Fünf von der Natur inspirierte menschliche Technologien

Sep 06, 2023

Professor für Intelligente Ingenieursysteme, Nottingham Trent University

Amin Al-Habaibeh arbeitet nicht für ein Unternehmen oder eine Organisation, die von diesem Artikel profitieren würde, berät sie nicht, besitzt keine Anteile daran und erhält keine Finanzierung von diesen und hat über ihre akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.

Die Nottingham Trent University stellt als Mitglied von The Conversation UK finanzielle Mittel bereit.

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Die Natur hat im Laufe von Millionen von Jahren Lösungen entwickelt, um sich an eine Reihe von Herausforderungen anzupassen. Da die Herausforderungen, vor denen die Menschheit steht, immer komplexer werden, erleben wir, dass wir uns zunehmend von der Natur inspirieren lassen.

Die Übernahme biologischer Prozesse und deren Anwendung auf technologische und gestalterische Probleme wird als Bioinspiration bezeichnet. Dies ist ein schnell wachsendes Feld und unsere Fähigkeit, die Natur zu kopieren, wird immer ausgefeilter. Hier sind fünf eindrucksvolle Beispiele, bei denen die Natur menschliche Innovationen geleitet hat – und in einigen Fällen zu noch aufregenderen Durchbrüchen führen könnte.

Mithilfe der Echoortung können Fledermäuse in völliger Dunkelheit fliegen. Sie senden Schall- und Ultraschallwellen aus und überwachen dann die Zeit und Stärke der Reflexionen dieser Wellen, um dreidimensionale räumliche Karten ihrer Umgebung zu erstellen.

Die Sensoren, die in vielen modernen Autos Hindernisse beim Rückwärtsfahren erkennen, sind von der Fledermausnavigation inspiriert. Die Richtung und Entfernung eines Hindernisses wird durch die Aussendung von Ultraschallwellen berechnet, die von Objekten im Weg eines Autos reflektiert werden.

Es wurden auch sensorische Navigationstechnologien vorgeschlagen, um die Sicherheit von Menschen mit eingeschränkter Sehkraft zu verbessern. Am menschlichen Körper installierte Ultraschallsensoren würden eine schallbasierte Rückmeldung der Umgebung einer Person liefern. Dies würde es ihnen ermöglichen, sich freier zu bewegen, da die Gefahr von Hindernissen beseitigt wird.

Spechte klopfen auf die harte Oberfläche von Bäumen, um nach Nahrung zu suchen, Nester zu bauen und einen Partner anzulocken. Bauwerkzeuge wie handgehaltene hydraulische und pneumatische Hämmer ahmen den vibrierenden Schnabel eines Spechts nach und verwenden dabei eine Frequenz, die in etwa dem Hämmern eines Spechts entspricht (20 bis 25 Hz).

Doch die Vibrationen dieser Elektrowerkzeuge können den Händen von Bauarbeitern schaden. Dies kann in manchen Fällen zu einer Vibration des weißen Fingers führen, einer Erkrankung, bei der die Betroffenen ein dauerhaftes Taubheitsgefühl und Schmerzen in Händen und Armen verspüren.

Die Forschung untersucht nun, wie Spechte ihr Gehirn vor den Auswirkungen wiederholter Bohrungen schützen. Eine Studie ergab, dass Spechte über mehrere stoßabsorbierende Anpassungen verfügen, die andere Vögel nicht haben.

Ihr Schädel ist so angepasst, dass er zäh und hart ist, und ihre Zunge schlingt sich um die Rückseite des Schädels und verankert sich zwischen ihren Augen. Dies schützt das Gehirn eines Spechts, indem es die Auswirkungen des Hämmerns und seine Vibrationen abschwächt.

Forschungen wie diese leiten die Entwicklung von Stoßdämpfern und Vibrationskontrollgeräten, um die Benutzer solcher Geräte zu schützen. Das gleiche Konzept hat auch Innovationen wie geschichtete stoßabsorbierende Strukturen für die Gebäudegestaltung inspiriert.

Jakobsmuscheln sind Weichtiere mit einer fächerförmigen, gewellten Außenschale. Die Zick-Zack-Form dieser Riffelungen stärkt die Struktur der Schale und ermöglicht es ihr, hohem Druck unter Wasser standzuhalten.

Um die Festigkeit eines Kartons zu erhöhen, wird mit dem gleichen Verfahren Wellpappematerial zwischen die beiden äußeren Kartonschichten geklebt. Das Einbringen einer gewellten Oberfläche erhöht die Festigkeit eines Materials erheblich, genauso wie das Falten eines Blattes Papier in eine Zick-Zack-Form es ihm ermöglicht, eine zusätzliche Belastung aufzunehmen.

Die kuppelförmige Struktur einer Jakobsmuschelschale ermöglicht es ihr auch, erheblichen Belastungen standzuhalten. Diese Struktur ist selbsttragend, da sie das Gewicht gleichmäßig über die gesamte Kuppelform verteilt und so die Belastung auf einen einzelnen Punkt reduziert. Dies verbessert die Stabilität der Struktur, ohne dass verstärkende Stahlträger erforderlich sind, und hat die Gestaltung vieler Gebäude inspiriert, darunter auch der St. Paul's Cathedral in London.

Haie haben zwei Rückenflossen, die mehrere aerodynamische Vorteile bieten. Sie stabilisieren den Hai vor dem Wegrollen, während ihre Tragflächenform einen Bereich mit geringer Turbulenz hinter sich erzeugt und so die Effizienz der Vorwärtsbewegung des Hais erhöht.

Haifischflossen wurden im motorisierten Transportwesen nachgebildet. Rennwagen verwenden beispielsweise Flossen, um sowohl Turbulenzen bei hoher Geschwindigkeit zu reduzieren als auch die Stabilität bei Kurvenfahrten zu verbessern.

Viele Straßenautos haben mittlerweile eine kleine „Haifischflosse“ auf dem Dach montiert, die zur Integration ihrer Radioantenne dient. Dies reduziert den Luftwiderstand im Vergleich zur herkömmlichen Stabantenne.

Wir haben uns auch von der Natur inspirieren lassen, um die Effizienz des Flugzeugflugs zu steigern. Die Flügel einer Eule dienen als Aufhängungssystem; Indem sie die Position, Form und den Winkel ihrer Flügel ändern, können sie die Auswirkungen von Turbulenzen während des Fluges reduzieren. Und die Erforschung des Eulenflugs könnte in Zukunft die Tür zu turbulenzfreiem Flugverkehr öffnen.

Der Klettverschlussmechanismus des Klettverschlusses wurde von der Fähigkeit der Kletten von Klettenpflanzen inspiriert, sich an menschlicher Kleidung zu befestigen.

Pflanzen verwenden Kletten, um Samenkapseln an vorbeiziehenden Tieren und Menschen zu befestigen und so die Samen über größere Gebiete zu verteilen. Grate besitzen kleine Haken, die in die kleinen Schlaufen aus weichem Material eingreifen.

Klettverschluss reproduziert dies, indem er einen mit Haken gefütterten Streifen zusammen mit einem Stoffstreifen verwendet. Beim Zusammendrücken greifen die Haken in die Schlaufen ein und verbinden sich miteinander.

Klettverschluss wird weltweit in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt. Nach Angaben der NASA wurde es während der Apollo-Missionen von 1961 bis 1972 im Weltraum eingesetzt, um Geräte in der Schwerelosigkeit zu fixieren.