Zoologen am Wissenschaftszentrum Weihenstephan (WZW) der TU München lernen von der Natur: Sie entschlüsseln Fähigkeiten und Eigenschaften von Tieren und Pflanzen und machen sie für neue menschliche Entwicklungen nutzbar. Bionik heißt diese Disziplin, mit der die Grundlagenforscher teils unvermutet und überraschend, teils erst nach langer Suche Zusammenhänge entdecken.
Dabei bleiben die Zoologen nicht unter sich, sondern sie arbeiten eng mit Ingenieuren zusammen, wie Harald Luksch erläutert. Der Weihenstephaner Professor leitet seit kurzem das vor zehn Jahren gegründete "Leonardo da Vinci-Zentrum für Bionik" an der TU. "Es ist faszinierend, biologische Systeme zu verstehen und ihre Leistungen in mathematischen Begriffen zu formulieren. Dafür müssen wir aber zwischen den Fachdisziplinen kommunizieren lernen - auch Ingenieure müssen die Schwierigkeiten bei biologischen Untersuchungen verstehen. Erst dann können Probleme gemeinsam gelöst werden", betont Biologe Luksch, der auch den Lehrstuhl für Zoologie am WZW inne hat.
Die Forscher untersuchen Klapperschlangen, die ihre Beute mit einem Infrarotsensor "sehen" können
Ein Forschungsschwerpunkt ist dort die Sinnesverarbeitung von Tieren. Dafür werden amerikanische Klapperschlangen untersucht, da die dämmerungs- und nachtaktiven Jäger die Wärmestrahlung von Beutetieren mit einem Infrarotsensor "sehen" können. Die Informationen dieses Sensors, der sich zwischen Augen und Wangen in einer Vertiefung befindet, werden im Gehirn der Schlange mit Informationen des Auges verrechnet, so kann die Position der Beute mit maximaler Genauigkeit ermittelt werden. Die Wissenschaftler versuchen nun zu entschlüsseln, wie das Reptiliengehirn dies macht, und die Vorgänge dann auch mathematisch zu simulieren, erläutert Professor Luksch. Die Daten aus optischen und Infrarotsensoren könnten beispielsweise dafür genutzt werden, mit Drohnen Rehkitze in Feldern vor der Mahd aufzuspüren und damit die Tiere zu retten.
Am Lehrstuhl für Zoologie in Weihenstephan ist Tobias Kohl für die Schlangen verantwortlich, der schon als Kind von Reptilien fasziniert war und nun seiner Leidenschaft als Forscher nachgehen kann. Neben den Klapperschlangen züchtet Kohl auch baumbewohnende Boas, die ebenfalls Infrarotstrahlung wahrnehmen können. An diesen Tieren werden zurzeit aber vor allem ihre Bewegungsabläufe untersucht. Eine erwachsene Boa muss bei Körperbewegungen 180 Wirbelkörper gleichzeitig kontrollieren - ein komplexes Berechnungsproblem. Zusammen mit einem Informatiker wird diese Bewegung analysiert und in einem mathematischen Algorithmus abgebildet, um vielleicht später neuartige Roboterarme nach dem Vorbild der Boa zu bauen, schildert der Schlangenspezialist.
Bionische Forschung schaffe nicht sofort neue Produkte, aber sie finde Lösungen in Bereichen, in denen die Ingenieure sie nicht erwarteten, schildert Luksch. Dafür brauche es eine große Portion Neugier und einen offenen Blick in die Natur, dann aber vor allem Zeit und Geduld, um die Befunde genau zu beschreiben und für die Technik zugänglich zu machen. Ein Beispiel ist laut Luksch der sogenannte Ameisen-Algorithmus: Ameisenstraßen nehmen immer den kürzesten Weg zur Futterquelle, aber wie machen die Tiere das? Es gelang, diese faszinierende Fähigkeit mathematisch zu entschlüsseln. Daraus wurde dann ein Modell entwickelt, nach dem Paketdienste ihre Routen planen und Handygespräche im Funknetz übermittelt werden.
Die Haftstruktur an den Füßen von Laubfröschen dient als Vorbild für Operationszangen, die Gewebe festhalten, ohne Verletzungen zu verursachen
Dass Laubfrösche auch an glatten Fensterscheiben klettern können, wissen viele Menschen. Inzwischen sind die Haftstrukturen an ihren Füßen bekannt und dienen als Vorbild für Operationszangen, die schlüpfriges Gewebe festhalten, ohne Verletzungen zu verursachen - auch das ist eines der Wunder der Natur, das sich inzwischen auch der Mensch zunutze gemacht hat.
An der TU München bildet das "Leonardo da Vinci-Zentrum" nicht nur eine Forschungsplattform, sondern organisiert auch eine Ringvorlesung "Bionik", die regelmäßig 200 Zuhörer besuchen. Dort werden Forschungsansätze aus den unterschiedlichsten Fachdisziplinen präsentiert und Studierende aus allen Fächern ermuntert, sich zu beteiligen. "Wir laden zudem Entwicklungsleiter von Unternehmen ein, um die Realität in der industriellen Forschung zu vermitteln", sagt Luksch. Für ihn ist die Bionik auch ideal, um Kinder und Jugendliche für technische Fragen zu begeistern. "In Kinderuniversitäten oder Schulprojekten wird die Neugier und Faszination für die Natur genutzt, um Verständnis für Technik zu vermitteln und damit nicht nur für die TUM zukünftige Ingenieure zu gewinnen."