.

Bei den Pflanzen war das der Lotuseffekt. Im Tierreich wird noch daran gearbeitet.

Käfer zu Feuermeldern

Hätte sich Helmut Schmitz nur wegen seiner technischen Verwertbarkeit für Melanophila acuminata, den Schwarzen Kiefernprachtkäfer, interessiert, wäre ihm dessen Geheimnis wohl verborgen geblieben. Zu tief schlummert es im Innern des nur einen Zentimeter großen, platten Winzlings mit sechs Beinen, zwei Fühlern und Flügeln. Zu klein ist dieses Geheimnis. Und so vertrackt, dass selbst Schmitz lange nicht darauf kam, was es damit auf sich hatte. 20 Jahre Forschung sind eine lange Zeit.

Der 51-Jährige mit Brille, Bart und Pullunder ist Biologe an der Universität Bonn und zeigt ein Schnittbild; es ähnelt einer Luftaufnahme von Kornkreisen. Oder einem Krater auf dem Mond. "Man schaut sich das an und hat keine Ahnung, was das soll. Es gibt kein Vorwissen, auf das man zurückgreifen kann. Deshalb dauert das so lange."

Melanophila acuminata ist ein erstaunliches Tier. Es nimmt Brände aus vielen Kilometern Entfernung wahr. Dort, wo man das Feuer weder riechen noch sehen kann. Dafür hat es winzige kugelförmige Sensoren am Leib, ein Drittel so dünn wie ein Menschenhaar. Darin befinden sich einige Hundertmilliardstel Milliliter Flüssigkeit. Treffen Wärmestrahlen auf den Sensor, dehnt er sich aus und drückt auf eine Sinneszelle. "Der Käfer kann Brände gewissermaßen in Echtzeit hören", sagt Schmitz. "Das muss er auch, denn er legt seine Larven in frischem Brandholz ab. Und das muss er finden."

Im Tierhaus lehnen armdicke verkohlte Kiefernäste an den Wänden. In den Ästen schlummern die Larven. Sie schlüpfen im Sommer. Schmitz erzählt, wie er jedes Jahr auf der Suche nach neuen Käfern in verbrannten Wäldern steht, zwischen krachenden Bäumen, lodernden Flammen, inmitten von Rauchfahnen. "Der Boden ist stellenweise 400 Grad Celsius heiß, da lösen sich die Schuhsohlen ab. Und die Käfer landen ein paar Zentimeter weiter auf sicherem Boden. Wie kann das sein? Das ist doch irre. Das muss man einfach erforschen."

Seine Begeisterung verbindet Schmitz seit 1991 mit den Käfern. Es gab Berichte, wonach sie ein brennendes Öltanklager aus 80 Kilometer Entfernung angeflogen hätten. Kein Mensch wusste, wie sie das schaffen. "Ich wollte sie zunächst nur verstehen", sagt der Biologe. Doch seit er weiß, wie Melanophila acuminata grundsätzlich funktioniert, will er mit dessen Hilfe einen technischen Infrarot-Sensor entwickeln. Seit nunmehr 15 Jahren.

Jährlich richten Waldbrände allein in Europa Schäden in Höhe von rund 2,5 Milliarden Euro an - das Käferprinzip könnte effektive Frühwarnsysteme ermöglichen. Mit preiswerten Wärmebildkameras könnten Hausbesitzer nach undichten Stellen fahnden, Hitzedetektoren könnten Gebäude, Fahrzeuge oder Produktionsstraßen überwachen. Nachtsichtgeräte, medizinische Diagnostik - für Schmitz haben die Käfer-Sensoren ein riesiges volkswirtschaftliches Potenzial.

Dass er sie überhaupt analysieren kann, verdankt er den verfeinerten Methoden, die ihm mittlerweile zur Verfügung stehen. Am Anfang hat er noch lebende Käfer in den Windkanal gehängt und der Wärme ausgesetzt - "doch festgeklebte Käfer fühlen sich nicht wohl, das verfälscht die Ergebnisse". Er hat feine Nadeln in ihre Nervenbahnen gestoßen - und damit das filigrane Sensorsystem nur gestört. Seit einigen Jahren kann er seine Käfer in bis zu 300 Scheiben schneiden, kann die Sensor-Oberfläche abhobeln, um die Härte und Wärmeleitfähigkeit einzelner Bereiche zu messen. Er kann mit seinen Daten einen Computer füttern und den Sensor simulieren. "Das Prinzip ist simpel", sagt Schmitz, "aber das Material ist das Problem. Wir wissen noch immer nicht, welche Flüssigkeit im Sensor ist. Es ist einfach zu wenig, die kriegt man nicht raus aus dem Käfer."

Bis aus dem Wärmesensor von Melanophila acuminata ein Serienprodukt entsteht, vergehen noch Jahre, prophezeit Schmitz. Zurzeit versucht sich der Biologe mit Technikern des Bonner Forschungszentrums für Neurowissenschaften an einem Prototypen aus Silizium. Der Chip ist zehn Quadratmillimeter klein. Nur die Testflüssigkeit, die bekommen sie einfach nicht blasenfrei eingefüllt. Schmitz bleibt gelassen: "Man versucht es eben, das ist ein bisschen wie Sport. Dieser Käfer wird mich bis zu meiner Pensionierung beschäftigen. Das macht nichts, denn wir experimentieren nicht ins Blaue. Der Käfer beweist, dass unser Prinzip stimmt. Hochleistungsorgane bewegen sich immer an der Grenze des physikalisch Möglichen."

Nur logisch, dass der Versuch, sie mit den Mitteln der Technik nachzuahmen, viel Zeit kostet. Allerdings muss nicht unbedingt Perfektion das Ziel sein, wenn Tiere als Vorbild dienen. Da Evolution bedeutet, überleben zu lernen, müssen auch Tiere improvisieren. Daran orientieren sich Bioniker noch nicht sehr lange. Dabei liegt es so nahe - betrachtet man die Mühen, die die Technik dem Menschen bereitet.

Kakerlaken zu Marssonden

Auf die Idee mit den Schaben kam Tobias Seidl in einem Hotelzimmer in Tunesien. Fingergroße Exemplare krochen über den Boden. Er sammelte sie ein und warf sie vom Balkon. "Da habe ich gesehen, dass sie miserable Flieger sind. Sie trudelten irgendwie nach unten. Im Grunde sind sie kontrolliert abgestürzt. Damit waren sie für uns ideale Versuchstiere."

Denn sie erinnerten Seidl fatal an Marssonden. Als Fellow des Advanced Concept Team, der Denkfabrik der Europäischen Weltraumbehörde ESA, hatte er oft erlebt, wie sie auf den Boden krachten. Zu weit ist der Mars entfernt, als dass man die Sonden beim Landen exakt steuern könnte. "Da geht viel kaputt, und mit konventioneller Technik kann man das Problem schlecht lösen." Zusätzliche Rückstoß- und Federsysteme? Er winkt ab. "In eine Sonde darf nicht zu viel Technik und Treibstoff. Raumfahrt ist ein Kampf um Gewicht. Jedes Kilogramm zusätzlich kostet 100 000 Euro, schießt man es ins All. Wir waren auf der Suche nach Alternativen."

Was können Raumfahrt-Ingenieure von notlandenden Kakerlaken lernen? Diese Frage führte Seidl an die Fachhochschule Bremen zu Antonia Kesel, Leiterin des Studiengangs für Bionik. Die 48-Jährige hat einen lebensgroßen Plastik-Pinguin auf dem Fensterbrett, ihrem Büro gegenüber knabbern Kakerlaken in einem Glaskasten an Möhren und Haferflocken, fressen sich Maikäfer durch Blätter in einer Haribo-Box. Im Kühlschrank lagern Schnäbel von Kalmaren und Rosenkäfer in Alkohol; im Tiefkühler Kartoffelkäfer und Ameisen.

Kesel arbeitet viel für die Industrie, an rund 80 Prozent ihrer Vorhaben sind Unternehmen beteiligt. "Nutzung durch Verstehen statt durch Aufessen", ist ihre Devise. "So langsam rücken die Tiere ins Bewusstsein." Die trudelnden Kakerlaken kamen ihr gerade recht. "Pottwale, die in der Tiefsee sehr hohem Druck widerstehen - solche extremen Fähigkeiten interessieren mich nicht so sehr. Kakerlaken hingegen leben in der gleichen Umwelt wie der Mensch. Da lassen sich Fähigkeiten vielfältiger übertragen. Und gerade ihre Improvisationsgabe ist verlockend. Tiere funktionieren nicht binär; sie haben ein Spektrum an Reaktionsmöglichkeiten. Diese Unschärfe ist ein enormer Vorteil gegenüber dem Engineering. Der Mensch sucht immer nach der einen Lösung. Tiere hingegen lehren uns, einen größeren Spielraum zu nutzen. Die Kakerlake ist da keine Ausnahme."

Die Bremer Bioniker bauten den Kakerlaken eine Flug-Arena. Sie verhängten einen Raum mit weißen Stoffbahnen und schubsten die Tiere in 3,5 Meter Höhe durch eine schräge Plastikröhre in die Luft. Mit Highspeed-Kameras nahmen sie rund 150 Flüge auf, ein Computer las aus Tausenden Einzelbildern Flugmuster heraus. "Kopf hoch, Hintern runter, Flügel raus", erinnert sich Tobias Seidl, "dann flogen sie Kurven oder schraubten sich irgendwie abwärts."
Was die Forscher frappierte, war die Landung. "Die Schaben schlugen flach wie Pfannkuchen auf", sagt Kesel, "und dann poppten sie wieder zurück in ihre ursprüngliche Körperform. Wir haben gemerkt: Es liegt nicht nur am Flug. Wir müssen auf den Werkstoff schauen."

Wieder zeigte sich, was die Beschäftigung mit Tieren so lohnenswert macht: Sie bergen Überraschungen und lösen Probleme auf eine Weise, auf die man selbst nie gekommen wäre. Denkfutter für Menschen. Ein Jahr nach den Flugübungen sind die Kakerlaken für Kesel nicht mehr nur Vorbilder für Raumfahrzeuge. Sie forscht mittlerweile an Materialien für stoßfeste Verpackungen.

Und die ESA? "Die Ingenieure können lernen, Systeme zu entwickeln, die sich selbst stabilisieren", sagt Seidl. "Wir wussten ja vorher gar nichts, nun gibt es Ideen. Das Aufprallverhalten war uns komplett neu. Notlandung - das war bislang kein technisches Konzept, dabei entspricht es doch den Sonden recht gut. Wir haben auch nie wirklich darauf geachtet, empfindliche Komponenten besonders sicher unterzubringen."

Selbstverständlich, räumt auch Seidl ein, werden die Marssonden nicht schon morgen wie Kakerlaken trudeln. Tierische Vorbilder in menschliche Technik zu übersetzen heißt denken, ausprobieren, vereinfachen. Das braucht Zeit, und vielleicht wird es nicht gelingen. "Aber das Thema ist jetzt in der Welt", sagt er, "und das ist doch schon was." -

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