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.