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BioPat: die professionalisierte Bionik-Recherche

In der Bionik ist die Natur das Vorbild für neue technische Entwicklungen. Das riesige Potenzial der Natur als Ideengeber soll mit dem Suchwerkzeug „BioPat“ jetzt systematisch erschlossen werden. Die Entwickler vom Fraunhofer IAO kombinieren die BioPat-Software mit einer Bionikpotenzialanalyse, damit interessante Natur-Phänomene leichter und schneller den Weg in die Ingenieurabteilungen finden.

Wirtschaftsingenieur Truong Le arbeitet im Innovationsmanagement des Fraunhofer IAO. © Fraunhofer IAO

Bei technischen Herausforderungen nach Vorbildern in der Natur zu suchen ist eigentlich keine neue Idee und wurde auch nicht erst mit der Prägung des Begriffes Bionik in den 60er-Jahren populär. Schließlich hatte sich schon Leonardo da Vinci bei vielen Erfindungen von Prinzipien aus Zoologie und Botanik leiten lassen. Der Entwurf seines visionären Flugapparates, für den er die Konstruktion und Funktion von Vogelschwingen untersuchte, ist eines der spektakulären Beispiele, die auch 600 Jahre nach da Vinci noch beeindrucken.

In der heutigen technologisierten Welt sind es unzählige Details in allen Bereichen der Ingenieurskunst, für die praktikable Lösungen gesucht werden - schnell und kosteneffizient. Dabei helfen innovative computergestützte Anwendungen wie BioPat, mit dem die enorme Fülle heutigen Wissens nach Beispielen aus der Natur durchsucht werden kann. „Wir sparen mit unserem Werkzeug viel Zeit bei der Suche nach einer passenden Lösung für technische Probleme", fasst Wirtschaftsingenieur Truong Le den Nutzen von BioPat zusammen. Er hat BioPat mit seinem Kollegen und Maschinenbauingenieur Frieder Schnabel sowie einem Experten für Computerlinguistik entwickelt. Das Trio arbeitet im Geschäftsfeld Technologie- und Innovationsmanagement des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation, kurz IAO.

Suchprozess beschleunigen

Im Auftrag von Industriepartnern und von Forschungsgruppen aus dem Fraunhofer-Verbund entwickeln die Experten hier Lösungen für besonders knifflige Probleme mit technischem Bezug. „Bei einigen extrem schwierigen Fragestellungen kamen wir allein mit technischem Know-how nicht weiter und haben uns gefragt, ob und wie die Natur Antworten hat. Dabei mussten wir feststellen, dass die Recherche in biologischen Quellen äußerst zeitraubend ist, wenn man in der Bio-Welt nicht so versiert ist“, sagt Le. Vor allem die unterschiedlichen Terminologien im Ingenieurswesen und der Biologie führten zu fehlerhaften Suchen. Le nennt ein Beispiel aus der Recherche in englischen Quellen: „In der Technik wird der Begriff ‚preserve’ im Sinne von frischhalten, erhalten, verwendet – in der Biologie stießen wir im untersuchten Zusammenhang dafür auf ‚cultivate“.

Die Suchmaschine BioPat verknüpft technische und biologische Begriffe. © Fraunhofer IAO, Stuttgart

Hier bestand also Übersetzungsbedarf. Le und sein Team machten sich daran, eine Art Übersetzungsprogramm zu entwickeln, das eine effiziente Lösungssuche sowohl in technischen als auch in naturwissenschaftlichen Informationsbeständen ermöglichen sollte. „Wir erarbeiteten ein Wörterbuch Technik – Biologie, das wir jetzt ständig weiterentwickeln“, bestätigt Le. Zurzeit ist es für die Recherche in Fraunhofer-abonnierten Datenbanken optimiert, grundsätzlich aber so angelegt, dass es zum Beispiel auch für beliebige Webseiten angepasst werden kann.

Wörterbuch Technik – Biologie, Biologie – Technik

Das Konzept für BioPat stammt aus der Computerlinguistik. „Es ist eine semantische Technologie, die wir bei uns im Haus für Patentrecherchen entwickelt haben. Hier gab es ähnlich gelagerte Probleme, in dem Fall mit der juristischen Terminologie“, so Le. Die neue Software sollte Wortzusammenhänge semiautomatisch bestimmen und dadurch die Recherche beschleunigen. Daraus entstand die BioPat-Anwendung, deren Wörterbuch und Suchmaschine eigene Entwicklungen des IAO-Teams sind. Bei dem integrierten Clustering-Verfahren griffen die Entwickler auf Open-Source-Algorithmen zurück. „Wir sind damit in der Lage, sehr viele Dokumente zu clustern, wobei eine Gruppe sowohl aus biologischen als auch aus technischen Texten wie Patentschriften bestehen kann“, erklärt Le die Vorzüge.

Der komplette Service: die Bionikpotenzialanalyse

Frieder Schnabel ist Maschinenbauingenieur und hat BioPat mit entwickelt. © Fraunhofer IAO, Stuttgart

Das IAO-Team begnügte sich nicht mit der Entwicklung der Software, sondern erweiterte sein Dienstleistungsangebot zur Bionikpotenzialanalyse. Sie umfasst die Problemanalyse, das Durchsuchen der biologischen Wissenspools nach jeweils geeigneten Phänomenen und die Unterstützung bei der Umsetzung des Wissens in technische Lösungen. „Wir analysieren die Suchergebnisse und bereiten sie so auf, dass sie direkt in neue technische Konzepte eingehen", erklärt Le und betont den Nutzen der Analysen im Vorfeld: „Selbst wenn wir das Problem gut kennen, müssen wir uns vorab noch sehr genau überlegen, welche Suchbegriffe aus der technischen Welt wir eingeben. Diese Überlegung führt zur Reduzierung auf sinnvolle Begriffe und damit zur Reduktion der Komplexität des Problems an sich - das gehört mit zum Service."

Seit rund einem Jahr bietet das IAO-Team seinen Partnern BioPat und die Bionikpotenzialanalyse an und hat die Effektivität des neuen Konzepts schon in mehreren Projekten bewiesen. Ein Beispiel ist das Recycling von Verbundplatten, die etwa im Fassadenbau angewendet werden. Aluminiumbeschichtete Polymerplatten weisen bei relativ geringer Plattendicke eine hohe Festigkeit auf und werden deshalb zunehmend im Baugewerbe eingesetzt. Allerdings gab es bis dato noch keine eleganten Lösungen, um sie zu recyceln. „Die Materialien wurden zeitaufwändig mechanisch getrennt, unter Einsatz hoher Temperaturen", erklärt Le. Die Banane brachte ihn und seine Kollegen auf eine bessere Lösung: „Bananen haben einen weichen Inhalt und eine harte Schale, die einfach durch Schälen entfernt wird." Das Schälprinzip zum Trennen von Werkstoffen stand dann am Anfang der weiteren Überlegungen.

Alles Banane?

„Vom Vorbild der Banane sahen wir am Ende nicht mehr viel, aber wir haben ausgehend von diesem Ansatz eine Lösung gefunden. Der Punkt ist, dass man das Problem aus einem anderen Blickwinkel betrachtet“, unterstreicht Le. Sein Team verfolgt insoweit einen untypischen bionischen Ansatz, als es generell nicht darauf fixiert ist, Lösungen in der Biologie zu finden. „Es zeichnet uns aus, dass wir in beiden Welten nach Lösungen suchen und uns dann die beste aussuchen“, bestätigt Schnabel.

Als Nächstes wollen die Entwickler BioPat um ein Expertenidentifizierungssystem bereichern und es damit noch funktionaler machen. Wenn die Suchmaschine passende Phänomene gefunden hat, soll die Software die entsprechenden Bionik-Experten gleich mitliefern, möglichst mit Kontaktdaten und Zusatzinformationen. Im März 2010 soll bereits die nächste, weiterentwickelte Version von BioPat präsentiert werden. Eine Firmengründung ist für das Fraunhofer-Team im Moment noch keine Option, wird aber auch nicht ausgeschlossen. „Zunächst konzentrieren wir uns darauf, die Qualität unseres Werkzeugs zu optimieren“, definiert Le das Nahziel.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/biopat-die-professionalisierte-bionik-recherche