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Bionik

Architektur trifft Biologie – biologische Funktionsprinzipien im Bauwesen

Was in der Natur im Lauf der Evolution entstanden ist, kann heute dank computerbasierter Simulationen und Fertigungstechniken genutzt werden, um neue Wege in der Architektur zu gehen. In einem transregionalen Sonderforschungsbereich wird untersucht, welche Design- und Funktionsinnovationen dieser Bionik-Ansatz ermöglicht.

Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers ist Sprecher des SFB-TRR 141. Er leitet seit 2000 das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen ITKE der Universität Stuttgart. © Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers leitet das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen ITKE an der Universität Stuttgart und ist Sprecher des DFG-geförderten transregionalen Sonderforschungsbereichs TRR 141 „Biological Design and Integrative Structures". Neben der Universität Stuttgart sind auch die Universitäten Tübingen und Freiburg sowie das Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP an dem Verbund beteiligt. Wenn Stuttgarter Wissenschaftler sich biologischen Prinzipien in der Architektur widmen, wird das schnell mit Frei Otto in Verbindung gebracht, dem großen Vorreiter auf diesem Feld. Er lehrte an der Universität Stuttgart und hat unter anderem gemeinsam mit den Architekten und Ingenieuren um Günter Behnisch und Fritz Leonhardt die Olympiadächer in München entworfen.

Knippers sieht sich jedoch weniger in direkter Tradition von Frei Otto, sondern will diese vielmehr in neue Bahnen lenken. Die Basis dafür sind die enormen Fortschritte in der Molekularbiologie, in den Materialwissenschaften und in den Simulationswissenschaften der letzten Jahre. „Frei Otto hat sich damals im Rahmen der abstrakten Grundlagenforschung viel mit prinzipiellen Fragestellungen befasst. Heute haben wir über computerbasierte Modellierungs- und Fertigungsverfahren ganz neue Möglichkeiten, wobei Simulationen ganz entscheidend für die heutige Technik sind. Sie helfen uns dabei, biologische Prinzipien so zu abstrahieren, dass wir den Schritt zur technischen Modellbildung gehen können. Gleichzeitig ermöglichen sie eine vertiefte Analyse von biologischen Strukturen", erklärt Knippers.

Glossar

  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Morphologie ist die Lehre von der Struktur und Form der Organismen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Das Kunstwort Bionik ist ein Konstrukt aus den Begriffen Biologie und Technik. International wird eher der Ausdruck Biomimetik verwendet, der sich von den englischen Wörtern biology (Biologie) und mimesis (Nachahmung) ableitet. Ziel dieses interdisziplinären Wissenschaftszweiges ist die Umsetzung von Erkenntnissen aus der biologischen Forschung in innovative technische Anwendungen.

Als wichtigen Ausgangspunkt für den neuen Forscherverbund nennt er die über Jahre gewachsene, erfolgreiche Kooperation mit Botanikern um Prof. Dr. Thomas Speck an der Universität Freiburg. „Wir haben elastische Pflanzenbewegungen erforscht und zum Vorbild genommen, um im Leichtbau neue Konstruktionen zu ersinnen. Ein Ergebnis ist Flectofin, ein bewegliches Verschattungsprinzip mit vertikalen Lamellen, das nach dem Vorbild der Paradiesvogelblume Strelitzie funktioniert. Es ist ein robuster Mechanismus, der ohne Gelenke auskommt und deshalb besonders gut an verschiedene Konstruktionen, zum Beispiel gekrümmte Glasfassaden, angepasst werden kann. Das Prinzip, über Elastizität Bewegungen zu initiieren, hat uns viel Aufmerksamkeit eingetragen und inhaltlich weit vorangebracht", so Knippers.

Flectofin ist ein gutes Beispiel für den interdisziplinären Ansatz der Forscher. Denn hier kamen nicht nur Fortschritte in der Konstruktionstechnik, sondern auch in den Materialwissenschaften zum Einsatz: Das System besteht aus einem nachgiebigen Kunststoff, der auf neuartige Weise zu einer Faserverbundfläche verarbeitet wird. Das Team, an dem auch Forscher des ITV Denkendorf beteiligt waren, wurde unter anderem mit dem „Techtextil Innovationspreis – Architektur" und dem hoch dotierten „International Bionic-Award der Schauenburg-Stiftung" ausgezeichnet.

Neuartige Simulationstechnologien erweitern die Anwendungsfelder der Bionik

An diesen Erfolgen will der Sonderforschungsbereich nun anknüpfen. Ein wesentlicher Baustein ist dabei die Kooperation mit Forschern des Exzellenzclusters Simulation Technology, kurz SimTech, an der Universität Stuttgart. Gleich fünf SimTech-Projektleiter helfen dabei, biologische Prinzipien zu modellieren. Somit eröffnet sich den Naturwissenschaftlern ein neuer Zugang zur Analyse biologischer Strukturen. Gleichzeitig werden ihre Konstruktionsprinzipien aber auch für die Architekten und Bauingenieure nutzbar. „Damit gehen wir den Schritt von der Biologie in die Technik. Es werden Modelle entwickelt, die je nach Anforderung beispielweise die Tragfähigkeit oder die Beweglichkeit von Pflanzenteilen simulieren", sagt Knippers. Auf den Ergebnissen bauen er und seine Kollegen dann ihre Konstruktionen und Entwürfe auf. In Sachen Bewegung analysieren die Forscher auch den Klappmechanismus der Venusfliegenfalle, bei der die Blätter nach Berührung durch ein Insekt sofort zuschnappen. Andere Pflanzen wie die Strahlenaralie Schefflera und der Drachenbaum beeindrucken eher durch ihr Tragwerk. Ihre Verzweigungen könnten neuartige Stützkonstruktionen ermöglichen. „Wenn wir die Faserorientierung der Schefflera erforschen, kann uns das dabei helfen, die strukturelle Integrität von Bauwerken zu verbessern", so Knippers.

Das Funktionsprinzip der Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) ist einer der Ideengeber für die Bionik-Forscher. Die beiden Hälften der Fangblätter schnappen als Reaktion auf die Berührung durch ein Beutetier zusammen. © Plant Biomechanics Group Freiburg

Es sind jedoch nicht nur Pflanzen, die dem Forschungsverbund als Ideengeber dienen. Tiere kommen ebenso zum Zug. So werden zum Beispiel mit dem Team um Prof. Dr. Oliver Betz von der Universität Tübingen die stechenden und saugenden Mundwerkzeuge der Raubwanze Dipetalogaster maxima auf ihre Modelltauglichkeit für Verzahnungselemente mit adaptiver Steifigkeit untersucht. Auch die Tragfähigkeit der Seeigelschale fasziniert die Bioniker. Knippers verdeutlicht damit die Arbeitsweise im Forscherverbund: „Wir analysieren mit bildgebenden Verfahren und Materialtests, wie die Kräfte in den Fugen der Seeigelschale verlaufen. Alle Daten werden schließlich kombiniert, um ein mechanisches Modell zu entwickeln. Dieses dient dann wiederum als Basis für Simulationen."

Technische Umsetzbarkeit im Fokus

Die Simulationen dienen auch zur Skalierung. Gerade kleine Pflanzen- und Tierstrukturen lassen sich nicht so einfach Eins zu Eins auf einen größeren Maßstab übertragen. Denn hier können Einflussfaktoren wichtig werden, die im kleinen Maßstab keine Rolle spielen, zum Beispiel physikalische Größen wie Wind und Temperatur. Deshalb ist es ein wichtiges Aufgabenfeld innerhalb des Sonderforschungsbereichs, Simulationen zu entwickeln, bei denen alle Einflüsse adäquat berücksichtigt werden und mit denen die Hochskalierung gelingt und zwar nicht nur geometrisch, sondern auch statisch, wie Knippers betont.

Die Grafik zeigt die Organisation des transregionalen Sonderforschungsbereichs: Das interdisziplinäre Team untersucht die Eigenschaften biologischer Strukturen und entwickelt Strategien, diese in die Architektur zu übertragen. Die Ergebnisse regen wiederum weitere Grundlagenforschung in der Biologie an. Übergeordnetes Ziel ist es, die Bionik als wissenschaftliche Methodik im architektonischen und konstruktiven Entwurfsprozess zu etablieren. © Sonderforschungsbereich TRR 141

Um die Möglichkeiten und Grenzen des tatsächlich Umsetzbaren auszuloten, wurde ein eigener Projektbereich angelegt, in dem die interdisziplinären Teams Methoden für den biomimetischen Transfer in die verschiedenen Anwendungsbereiche entwickeln. Um die Methoden grundsätzlich und nachhaltig nutzbar zu machen, wird in einem weiteren Projektbereich daran gearbeitet, interdisziplinäre Standards für die Kommunikation und Nachhaltigkeitsbewertung in der Bionik-Forschung zu entwickeln. Ein interessanter Zusatznutzen, den die Forscher kontinuierlich mitverfolgen, ist die Rückspiegelung von Ergebnissen in die Forschung. „Die Simulationen der biologischen Vorbilder liefern uns einerseits interessante Erkenntnisse für bauliche Konstruktionen und werfen andererseits neue Fragen in der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung auf", sagt Knippers und nennt als Beispiel die Venusfliegenfalle: „Aus unserer Analyse des Öffnens und Schließens der Venusfliegenfalle hat sich für Biologen die Frage ergeben, welche morphologischen Eigenschaften für das unterschiedliche Schließverhalten der Unterarten der Venusfliegenfalle verantwortlich sind."

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