Biomimetik (Biomimetics)

Biomimetik, auch bekannt als Biomimikry, umfasst die Nachahmung natürlicher Modelle, Systeme und Elemente, um komplexe menschliche Herausforderungen zu bewältigen. Diese Begriffe sind etymologisch im Altgriechischen verwurzelt: βίος (bios), was Leben bedeutet, und μίμησις (mīmēsis), was Nachahmung bedeutet, was von μιμεῖσθαι (mīmeisthai) abstammt, nachahmen und letztendlich von μῖμος (mimos), ein Schauspieler. Die Bionik stellt eine eng damit verbundene Disziplin dar.

Basierend auf Schätzungen zur Entstehung des Lebens wurden biologische Systeme seit über 3,8 Milliarden Jahren durch die Evolutionstheorie geformt. Dieser Evolutionsprozess führt theoretisch zu Hochleistungsarten, die leicht verfügbare Materialien nutzen. Die Eigenschaften von Materialien werden durch die Wechselwirkungen fester Oberflächen mit anderen Oberflächen und ihrer Umgebung bestimmt. Biologische Materialien weisen eine komplexe Organisation auf molekularer, Nano-, Mikro- und Makroskala auf und weisen häufig hierarchische Anordnungen und komplizierte Nanoarchitekturen auf, die gemeinsam verschiedene Funktionselemente bilden. Material- und Oberflächeneigenschaften entstehen aus einer komplexen Wechselwirkung zwischen Oberflächenstruktur, Morphologie und ihren inhärenten physikalischen und chemischen Eigenschaften. Darüber hinaus verfügen zahlreiche Materialien, Oberflächen und Objekte von Natur aus über multifunktionale Fähigkeiten.

Ingenieure, Materialwissenschaftler, Chemiker und Biologen haben vielfältige Materialien, Strukturen und Geräte für kommerzielle Anwendungen entwickelt, während Künstler und Architekten sie für ästhetische, strukturelle und gestalterische Zwecke geschaffen haben. Natürliche Systeme haben bereits zahlreiche technische Herausforderungen gelöst, darunter Selbstheilungsmechanismen, Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen, Hydrophobie, Selbstorganisationsprozesse und effiziente Sonnenenergiegewinnung. Weltweit ist der wirtschaftliche Beitrag bioinspirierter Materialien und Oberflächen beträchtlich und wird auf mehrere hundert Milliarden Dollar pro Jahr geschätzt.

Verlauf

Ein frühes Beispiel der Biomimikry war die Untersuchung des Fluges von Vögeln und Chiropteren, um die menschliche Luftfahrt zu erleichtern. Obwohl es Leonardo da Vinci (1452–1519) nie gelang, eine „Flugmaschine“ zu konstruieren, beobachtete er die Anatomie und Flugmuster von Vögeln und Säugetieren akribisch und dokumentierte seine Erkenntnisse durch ausführliche Notizen und Skizzen, zu denen auch Entwürfe für „Flugmaschinen“ gehörten. Berichten zufolge ließen sich die Gebrüder Wright, denen der erste erfolgreiche Flug eines Flugzeugs, das schwerer als Luft war, im Jahr 1903 zuschrieb, von der Beobachtung von Tauben während des Fluges inspirieren.

Das Konzept der „Biomimetik“ wurde in den 1950er Jahren vom amerikanischen Biophysiker und Universalgelehrten Otto Schmitt formuliert. Während seiner Doktorarbeit entwickelte Schmitt im Rahmen seiner Forschungen an Tintenfischnerven den Schmitt-Trigger, ein Gerät, das das biologische System der Nervenausbreitung nachbilden soll. Seine späteren Arbeiten konzentrierten sich weiterhin auf Geräte, die natürliche Systeme nachahmen, was ihn 1957 dazu veranlasste, eine Perspektive zu artikulieren, die im Gegensatz zum vorherrschenden Paradigma der Biophysik stand und die er später Biomimetik nannte.

Biophysik ist weniger ein eigenständiges Thema als vielmehr eine bestimmte Perspektive. Es stellt einen Ansatz für biologische Wissenschaftsprobleme dar, der die Theorien und Technologien der Naturwissenschaften nutzt. Umgekehrt umfasst die Biophysik auch die Methodik eines Biologen zur Bewältigung von Herausforderungen in den Natur- und Ingenieurwissenschaften, obwohl diese Dimension weitgehend übersehen wurde.

Im Jahr 1960 führte Jack E. Steele den analogen Begriff Bionik auf der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio ein, einem Standort, an dem auch Otto Schmitt beschäftigt war. Steele charakterisierte Bionik als „die wissenschaftliche Untersuchung von Systemen, die entweder in der Natur beobachtete Funktionen nachbilden oder Eigenschaften natürlicher Systeme oder ihrer Analoga verkörpern.“ Bei einem anschließenden Treffen im Jahr 1963 formulierte Schmitt:

Lassen Sie uns darüber nachdenken, was Bionik heute in betrieblicher Hinsicht bedeutet und was sie oder ein ähnlicher Begriff (ich bevorzuge Biomimetik) bedeuten sollte, um das technische Fachwissen von Wissenschaftlern, die sich auf diesen Forschungsbereich spezialisieren – oder besser gesagt, despezialisieren – effektiv zu nutzen.

Der Begriff „Biomimetik“ wurde 1969 von Schmitt im Titel einer seiner Veröffentlichungen eingeführt und 1974 in das Webster's Dictionary aufgenommen. Zuvor war 1960 „Bionik“ in dasselbe Wörterbuch aufgenommen worden, definiert als „eine Wissenschaft, die sich mit der Anwendung von Daten über die Funktionsweise biologischer Systeme zur Lösung technischer Probleme befasst“. Allerdings erhielt „bionisch“ eine besondere Konnotation, nachdem Martin Caidin sich auf Jack Steeles Werk im Roman „Cyborg“ bezog, der später die Fernsehserie „Der Sechs-Millionen-Dollar-Mann“ von 1974 und die dazugehörigen Spin-offs inspirierte. Infolgedessen wurde der Begriff „Bionik“ im Volksmund mit „der Verwendung elektronisch betriebener künstlicher Körperteile“ und dem Konzept der „Verstärkung der normalen menschlichen Kräfte durch oder sozusagen mit Hilfe solcher Geräte“ in Verbindung gebracht. Aufgrund der weit verbreiteten Assoziation von Bionik mit übernatürlichen Fähigkeiten hat die wissenschaftliche Gemeinschaft in englischsprachigen Ländern die Verwendung weitgehend eingestellt.

Der Begriff Biomimicry entstand 1982. Seine weit verbreitete Anerkennung war größtenteils der Veröffentlichung Biomimicry: Innovation Inspired by Nature der Wissenschaftlerin und Autorin Janine Benyus aus dem Jahr 1997 zu verdanken. In dieser Arbeit wird Biomimikry definiert als „eine neue Wissenschaft, die Vorbilder der Natur untersucht und diese dann nachahmt oder sich von ihnen inspirieren lässt, um menschliche Probleme zu lösen“. Benyus plädiert dafür, die Natur als „Modell, Maß und Mentor“ zu betrachten, und hebt Nachhaltigkeit als Kernziel der Biomimikry hervor.

Ein Bericht der Fermanian Business & Das vom San Diego Zoo in Auftrag gegebene Economic Institute quantifizierte die potenziellen langfristigen Auswirkungen der Biomimikry. Die Ergebnisse der Studie verdeutlichten die potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Biomimikry, die durch den „managemANT“-Ansatz von Johannes-Paul Fladerer und Ernst Kurzmann weiter veranschaulicht werden. Dieses Portmanteau, das „Management“ und „Ameise“ kombiniert, bezieht sich auf die Anwendung von Ameisenverhaltensstrategien in Wirtschafts- und Managementkontexten.

Bio-inspirierte Technologien

Die Bionik birgt Potenzial für die Anwendung in zahlreichen Disziplinen. Angesichts der inhärenten Vielfalt und Komplexität biologischer Systeme ist die Palette nachahmbarer Merkmale umfangreich. Biomimetische Anwendungen umfassen ein Spektrum von Entwicklungsstadien, von entstehenden Prototypen bis hin zu potenziell kommerzialisierbaren Technologien. Beispielsweise wurde das Murray-Gesetz, das traditionell zur Bestimmung des optimalen Blutgefäßdurchmessers verwendet wurde, neu abgeleitet, um einfache Gleichungen für Rohr- oder Röhrendurchmesser zu liefern, die technische Systeme mit minimaler Masse ermöglichen.

Fortbewegung

Das Design von Flugzeugflügeln und verschiedene Flugtechniken sind von der Biologie der Vögel und Chiropteren inspiriert. Beispielsweise wurde das aerodynamische, stromlinienförmige Design des verbesserten japanischen Hochgeschwindigkeitszugs, der Shinkansen 500-Serie, dem Schnabel des Eisvogels nachempfunden.

Zu den Biorobotern, die auf der Grundlage der Physiologie und Fortbewegungsmethoden von Tieren entwickelt wurden, gehört der BionicKangaroo, der die Bewegung eines Kängurus nachahmt, indem er Energie zwischen Sprüngen speichert und überträgt. Darüber hinaus ahmen Kamigami-Roboter, die als Kinderspielzeug konzipiert sind, die Fortbewegung einer Kakerlake nach und ermöglichen so eine schnelle und effiziente Bewegung in verschiedenen Innen- und Außengeländen. Ein weiteres Beispiel ist Pleobot, ein von Garnelen inspirierter Roboter, der entwickelt wurde, um metachronales Schwimmen und die Auswirkungen dieser Vortriebsgangart auf die Umwelt zu untersuchen.

Biomimetische Flugroboter (BFRs)

Biomimetische Flugroboter (BFRs) leiten ihre Konstruktionsprinzipien von fliegenden Säugetieren, Vögeln oder Insekten ab. Diese Roboter können über Schlagflügel verfügen, die sowohl Auftrieb als auch Schub erzeugen, oder sie können durch Propeller angetrieben werden. Schlagflügel-BFRs weisen im Vergleich zu ihren propellerbetriebenen Gegenstücken eine verbesserte Schlageffizienz, bessere Manövrierfähigkeit und einen geringeren Energieverbrauch auf. Von Säugetieren und Vögeln inspirierte BFRs weisen vergleichbare Flugeigenschaften und Designanforderungen auf. Beispielsweise mildern beide Kategorien das Kantenflattern und das druckbedingte Einrollen der Flügelspitzen durch eine erhöhte Steifigkeit der Flügelkanten und -spitzen. Darüber hinaus können BFRs, die Säugetieren und Insekten nachempfunden sind, so konstruiert werden, dass sie stoßfest sind, sodass sie für den Einsatz in beengten oder behinderten Umgebungen geeignet sind.

Von Säugetieren inspirierte biomimetische Flugroboter (BFRs) sind typischerweise von Fledermäusen inspiriert, es wurde jedoch auch ein Prototyp auf Basis des Flughörnchens entwickelt. Bemerkenswerte Beispiele für von Fledermäusen inspirierte BFRs sind Bat Bot und DALER. Diese biomimetischen Flugroboter für Säugetiere können für den multimodalen Betrieb konstruiert werden und ermöglichen sowohl die Fortbewegung in der Luft als auch auf der Erde. Um den Aufprall bei der Landung zu mildern, können Stoßdämpfer in die Flügel integriert sein. Eine alternative Strategie besteht darin, den BFR nach oben zu neigen, um den Luftwiderstand zu erhöhen und dadurch die Kraft beim Aufsetzen zu verlangsamen und zu minimieren. Darüber hinaus können vielfältige terrestrische Gangmuster einbezogen werden.

Vogelinspirierte BFRs leiten Designprinzipien von einem breiten Spektrum von Vogelarten ab, darunter Greifvögel und Möwen. In diese BFRs können Federelemente integriert werden, um den Anstellwinkelbereich vor dem aerodynamischen Strömungsabriss zu erweitern. Die Flügel von vogelinspirierten BFRs sind so konzipiert, dass sie eine Verformung in der Ebene ermöglichen, die dynamisch angepasst werden kann, um die Flugeffizienz entsprechend der spezifischen Fluggangart zu optimieren. Beispielsweise ein von Savastano et al. entwickelter, von Raubvögeln inspirierter BFR-Prototyp. verfügt über vollständig verformbare Schlagflügel und kann eine Nutzlast von bis zu 0,8 kg transportieren, während er Manöver wie parabolische Anstiege, steile Abfahrten und schnelle Bergungen ausführt. Ebenso ein von Möwen inspirierter Prototyp von Grant et al. reproduziert präzise die bei Möwen beobachteten Ellbogen- und Handgelenksrotationen und zeigt, dass die Auftriebserzeugung maximiert wird, wenn diese Verformungen gleich groß, aber in entgegengesetzter Richtung sind.

Insekten-inspirierte BFRs orientieren sich im Design häufig an Käfern oder Libellen. Anschauliche Beispiele sind ein vom Käfer inspirierter Prototyp von Phan und Park und ein von der Libelle inspirierter Prototyp von Hu et al. Die Schlagfrequenzen, die für von Insekten inspirierte BFRs charakteristisch sind, übertreffen die anderer BFR-Kategorien deutlich, ein Phänomen, das auf die ausgeprägte Aerodynamik des Insektenflugs zurückzuführen ist. Aufgrund ihres erheblich kleineren Maßstabs im Vergleich zu von Säugetieren oder Vögeln inspirierten Gegenstücken eignen sich von Insekten inspirierte BFRs besonders gut für den Betrieb in engen oder dichten Umgebungen. Der von Phan und Park entwickelte Prototyp, der dem Nashornkäfer nachempfunden ist, demonstriert die Fähigkeit, den Flug nach einer Kollision durch die Verformung seiner Hinterflügel aufrechtzuerhalten.

Biomimetische Architektur

Durch evolutionäre Prozesse, die Mutation, Rekombination und Selektion umfassen, haben sich lebende Organismen an dynamische Umweltbedingungen angepasst. Die grundlegende Prämisse der biomimetischen Philosophie geht davon aus, dass natürliche Bewohner – darunter Tiere, Pflanzen und Mikroben – über beispiellose Erfahrung in der Problemlösung verfügen und bereits Strategien für das Überleben auf der Erde optimiert haben. Analog dazu ist die biomimetische Architektur bestrebt, aus der Natur abgeleitete Lösungen für die Nachhaltigkeit von Gebäuden zu identifizieren und anzuwenden. Obwohl die Natur als grundlegendes Modell dient, gibt es nach wie vor nur begrenzte Beispiele biomimetischer Architektur, die ausdrücklich auf eine positive Auswirkung auf die Natur abzielt.

Das 21. Jahrhundert war durch eine weitverbreitete Energieineffizienz bei Gebäudeentwürfen und einen übermäßigen Energieverbrauch während ihrer Betriebslebenszyklen gekennzeichnet. Gleichzeitig haben die jüngsten Fortschritte bei Herstellungstechniken, rechnergestützter Bildgebung und Simulationswerkzeugen neue Möglichkeiten für die Nachbildung natürlicher Systeme auf verschiedenen architektonischen Maßstäben geschaffen. Dieser Zusammenfluss hat zu einer raschen Verbreitung innovativer Designmethoden und -lösungen geführt, die auf die Bewältigung von Energieherausforderungen abzielen. Biomimetische Architektur stellt einen solchen multidisziplinären Ansatz für nachhaltiges Design dar, der sich an einer Reihe von Leitprinzipien und nicht an bloßen Stilkonventionen orientiert. Sein Anwendungsbereich geht über die bloße ästhetische Inspiration durch die Natur hinaus und konzentriert sich vielmehr auf die Nutzung natürlicher Lösungen zur Optimierung der Gebäudefunktionalität und zur Energieeinsparung.

Merkmale

Das Konzept der biomimetischen Architektur umfasst die Untersuchung und Umsetzung von Konstruktionsprinzipien, die aus natürlichen Umgebungen und Arten abgeleitet und anschließend in nachhaltige Architekturentwürfe umgesetzt werden. Diese Disziplin nutzt die Natur als Modell, Maßstab und Mentor für die Entwicklung architektonischer Lösungen in verschiedenen Maßstäben und lässt sich dabei von Organismen inspirieren, die analoge Herausforderungen in natürlichen Umgebungen erfolgreich gelöst haben. Die Nutzung der Natur als „Maßstab“ impliziert die Annahme eines ökologischen Maßstabs zur Bewertung der Nachhaltigkeit und Effizienz anthropogener Innovationen. Umgekehrt bedeutet die Bezeichnung der Natur als „Mentor“ den Prozess, Wissen aus natürlichen Prinzipien zu extrahieren und biologische Systeme als Inspirationsquelle zu nutzen.

Biomorphische Architektur, auch Biodekoration genannt, bezieht sich auf die Verwendung formaler und geometrischer Elemente aus der Natur als ästhetische Inspiration in entworfenen Strukturen, ohne notwendigerweise nicht-physische oder wirtschaftliche Funktionalitäten implizieren zu müssen. Ein historisches Beispiel für biomorphe Architektur stammt aus der ägyptischen, griechischen und römischen Kultur, die Baum- und Pflanzenmotive in die Verzierung von Struktursäulen einbezog.

Prozeduren

Innerhalb der bionischen Architektur sind zwei grundlegende Vorgehensweisen erkennbar: der Bottom-Up-Ansatz (Biology Push) und der Top-Down-Ansatz (Technology Pull). Die Abgrenzung zwischen diesen Ansätzen ist fließend und ermöglicht mögliche Übergänge zwischen Methoden basierend auf spezifischen Projektanforderungen. Biomimetische Architektur erfordert oft eine interdisziplinäre Zusammenarbeit unter Beteiligung von Biologen, Naturwissenschaftlern, Ingenieuren, Materialwissenschaftlern, Architekten, Designern, Mathematikern und Informatikern.

Beim Bottom-up-Ansatz gehen die ersten Impulse von neuen Erkenntnissen der biologischen Grundlagenforschung aus, die das Potenzial für biomimetische Anwendungen aufzeigen. Ein anschauliches Beispiel ist die Schaffung eines biomimetischen Materialsystems im Anschluss an die quantitative Analyse der mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften eines biologischen Systems.

Im Top-Down-Ansatz werden biomimetische Innovationen angewendet, um bestehende, am Markt etablierte Entwicklungen zu verbessern. Diese gemeinsame Anstrengung zielt in erster Linie auf die Verfeinerung oder Weiterentwicklung eines bestehenden Produkts ab.

Beispiele

Untersuchungen konzentrierten sich auf die Fähigkeit von Termiten, bemerkenswert stabile Innentemperaturen und Luftfeuchtigkeit in ihren afrikanischen Hügeln aufrechtzuerhalten, selbst wenn die Außentemperaturen zwischen 1,5 und 40 °C (34,7 und 104,0 °F) schwanken. Erste Studien umfassten das Scannen von Termitenhügeln und die Erstellung dreidimensionaler Bilder ihrer inneren Strukturen, um architektonische Prinzipien aufzudecken, die möglicherweise auf menschliche Konstruktionen anwendbar sind. Das Eastgate Centre, ein mehrstöckiger Bürokomplex in Harare, Simbabwe, ist ein Beispiel dafür, indem es ein passives Kühlsystem einsetzt, das nur 10 % der Energie verbraucht, die normalerweise ein herkömmliches Gebäude vergleichbarer Größe benötigt.

An der Universität Sapienza in Rom ließen sich Forscher von den natürlichen Belüftungsmechanismen von Termitenhügeln inspirieren, um ein Doppelfassadensystem zu entwickeln, das übermäßige Beleuchtung in Gebäuden erheblich abschwächt. Durch die Nachahmung der porösen Eigenschaften von Hügelwänden entwickelten die Wissenschaftler eine Doppelpaneelfassade, die in der Lage ist, die Wärmeabsorption durch Strahlung zu verringern und die konvektive Wärmeableitung innerhalb des Hohlraums zwischen den Paneelen zu verbessern. Diese Innovation führte zu einer Reduzierung des gesamten Kühlenergiebedarfs des Gebäudes um 15 %.

In analoger Weise hat die poröse Struktur von Termitenhügelwänden die Schaffung natürlich hinterlüfteter Fassaden mit schmalen Lüftungsspalten inspiriert. Dieses Fassadendesign nutzt den Venturi-Effekt, um einen Luftstrom zu induzieren und so die aufsteigende Luft kontinuierlich im Lüftungsschlitz zu zirkulieren. Zwischen der Außenwandoberfläche des Gebäudes und der zirkulierenden Luft wurde ein erheblicher Wärmeaustausch dokumentiert. Darüber hinaus integriert dieser Entwurf eine Fassadenbegrünung. Grüne Wände tragen durch pflanzliche Prozesse wie Verdunstung, Atmung und Transpiration zu einer zusätzlichen natürlichen Kühlung bei. Das feuchte Pflanzsubstrat verstärkt diese Kühlwirkung zusätzlich.

Forschern der Universität Shanghai gelang es, die komplizierte Mikrostruktur der lehmbasierten Leitungsnetze in Termitenhügeln nachzubilden und so deren überlegene Feuchtigkeitsregulierungsfunktionen nachzuahmen. Sie entwickelten ein poröses Feuchtigkeitskontrollmaterial (HCM), das aus Sepiolith und Kalziumchlorid besteht und eine Wasserdampf-Adsorptions-Desorptionskapazität von 550 Gramm pro Quadratmeter aufweist. Als Trockenmittel verbessert Calciumchlorid die Wasserdampf-Adsorptions-Desorptionseigenschaften dieses Bio-HCM. Das entwickelte Bio-HCM beinhaltet ein Netzwerk aus Mesoporen zwischen den Fasern, die als Mikroreservoirs fungieren. Computersimulationen schätzten die Biegefestigkeit des Materials auf 10,3 MPa.

Im Rahmen des Bauingenieurwesens hat die Eidgenössische Technische Hochschule (EPFL) biomimetische Prinzipien in eine adaptive, einsetzbare „Tensegrity“-Brücke integriert. Diese Brücke verfügt über Fähigkeiten zur Selbstdiagnose und Selbstreparatur. Darüber hinaus wurde die phyllotaktische Anordnung der Pflanzenblätter angepasst, um die Gewinnung von Sonnenenergie zu optimieren.

Die elastische Verformung, die beobachtet wird, wenn ein Bestäuber auf der scheidenartigen Stange der Strelitzia reginae (Paradiesvogelblume) landet, diente Architekten und Wissenschaftlern der Universitäten Freiburg und Stuttgart als Inspiration. Diese Forschung führte zur Entwicklung scharnierloser, umweltverträglicher Beschattungssysteme, die kommerziell als Flectofin vermarktet werden.

Ein weiteres Beispiel für ein scharnierloses, bioinspiriertes System ist Flectofold, dessen Designprinzipien auf dem Fangmechanismus der fleischfressenden Pflanze Aldrovanda vesiculosa beruhen.

Strukturmaterialien

Es besteht ein erheblicher Bedarf an neuartigen Strukturmaterialien, die leichte Eigenschaften mit außergewöhnlicher Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit kombinieren.

Diese Materialien würden eine großvolumige, kostengünstige Herstellung in Massenformen mit komplizierten Geometrien erfordern und verschiedene Sektoren bedienen, darunter Bauwesen, Transport sowie Energiespeicherung und -umwandlung. Herkömmlicherweise werden Festigkeit und Zähigkeit bei der Materialkonstruktion oft als einander ausschließend betrachtet, wobei starke Materialien tendenziell spröde und zähe Materialien typischerweise schwach sind. Im Gegensatz dazu weisen natürliche Materialien sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit durch komplexe, hierarchische Gradienten auf, die sich über Nano- bis Makroskalen erstrecken. Die meisten natürlichen Materialien erreichen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften durch den Einsatz begrenzter chemischer Komponenten in anspruchsvollen architektonischen Designs. Einblicke in diese vielfältigen und multifunktionalen biologischen Materialien zu gewinnen und Methoden zur Nachbildung ihrer Strukturen zu entwickeln, wird die Entwicklung fortschrittlicherer und effizienterer Technologien erleichtern. Bemerkenswerte Beispiele für schadenstolerante Materialien sind Knochen, Perlmutt (Abalone-Muschel), Zähne, die Daktylenkeulen von Stomatopodengarnelen und Bambus. Die bemerkenswerte Bruchfestigkeit von Knochen beruht auf komplizierten Verformungs- und Verfestigungsmechanismen, die über verschiedene Größenskalen hinweg wirken, von der nanoskaligen Struktur von Proteinmolekülen bis zur makroskopischen physiologischen Ebene.

Perlmutt weist vergleichbare mechanische Eigenschaften auf, obwohl es eine relativ einfachere Struktur besitzt. Es weist eine Ziegel-Mörtel-Anordnung auf und besteht aus dicken Mineralschichten (0,2–0,9 μm) dicht gepackter Aragonitstrukturen, durchsetzt mit einer dünnen organischen Matrix (~20 nm). Obwohl dünne Filme und mikrometergroße Proben, die diese Strukturen nachahmen, erfolgreich hergestellt wurden, bleibt die großtechnische Produktion von biomimetischen Strukturmaterialien in großen Mengen eine ständige Herausforderung. Dennoch wurden verschiedene Verarbeitungstechniken zur Herstellung perlmuttartiger Materialien vorgeschlagen. Darüber hinaus weisen Pavement-Zellen, epidermale Zellen auf der Oberfläche von Pflanzenblättern und Blütenblättern, häufig wellenförmige, ineinandergreifende Muster auf, die an Puzzleteile erinnern. Es hat sich gezeigt, dass diese Muster die Bruchfestigkeit von Blättern erhöhen, ein entscheidender Faktor für das Überleben der Pflanzen. Die Nachbildung dieses Musters in lasergravierten Poly(methylmethacrylat)-Proben führte auch zu einer erhöhten Bruchzähigkeit, was darauf hindeutet, dass die Anordnung und Strukturierung der Zellen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Rissausbreitung im Gewebe spielt.

Biomorphe Mineralisierung ist eine Technik, die Materialien mit Morphologien und Strukturen erzeugt, die denen natürlicher lebender Organismen ähneln, und dabei vorhandene Biostrukturen als Vorlagen für die Mineralisierung nutzt. Diese Methode bietet Vorteile gegenüber anderen Materialproduktionsansätzen, da sie einfach, umweltfreundlich und wirtschaftlich rentabel ist.

Gefrierguss, auch als Eisschablonenbildung bekannt, stellt einen wirtschaftlichen Ansatz zur Nachbildung natürlicher Schichtstrukturen dar. Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory nutzten diese Methode, um Schichtverbundwerkstoffe aus Aluminiumoxid-Al-Si und IT-HAP-Epoxidharz zu entwickeln. Diese Verbundwerkstoffe ahmten erfolgreich die mechanischen Eigenschaften von Knochen nach und behielten dabei einen äquivalenten Mineralstoff-zu-Organik-Gehalt bei. Nachfolgende Studien haben diese Techniken in ähnlicher Weise angewendet, um hochfeste und hochzähe Verbundwerkstoffe mit verschiedenen Phasenbestandteilen herzustellen.

Neuere Forschungen haben die Schaffung kohäsiver, selbsttragender makroskopischer Gewebekonstrukte gezeigt, die lebendes Gewebe nachahmen. Dies wurde erreicht, indem Zehntausende heterologe Picoliter-Tröpfchen in softwaredefinierte, dreidimensionale Geometrien im Millimeterbereich gedruckt wurden. Darüber hinaus sind Initiativen im Gange, um das Design von Perlmutt in künstlichen Verbundwerkstoffen mithilfe der Schmelzablagerungsmodellierung nachzubilden und die helikoidalen Strukturen von Stomatopodenkeulen in die Herstellung von Hochleistungs-Kohlenstofffaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoffen einzubeziehen.

Sowohl etablierte als auch innovative additive Fertigungstechniken, darunter PolyJet-Druck, direktes Tintenschreiben, 3D-Magnetdruck, magnetisch unterstützter Multimaterial-3D-Druck und magnetisch unterstützter Schlickerguss, wurden eingesetzt, um die komplizierten Mikroarchitekturen natürlicher Materialien nachzubilden, was erhebliche Möglichkeiten für zukünftige Untersuchungen bietet.

Spinnenseide weist im Vergleich zu Kevlar, einem Material, das üblicherweise in kugelsicheren Westen verwendet wird, eine überlegene Zähigkeit auf. Folglich könnten Ingenieure ein solches Material möglicherweise für Anwendungen wie Fallschirmleinen, Hängebrückenkabel und künstliche medizinische Bänder anpassen, sofern seine Langlebigkeit ausreichend verlängert werden kann. Darüber hinaus dienten die bei zahlreichen Tierarten beobachteten selbstschärfenden Zahnstrukturen als Inspiration für die Entwicklung verbesserter Schneidwerkzeuge.

Die Entwicklung neuartiger Keramikmaterialien, die eine signifikante Elektret-Hysterese aufweisen, wurde ebenfalls erfolgreich durchgeführt.

Neuronale Computer

Neuromorphe Computer und Sensoren stellen elektrische Geräte dar, die die strukturellen und funktionellen Eigenschaften biologischer Neuronen für Rechenzwecke nachahmen sollen. Ein anschauliches Beispiel ist die Ereigniskamera, bei der nur Pixel, die ein neuartiges Signal empfangen, in einen aktualisierten Zustand übergehen, während andere Pixel unverändert bleiben, bis ein Signal erkannt wird.

Selbstheilende Materialien

In bestimmten biologischen Systemen werden Selbstheilungsprozesse durch die Freisetzung chemischer Substanzen an einer Bruchstelle initiiert, die eine systemische Reaktion auslösen, die Reparaturstoffe in den beschädigten Bereich transportiert und so die autonome Heilung erleichtert. Um die Anwendung mikrovaskulärer Netzwerke für die autonome Heilung zu veranschaulichen, entwickelten Forscher eine mikrovaskuläre Beschichtungs-Substrat-Architektur, die die menschliche Haut nachbildet. Darüber hinaus wurden bioinspirierte, selbstheilende strukturelle Farbhydrogele entwickelt, die die Integrität einer inversen Opalstruktur und die damit verbundene Strukturfärbung bewahren. Für leichte aufblasbare Strukturen wie Schlauchboote oder Tensairity-Konstruktionen wurde eine selbstreparierende Membran entwickelt, die sich an den in Pflanzen beobachteten schnellen Selbstabdichtungsmechanismen orientiert. Dabei wurde eine dünne, weiche, zelluläre Polyurethanschaumbeschichtung auf die Innenseite eines Stoffsubstrats aufgetragen, die durch scharfe Gegenstände verursachte Löcher wirksam abdichtet. Im Allgemeinen wurden verschiedene selbstheilende Materialien, darunter Polymere und Verbundmaterialien, die Risse reparieren können, auf der Grundlage biologischer Prinzipien hergestellt.

Alternativ können selbstheilende Eigenschaften durch das reversible Aufbrechen und Neubilden von Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb eines Materials, das zyklischer Belastung ausgesetzt ist, realisiert werden.

Oberflächen

Oberflächen, die die Eigenschaften der Haifischhaut nachbilden, sollen die hydrodynamische Effizienz verbessern. Daher konzentrierten sich die Bemühungen auf die Entwicklung von Stoffen, die Hautstrukturen von Haien nachahmen.

Es werden derzeit Forschungsarbeiten zur Oberflächenspannungsbiomimetik für Anwendungen wie hydrophobe oder hydrophile Beschichtungen und Mikroaktoren durchgeführt.

Adhäsion

Nasshaftung

Bestimmte Amphibien, darunter Laub- und Bachfrösche sowie Baumsalamander, besitzen die Fähigkeit, sich an nassen oder sogar überschwemmten Umgebungen festzuhalten und diese zu durchqueren, ohne sich zu lösen. Diese Organismen verfügen über Zehenballen, die kontinuierlich durch Schleim befeuchtet werden, der von Drüsen abgesondert wird, die in Kanäle zwischen den Epidermiszellen münden. Ihre Befestigung an Substraten erfolgt durch Nasshaftung, sodass sie auch bei fließendem Wasser nasse Felsen hinaufklettern können. Auch das Design der Reifenlaufflächen wurde von den Zehenballen von Laubfröschen inspiriert. Darüber hinaus haben 3D-gedruckte hierarchische Oberflächenmodelle, die von der Zehenpolsterarchitektur von Laub- und Wildbachfröschen abgeleitet sind, im Vergleich zu herkömmlichen Reifendesigns eine überlegene Nasstraktion gezeigt.

Meeresmuscheln weisen eine bemerkenswerte Fähigkeit auf, selbst unter den schwierigen Bedingungen ozeanischer Umgebungen leicht und effektiv an untergetauchten Oberflächen zu haften. Muscheln verwenden robuste Filamente, um sich an Felsen in den Gezeitenzonen wellenexponierter Strände zu befestigen und so der Verdrängung durch starke Meeresströmungen zu widerstehen. Die Muschelfußproteine ​​erleichtern die Befestigung dieser Filamente an verschiedenen natürlichen Oberflächen, darunter Felsen, Boote und andere Muscheln. Diese Proteine ​​bestehen aus einer spezifischen Mischung von Aminosäureresten, die sich für Klebefunktionen entwickelt haben. Forscher der University of California Santa Barbara haben die vom Muschelfuß genutzten chemischen Mechanismen angepasst und vereinfacht, um die technische Herausforderung der Nasshaftung zu bewältigen, was zur Entwicklung von Copolyampholyten und Einkomponenten-Klebstoffsystemen mit potenziellen Anwendungen in Nanofabrikationsprotokollen führte. Weitere Forschungen haben auch die Herstellung von aus Muscheln gewonnenen Klebstoffen untersucht.

Trockenhaftung

Die Beinbefestigungspolster verschiedener Tiere, darunter zahlreiche Insekten (z. B. Käfer und Fliegen), Spinnen und Eidechsen (z. B. Geckos), erleichtern das Anhaften an verschiedenen Oberflächen und ermöglichen die Fortbewegung über vertikale Wände und Decken. Diese Organismen besitzen in ihren Bindungssystemen analoge terminale Kontaktstrukturen, sogenannte Setae. Solche biologischen Paradigmen haben die Entwicklung von Kletterrobotern, Spezialschuhen und Klebebändern inspiriert. Darüber hinaus wurden synthetische Borsten für die Herstellung von Trockenklebstoffen entwickelt.

Flüssigkeitsabweisung

Superliquiphobie bezeichnet eine bemerkenswerte Oberflächeneigenschaft, bei der ein festes Material eine extreme Beständigkeit gegenüber Flüssigkeiten zeigt, was dazu führt, dass Tröpfchen beim Auftreffen fast sofort zusammenwachsen und sich ablösen. Dieses Phänomen ist auf komplexe Oberflächentexturen und nanoskalige Wechselwirkungen zurückzuführen, die insgesamt die Benetzung oder Adhäsion von Flüssigkeiten behindern. Die Nomenklatur „superliquiphob“ leitet sich von „superhydrophob“ ab, einem Begriff, der Oberflächen mit hoher Wasserbeständigkeit beschreibt. Superliquiphobe Oberflächen gehen über die bloße Wasserabweisung hinaus und weisen abweisende Eigenschaften gegenüber einem breiten Spektrum von Flüssigkeiten auf, einschließlich solcher, die sich durch eine außergewöhnlich niedrige Oberflächenspannung oder das Vorhandensein von Tensiden auszeichnen.

Superliquiphobie manifestiert sich, wenn eine feste Oberfläche mikroskopische Rauheit aufweist und dadurch durch Benetzung und Änderung der Kontaktwinkel Grenzflächen zu Flüssigkeitströpfchen entsteht. Diese Eigenschaft hängt im Wesentlichen vom Rauheitsfaktor (R_f) ab, der das Verhältnis der tatsächlichen Fest-Flüssigkeits-Kontaktfläche zu ihrer projizierten Fläche quantifiziert und somit die beobachteten Kontaktwinkel beeinflusst. Bei rauen Oberflächen bilden nicht benetzende Flüssigkeiten zusammengesetzte Fest-Flüssigkeit-Luft-Grenzflächen, deren Kontaktwinkel durch die räumliche Anordnung der feuchten und eingeschlossenen Luftbereiche bestimmt werden. Um Superliquiphobie zu erreichen, ist eine Vergrößerung sowohl der flachen geometrischen Fläche (f_LA) als auch von R_f erforderlich, was zu Materialien führt, die Flüssigkeiten aktiv abstoßen.

Die Konzeptualisierung solcher Oberflächen ist von natürlichen Designs inspiriert, beispielhaft dargestellt durch den „Lotuseffekt“. Wasserabweisende Pflanzenblätter, wie die des Lotus, besitzen intrinsische hierarchische Strukturen, die durch nanoskalige, mit Wachs überzogene Formationen gekennzeichnet sind. Andere natürliche Oberflächen, die diese Eigenschaften aufweisen, sind Käferpanzer und Kaktusstacheln, die über mehrere Längenskalen hinweg Rauheit aufweisen können. Diese Strukturen induzieren Superhydrophobie, wobei Wassertröpfchen auf eingeschlossenen Lufttaschen ruhen, was zu erhöhten Kontaktwinkeln und einer vernachlässigbaren Kontaktwinkelhysterese führt. Dieses natürliche Paradigma fließt in die Entwicklung superliquiphober Oberflächen ein und nutzt wiedereintretende Geometrien, die Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung abstoßen und Kontaktwinkel nahe Null erreichen können.

Die Herstellung superliquiphober Oberflächen erfordert die Kombination von wiedereintretenden Geometrien mit Materialien, die eine niedrige Oberflächenenergie aufweisen, wie fluorierte Verbindungen oder flüssigkeitsähnliche Silikone. Diese Geometrien umfassen Überhänge, die sich unter der Oberfläche ausdehnen und so die Abweisung selbst bei sehr kleinen Kontaktwinkeln erleichtern. Solche Oberflächen sind in verschiedenen Bereichen anwendbar, darunter Selbstreinigung, Vereisungsschutz, Beschlagschutz, Antifouling und verbesserte Kondensation, und bieten neuartige Lösungen für Herausforderungen in der Biomedizin, Entsalzung, atmosphärischen Wassergewinnung und Energieumwandlung.

Grundsätzlich nutzt Superliquiphobie, inspiriert von natürlichen Archetypen wie dem Lotusblatt, wiedereintretende Geometrien und spezifische Oberflächeneigenschaften, um Schnittstellen zu entwickeln, die Flüssigkeiten aktiv abstoßen. Diese Oberflächen weisen ein erhebliches Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen auf und bieten verbesserte Funktionalität und Leistung in verschiedenen technologischen und industriellen Bereichen.

Optik

Biomimetische Materialien stoßen in den Disziplinen Optik und Photonik auf wachsendes Interesse. Dennoch bleibt die Anzahl etablierter bioinspirierter oder biomimetischer Produkte, die die photonischen Eigenschaften von Flora oder Fauna nutzen, begrenzt. Folglich stellt das Verständnis der natürlichen Designprinzipien solcher aus biologischen Ressourcen gewonnenen optischen Materialien einen aktiven Bereich der zeitgenössischen Forschung dar.

Inspiration von Früchten und Pflanzen

Pflanzen stellen eine bedeutende Quelle biomimetischer Inspiration dar. Sie dienten als konzeptionelle Modelle für Funktionen wie Reaktionskopplung, Selbstanpassungsfähigkeit, Selbstreparatur und Energieautonomie. Da es in den meisten Pflanzen kein zentralisiertes Entscheidungsorgan, etwa ein Gehirn, gibt, operieren sie über dezentrale autonome Systeme, die über ihre verschiedenen Organe und Gewebe verteilt sind. Diese Organisationsstruktur ermöglicht es ihnen, auf verschiedene Reize zu reagieren, darunter Licht, Wärme und Feuchtigkeit.

Ein bemerkenswertes Beispiel betrifft die fleischfressende Pflanzenart Dionaea muscipula, die allgemein als Venusfliegenfalle bekannt ist. In den letzten 25 Jahren konzentrierte sich umfangreiche Forschung auf das Verständnis der Bewegungsprinzipien der Pflanze, um die Entwicklung künstlicher Venusfliegenfallen-Roboter (AVFTs) zu erleichtern. Der Beutefangmechanismus der Pflanze diente als Inspiration für verschiedene sanfte Roboterbewegungssysteme. Das schnelle Einknicken der Falle erfolgt innerhalb von 100–300 Millisekunden und wird eingeleitet, wenn die Beute innerhalb eines bestimmten Zeitraums (zweimal innerhalb von 20 Sekunden) die Auslösehaare der Pflanze stimuliert. Bestehende AVFT-Systeme nutzen verschiedene Betätigungsmethoden, darunter Magnetismus, Elektrizität, Druckluft und Temperaturschwankungen, um Fallenschließbewegungen zu erreichen.

Die Pollia condensata oder Marmorbeere stellt eine weitere botanische Quelle der Biomimikry dar. Die chirale Selbstorganisation von Cellulose hat die Entwicklung optisch aktiver Filme inspiriert. Diese Folien werden aus Zellulose hergestellt, einem nachhaltigen und biologisch abbaubaren Material, das aus Holz oder Baumwolle gewonnen wird. Die resultierenden Strukturfarben bieten das Potenzial für dauerhafte Lebendigkeit und übertreffen die Intensität von Farbtönen, die durch chemische Lichtabsorption erreicht werden. Während Pollia condensata eine strukturelle Färbung in der Schale aufweist, wird auch bei den Beeren anderer Arten, wie beispielsweise Margaritaria nobilis, ein Schillern beobachtet. Diese Früchte zeigen im sichtbaren Spektrum schillernde blaugrüne Farben und verleihen ihnen eine ausgeprägte metallische und glänzende visuelle Qualität. Die Strukturfärbung entsteht durch die organisierte Anordnung der Zelluloseketten im Epikarp der Frucht, das einen Bestandteil der Fruchtschale darstellt. Jede Epikarpzelle verfügt über eine mehrschichtige Hülle, die als Bragg-Reflektor fungiert. Dennoch ist das von der Schale dieser natürlichen Früchte reflektierte Licht unpolarisiert, im Gegensatz zu künstlichen Nachbildungen, die aus der Selbstorganisation von Zellulose-Nanokristallen zu Helikoiden entstehen und ausschließlich linkszirkular polarisiertes Licht reflektieren.

Eine strukturelle Färbung ist auch in der Frucht von Elaeocarpus angustifolius erkennbar, die aus spezialisierten, geschichteten Zellen, den sogenannten Iridosomen, stammt. Analoge Iridosomen wurden in Delarbrea michieana-Früchten identifiziert.

Mehrschichtige Strukturen in Pflanzen können sich entweder auf der Blattoberfläche, insbesondere auf der Epidermis, wie bei Selaginella willdenowii beobachtet, oder in spezialisierten intrazellulären Organellen, sogenannten Iridoplasten, manifestieren, die sich in den Zellen der oberen Epidermis befinden. Beispielsweise besitzt die Regenwaldpflanze Begonia pavonina Iridoplasten in ihren Epidermiszellen.

Strukturfärbungen wurden außerdem bei verschiedenen Algenarten festgestellt, darunter bei der Rotalge Chondrus Crispus (Irisches Moos).

Biomimetische Anwendungen inspiriert von Tierstrukturen

Die Strukturfärbung ist für die schillernden Farbtöne verantwortlich, die in Phänomenen wie Seifenblasen, Schmetterlingsflügeln und zahlreichen Käferschuppen beobachtet werden. Das Prinzip der Phasentrennung wurde genutzt, um ultraweiße Streumembranen aus Polymethylmethacrylat herzustellen, inspiriert vom Käfer Cyphochilus. Darüber hinaus können LED-Leuchten so konstruiert werden, dass sie die Schuppenmuster auf dem Hinterleib von Glühwürmchen nachbilden und so ihre Betriebseffizienz verbessern.

Die Flügel des Morpho-Schmetterlings weisen eine strukturelle Färbung auf, die einen lebendigen blauen Farbton erzeugt, der unabhängig vom Betrachtungswinkel konstant bleibt. Dieses charakteristische optische Phänomen hat verschiedene technische Nachahmungen inspiriert. Lotus Cars behauptet beispielsweise die Entwicklung eines Lacks, der das Strukturblau des Morpho-Schmetterlings nachahmt. Im Jahr 2007 stellte Qualcomm „Mirasol“ vor, eine interferometrische Modulator-Anzeigetechnologie, die von Morpho inspirierte optische Interferenz nutzt. Anschließend entwarf die Designerin Donna Sgro 2010 ein Kleid aus Morphotex von Teijin Fibers, einem ungefärbten Stoff aus strukturell gefärbten Fasern, die die Mikrostruktur der Flügelschuppen von Morpho-Schmetterlingen nachahmen.

Canon Inc.s SubWavelength Structure Coating enthält keilförmige Strukturen, die auf die Wellenlänge des sichtbaren Lichts abgestimmt sind. Diese Strukturen induzieren einen kontinuierlich variierenden Brechungsindex, wenn Licht die Beschichtung durchquert, wodurch Linsenreflexionen erheblich gemindert werden. Dieses Design ist eine Nachahmung der Augenstruktur der Motte. Historisch gesehen versuchten prominente Persönlichkeiten wie die Gebrüder Wright und Leonardo da Vinci, den Vogelflug nachzubilden. Um den Fluglärm zu reduzieren, haben Forscher in jüngerer Zeit die Vorderkante von Eulenfedern untersucht, die eine Anordnung kleiner Flossen oder Blattspindeln aufweisen, die speziell darauf ausgelegt sind, den aerodynamischen Druck zu verteilen und den bemerkenswert leisen Flug des Vogels zu ermöglichen.

Agrarsystemanwendungen

Ganzheitlich geplante Beweidung, die Zäune oder Hirten einsetzt, zielt darauf ab, Grasland wiederherzustellen, indem die Bewegungen großer Viehherden sorgfältig orchestriert und so die Migrationsmuster ausgedehnter Wildtierpopulationen nachgeahmt werden. Dieser Ansatz bildet ein natürliches System nach, in dem Weidetiere, die von Raubtieren an der Spitze konzentriert werden, nach dem Verzehr, Zertrampeln und Düngen einer Fläche gezwungen sind, umzusiedeln, und erst zurückkehren, wenn sich das Ökosystem vollständig regeneriert hat. Allan Savory, der Begründer dieser Methode, hat zusammen mit einigen Befürwortern ihr Potenzial zur Verbesserung der Bodengesundheit, zur Steigerung der Artenvielfalt und zur Eindämmung der Wüstenbildung hervorgehoben. Dennoch haben zahlreiche Forscher Savorys Behauptungen bestritten, und Studien weisen häufig darauf hin, dass diese Methode die Wüstenbildung eher verschlimmern als lindern könnte.

Geolocation

Biomimetik umfasst auch die Nachbildung der Wahrnehmungs- und Navigationsmechanismen von Insekten. Zahlreiche Insektenarten nutzen Oberlichtpolarisationsmuster zur Richtungsorientierung und Geolokalisierung. Eine Open-Source-Initiative hat die Simulation von Polarisationsmustermessungen demonstriert und die Entwicklung von Geolokalisierungssystemen erleichtert, die diese Prinzipien nutzen. Dieses Projekt stellt das Potenzial für zukünftige Alternativen zu herkömmlichen GPS-Technologien (Global Positioning System) wie Global Navigation Satellite Systems (GNSS) dar, insbesondere in abgelegenen Regionen. Darüber hinaus kann es zum Training neuronaler Netze beitragen, die darauf ausgelegt sind, Polarisationsmuster zu identifizieren.

Zusätzliche Anwendungen

Bestimmte Klimaanlagen integrieren Biomimikry in ihre Lüfterdesigns, um die Luftstromeffizienz zu verbessern und gleichzeitig den Stromverbrauch zu senken.

Technologen, darunter Jas Johl, haben die Hypothese aufgestellt, dass die funktionellen Eigenschaften von Vakuolenzellen das Design hochgradig anpassungsfähiger Sicherheitssysteme beeinflussen könnten. Johl erklärt: „Die Funktionalität einer Vakuole, einer biologischen Struktur, die das Wachstum schützt und fördert, verdeutlicht den Wert der Anpassungsfähigkeit als Leitprinzip für Sicherheit.“ Die Rolle und Bedeutung von Vakuolen weisen fraktale Merkmale auf; Diesem Organell fehlt eine feste Form oder Größe, und seine Struktur passt sich den zellulären Anforderungen an. Vakuolen erfüllen mehrere wichtige Funktionen: Sie isolieren Bedrohungen, enthalten lebenswichtige Substanzen, erleichtern den Abfallexport und halten den Turgordruck aufrecht, während sie gleichzeitig die Zellskalierung und das Zellwachstum unterstützen. Johl behauptet, dass diese Funktionen für eine effektive Sicherheitssystemarchitektur unverzichtbar sind. In einer anderen Anwendung integrierte der Shinkansen-Zug der Serie 500 Biomimikry, um den Energieverbrauch und die Lärmbelästigung zu verringern und gleichzeitig den Fahrgastkomfort zu verbessern. Im Bereich der Weltraumforschung haben die NASA und andere Organisationen die Entwicklung schwarmbasierter Weltraumdrohnen vorangetrieben, die sich von den Verhaltensmustern von Bienen inspirieren ließen, sowie terrestrische Oktapodendrohnen, die in Anlehnung an Wüstenspinnen konzipiert wurden.

Weitere technologische Anwendungen

Proteinfaltungsprinzipien wurden angewendet, um den Materialaufbau für die Schaffung selbstorganisierter funktioneller Nanostrukturen zu regulieren. Die isolierenden Eigenschaften des Eisbärenfells haben die Entwicklung von Wärmekollektoren und Spezialbekleidung beeinflusst. Darüber hinaus zielte die Erforschung der Lichtbrechungseigenschaften des Mottenauges darauf ab, das Reflexionsvermögen von Sonnenkollektoren zu verringern.

Der wirksame abstoßende Sprühmechanismus des Bombardier-Käfers diente einem schwedischen Unternehmen als Inspiration für die Entwicklung einer „Mikronebel“-Sprühtechnologie, die sich angeblich durch einen geringeren CO2-Fußabdruck im Vergleich zu herkömmlichen Aerosolsprays auszeichnet. Diese Käferart kombiniert Chemikalien im Inneren und stößt ihren Sprühnebel durch eine steuerbare Düse an der Rückseite ihres Hinterleibs aus, wodurch potenzielle Bedrohungen effektiv gestochen und desorientiert werden.

Die meisten Viren besitzen ein äußeres Kapsid mit einem Durchmesser von 20 bis 300 Nanometern. Diese viralen Kapside weisen eine bemerkenswerte Robustheit auf, vertragen Temperaturen bis zu 60 °C und behalten ihre Stabilität über ein pH-Spektrum von 2 bis 10 bei. Folglich können virale Kapside zur Herstellung von Nanogerätekomponenten, einschließlich Nanodrähten, Nanoröhren und Quantenpunkten, entwickelt werden. Röhrenförmige Viruspartikel, beispielhaft dargestellt durch das Tabakmosaikvirus (TMV), können aufgrund der geladenen Oberflächen ihrer inneren und äußeren Schichten, die die Keimbildung des Kristallwachstums erleichtern, als Matrizen für die Erzeugung von Nanofasern und Nanoröhren eingesetzt werden. Dieses Prinzip wurde durch die Synthese von Platin- und Gold-Nanoröhren unter Verwendung von TMV als Strukturtemplat empirisch validiert. Darüber hinaus haben mineralisierte Viruspartikel, wenn sie mit Materialien wie Silizium, Bleisulfid (PbS) und Cadmiumsulfid (CdS) funktionalisiert wurden, Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen pH-Bedingungen gezeigt, was auf ihre Nützlichkeit als Materialträger schließen lässt. Das kugelförmige Pflanzenvirus, das Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV), zeigt faszinierende Ausbreitungseigenschaften, wenn es Umgebungen mit einem pH-Wert über 6,5 ausgesetzt wird. Bei pH-Werten über diesem Schwellenwert initiieren 60 verschiedene Poren mit einem Durchmesser von jeweils etwa 2 Nanometern den Stoffaustausch mit dem umgebenden Medium. Dieser strukturelle Übergang des viralen Kapsids kann in biomorphen Mineralisierungsprozessen zur selektiven Aufnahme und Ablagerung von Mineralien genutzt werden, die durch die Anpassung des pH-Werts der Lösung präzise gesteuert werden. Mögliche Anwendungen umfassen die Verwendung dieses Viruskäfigs zur Synthese von Quantenpunkt-Halbleiter-Nanopartikeln gleichmäßiger Form und Größe über eine Reihe von pH-kontrollierten Waschschritten. Diese Methode stellt eine Alternative zur Apoferritin-Käfigtechnik dar, die derzeit für die Synthese einheitlicher Cadmiumselenid (CdSe)-Nanopartikel eingesetzt wird. Darüber hinaus sind solche Materialien vielversprechend für gezielte Arzneimittelabgabesysteme, da die Partikel in der Lage sind, ihren eingekapselten Inhalt freizusetzen, wenn sie bestimmten pH-Umgebungen ausgesetzt werden.

Das Multimimicry Regenerative Model (MRM)

Im Jahr 2025 führten Yassir Turki und Kilzar Arian das *Multimimicry Regenerative Model (MRM)* ein, das als erweiterter Rahmen konzipiert ist, der auf den Prinzipien der Biomimikry basiert. Dieses Modell integriert sechs miteinander verbundene Bereiche – Biomimikry, Chemomimikry, Physikomimikry, Geomimikry, Kosmomikry und Semiomimikry –, um die Betriebsmechanismen regenerativer Prozesse in biologischen, chemischen, physikalischen, geologischen, kosmologischen und semiotischen Systemen aufzuklären. Das MRM ist bestrebt, eine einheitliche wissenschaftliche und gestalterische Methodik zur Förderung regenerativer Innovationen zu etablieren.

Referenzen

Referenzen

Benyus, J. M. (2001). Da kam eine Spinne. Sierra, 86(4), 46–47.

• Benyus, J. M. (2001). Eine Spinne kam. Sierra, 86(4), 46–47.
• Hargroves, K. D. & Smith, MH (2006). Innovation inspiriert von der Natur: Biomimikry. Ecos, (129), 27–28.
• Marshall, A. (2009). Wild Design: Das Ecomimicry-Projekt. North Atlantic Books: Berkeley.
• Passino, Kevin M. (2004). Biomimikry zur Optimierung, Steuerung und Automatisierung. Springer.
• Pyper, W. (2006). Die Natur nachahmen: Der Aufstieg der industriellen Ökologie. Ecos, (129), 22–26.
• Smith, J. (2007). Es ist nur natürlich. The Ecologist, 37(8), 52–55.
• Thompson, D'Arcy W. Über Wachstum und Form. Dover, 1992 Nachdruck der 2. Auflage von 1942. (1. Aufl., 1917).
• Vogel, S. (2000). Katzenpfoten und Katapulte: Mechanische Welten der Natur und der Menschen. Norton.

• Biomimetik MIT
• Janine Benyus: Biomimikry in Aktion von TED 2009
• Michael Pawlyn: Das Genie der Natur in der Architektur nutzen aus TED 2010
• The Fast Draw: Biomimicry von CBS News