Grundlagen und Anwendungen der Biomimetik - Eine leicht verständliche Erklärung technischer Anwendungen wie Lotuseffekt und Riblet-Struktur

Was ist Biomimetik?

Biomimetik ist die Praxis, Eigenschaften und Überlebensstrategien nachzuahmen, die von lebenden Organismen im Laufe von Millionen von Jahren der Evolution entwickelt wurden, um den Herausforderungen der Menschheit zu begegnen.

Seit dem Auftreten des Lebens auf der Erde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren hat es eine überraschend effiziente und raffinierte Evolution durchlaufen, um zu überleben. Im Laufe der Zeit hat die Menschheit vorteilhafte Anpassungen dieser Lebensformen übernommen und sie auf vielfältige Weise in die Zivilisation integriert.

Als die Menschen beispielsweise fliegen wollten, orientierten sie sich zunächst an den Flügeln der Vögel, die frei durch die Lüfte glitten. Während der Renaissance des 15. und 16. Jahrhunderts beobachtete Leonardo da Vinci fliegende Vögel und Insekten, um das Geheimnis des Fliegens zu lüften. Im Jahr 1853 konzentrierte sich der englische Ingenieur George Cayley auf die Gleitbewegungen von Möwen, um das Segelflugzeug zu entwickeln. Aufzeichnungen zeigen, dass es einem Piloten gelang, über 100 Meter weit zu fliegen. Später verbesserten andere, wie der deutsche Gelehrte Otto Lilienthal, das Segelflugzeug, um die Flugdistanz zu erhöhen, was schließlich 1903 zum ersten erfolgreichen Flug eines bemannten Motorflugzeugs durch die amerikanischen Gebrüder Wright führte.

Neben dem Fliegen haben auch andere natürliche Mechanismen, wie sie auf Lotusblättern, in Mottenaugen oder Geckofüßen zu finden sind, zu verschiedenen technologischen Innovationen geführt. In der Technik geht die Biomimetik über die bloße Nachahmung des physischen Erscheinungsbilds hinaus, um Prinzipien aufzudecken, Funktionalität nachzubilden und Anwendungen zu entwickeln. Designer und Ingenieure können sich von den Vorbildern der Natur inspirieren lassen, um Vorteile wie höhere Haltbarkeit, verbesserte Effizienz und geringeren Materialverbrauch zu erzielen.

Beispiele für Biomimetik im Alltag

Als nächstes wollen wir einige praktische Anwendungen der Biomimetik untersuchen, die die moderne Technologie verändert haben.

Der Lotuseffekt: Selbstreinigende Oberflächen nach dem Vorbild der Natur

Der Lotus wächst in schlammigen Sümpfen, doch die Oberfläche seiner Blätter glänzt stets hell, und Wassertropfen bilden quecksilberähnliche Kugeln, die sanft abperlen. Dabei nehmen die Tropfen Sand und Staub auf und hinterlassen das Blatt sauber. Möglich wird dieser Selbstreinigungsmechanismus durch mikro- und nanoskopische Strukturen auf der Blattoberfläche sowie hydrophobes Wachs. Dieser sogenannte „Lotuseffekt“ findet Anwendung in verschiedenen Bereichen, beispielsweise bei Joghurtdeckeln und Materialien für den Bau von Außenwänden. Die wichtigsten Merkmale des Lotuseffekts sind:

• Ultrahydrophobie: Die Oberfläche ist mit extrem kleinen Strukturen (sogenannten Mikropapillen, die mit nanoskaligen Wachskristallen bedeckt sind) bedeckt, die die Kontaktfläche zwischen den Strukturen und Wassertropfen minimieren. Dadurch bilden die Tropfen auf der ultrahydrophoben Blattoberfläche Kugeln mit Kontaktwinkeln von über 150 °C.
• Selbstreinigungsfunktion: Wassertropfen bilden Kugeln und rollen ab, ziehen dabei Oberflächenschmutz an und nehmen ihn mit. Dieser Effekt ermöglicht es der Pflanze, ihre Blattoberflächen sauber zu halten.
• Geringe Reibung: Eine dünne Luftschicht, die durch die mikro- und nanoskopischen Strukturen gebildet wird, reduziert die Oberflächenreibung.

Anwendungen des Lotuseffekts

Technologien, die die Struktur des Lotusblattes nachahmen, wurden bereits in viele Produkte integriert, die wir im Alltag verwenden.

• Autoglasbeschichtung: Windschutzscheibenbehandlung, die Regenwasser abweist und die Sicht verbessert
• Architektonische Außenmaterialien: Außenwandfarben und Fensterglas, die schmutzabweisend sind und durch Regen auf natürliche Weise gereinigt werden können
• Medizinprodukte: Oberflächen, die die Bakterienanhaftung hemmen
• Funktionskleidung: Wasser- und schmutzabweisende Stoffe

Wabenstrukturen

Wabenstrukturen ahmen das sich wiederholende sechseckige Muster von Bienenstöcken nach. Diese Anordnung sechseckiger Zellen ist eine der materialeffizientesten Strukturen in der Natur. Die Hauptmerkmale sind:

• Extrem hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Bietet hervorragende Steifigkeit bei minimalem Materialverbrauch.
• Stoßdämpfung: Beim Aufprall verformen sich die sechseckigen Zellen, um die Energie zu verteilen und zu absorbieren und so für eine hervorragende Stoßdämpfung zu sorgen.
• Wärmedämmung und Wärmeverteilung: Die geschichtete Zellstruktur mit Lufteinschlüssen bietet Vorteile sowohl bei der Isolierung als auch beim Wärmemanagement.

Industrielle Anwendungen

Wabenstrukturen werden in verschiedenen Branchen eingesetzt.

• Luftfahrt: Wird in Strukturkomponenten für Flugzeuge und Raumfahrzeuge verwendet, um leichte, aber starre Teile herzustellen
• Automobilindustrie: Wird auf stoßdämpfende Strukturen und Karosserieverstärkungsmaterialien angewendet
• Architektur: Wird in Isolierplatten und leichten, aber dennoch robusten Baumaterialien verwendet
• Elektronische Geräte: Kühlkörperstrukturen zur Steigerung der Wärmeableitungseffizienz

Haifischhaut inspiriert die Riblet-Verarbeitung

Die Oberfläche der Haihaut weist eine Reihe winziger Längsrillen auf, die eine sogenannte Riblet-Struktur bilden. Sie verringern den Wasserwiderstand und ermöglichen eine effiziente, schnelle Fortbewegung im Meer. Flugzeughersteller entwickeln derzeit von Haihaut inspirierte Folien mit winzigen Strukturen für die Anwendung auf Flugzeugoberflächen, um den Luftwiderstand zu verringern und die Treibstoffeffizienz zu verbessern. Die Riblet-Struktur soll den Luftwiderstand um bis zu 8 % senken und so zu erheblichen Treibstoffeinsparungen führen.

Knochenstruktur inspiriert leichte, hochfeste Materialien

Das Innere von Tierknochen enthält schwammartige, poröse Strukturen (Trabekel), die leicht und gleichzeitig hochfest sind. Leichte und robuste Materialien, die diese Struktur nachbilden, finden Verwendung in Fahrzeugchassis, Flugzeugflügel- und Rumpfrahmen und vielem mehr. Darüber hinaus absorbiert und verteilt die poröse Struktur des Knochens Stöße. Die Nachbildung dieser Struktur in knochenähnlichen Strukturen und Metallschaum für Stoßfänger und Rahmen von Fahrzeugen birgt das Potenzial, Aufprallenergie effizient zu absorbieren und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen zu verbessern.

Kutikula von Wüsteninsekten inspiriert hitzebeständige Strukturen

Wüsteninsekten haben spezielle Kutikulastrukturen entwickelt, um in solch extremen Umgebungen mit Temperaturen von über 50 °C überleben zu können. Die Sahara-Silbenameise aus der Sahara reflektiert beispielsweise mithilfe der silbernen Haarstrukturen und dreieckigen Vorsprünge auf ihrer Kutikula effizient sichtbares und nahinfrarotes Sonnenlicht (700 bis 2.500 nm). Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Struktur mindestens 90 % des Sonnenlichts streut und reflektiert und die Wärmeaufnahme minimiert, wodurch die Körpertemperatur um etwa 10 °C gesenkt wird. Eine nanostrukturierte Beschichtung, die entwickelt wurde, um dies nachzuahmen, soll die Sonnenreflexion erhöhen und die Oberflächentemperatur von Gebäuden um 15 bis 20 °C senken.

Korallenrillen als Inspiration für das Design der Batteriekühlplatte

Korallen haben eine komplexe Rillenstruktur, die durch die Vergrößerung der Oberfläche den Wärmeaustausch durch Wasserfluss fördert. Berichten zufolge verbessert eine Kühlplatte für Autobatterien, die diese Korallenrillen nachahmt, die Kühlleistung im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um 10 % und reduziert den Druckverlust um 20 %. Diese Verbesserungen können die Ladezeiten verkürzen und die Batterielebensdauer verlängern, indem sie die Batterie näher an den optimalen Temperaturbereich von 20 bis 40 °C bringen.

Gecko-Fußstruktur inspiriert Klebeband

Geckos können dank der nanoskaligen Haare an ihren Füßen, die eine starke, molekulare Adhäsion durch Van-der-Waals-Kräfte ermöglichen, wie Ninjas über Wände laufen. Diese Strukturen wurden bei der Entwicklung von Klebebändern eingesetzt, um analytische Materialien für wissenschaftliche Experimente zu sichern. Da das Klebeband ungiftig, wiederverwendbar und rückstandslos ist, wird es zur Sicherung von analytischen Proben für Rasterelektronenmikroskope usw. verwendet.

Mückenrüssel inspiriert schmerzlose Nadeln

Der Rüssel der Mücke dringt dank seiner zahlreichen scharfen Nadeln und der gezackten Struktur ohne großen Widerstand in die Haut ein und saugt Blut. Dieser Mechanismus wird zur Entwicklung schmerzfreier Mikronadeln für Spritzen genutzt.

Oberflächenstruktur von Zikadenflügeln inspiriert antibakterielle Technologie

Die Oberfläche der Zikadenflügel ist mit einer Nanosäulenstruktur bedeckt, die Bakterienmembranen physisch aufreißt und so ein Anhaften verhindert. Ein antibakterieller Film, der diese Struktur nachahmt, verfügt nachweislich über physikalische antibakterielle Eigenschaften ohne den Einsatz chemischer Keimtötungsmittel und wird nun in der Medizin eingesetzt.

Spinnenseide inspiriert leitfähige Fasern

Spinnenseide ist aufgrund ihrer hierarchischen Struktur im Nanomaßstab stärker als Stahl und hochelastisch. Derzeit werden Fasern entwickelt, die diese Eigenschaften durch die Integration leitfähiger Polymere und Kohlenstoffnanoröhren in die Spinnenseidenstrukturen nachahmen. Man geht davon aus, dass dies zu leichten und langlebigen Sensoren und tragbaren Geräten führen wird.

Aktuelle Trends in der biomimetischen Technologie

Jüngste Fortschritte bei der Anwendung der Biomimetik auf Industrieprodukte haben zu folgenden Trends geführt:

Veränderungen durch ultrafeine Strukturen

Fortschritte in der Mikrofabrikationstechnologie ermöglichen die Nachbildung biologischer Strukturen in einem bisher unerreichten Maßstab. Die Fähigkeit, feine biomimetische Oberflächenstrukturen mit beispielloser Präzision zu reproduzieren und in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen wie Physik, Optik und Strömungsmechanik anzuwenden, hat die Entwicklung innovativer Produkte ermöglicht.

Multifunktionale Materialentwicklung

Gewebe von Organismen, die in extremen Umgebungen leben, kann mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen, wie Wärmedämmung, Oberflächenschutz, Wasserabweisung und antibakterielle Eigenschaften. Die Entwicklung von Materialien, die diese Organismen nachahmen, treibt den Fortschritt bei Materialien mit den Eigenschaften dieser Organismen voran, wie z. B. der Erkennung und Reaktion auf Umweltveränderungen oder der Kombination von wasserabweisenden und antibakteriellen Eigenschaften.

Materialien mit selbstheilenden Eigenschaften ausstatten

Der Körper lebender Organismen kann sich bei Beschädigung selbst heilen. Inspiriert von diesem biologischen Selbstheilungsmechanismus untersuchen einige Forscher die Möglichkeit, die Lebensdauer von Produkten zu verlängern und den Wartungsbedarf durch die Entwicklung von Polymeren und Verbundwerkstoffen mit Selbstheilungsfunktion zu reduzieren.

Ultraeffiziente Energienutzung

In der Natur erhalten alle Lebensformen ihre biologische Aktivität durch die äußerst effiziente chemische Nutzung der Energie aufrecht, die sie beispielsweise aus Nahrung oder Sonnenlicht aufnehmen. Durch die Anwendung dieser effizienten biologischen Energiesysteme werden neue Energiesysteme erforscht, die nicht auf konventionelle fossile Brennstoffe oder Elektrizität angewiesen sind.

Antireflex-Mottenaugen-Strukturtechnologie und ihre Anwendungen

Dank seiner langjährigen Erfahrung in der Materialentwicklung nutzt Dexerials biomimetische Konzepte für Produktdesigns. Ein Beispiel dafür ist unsere Antireflexfolie in Mottenaugenoptik. Mithilfe der Mikrobearbeitungstechnologie, einer unserer Kerntechnologien, erzeugen wir Mottenaugenstrukturen, die die mikroskopische Oberfläche eines Mottenauges nachahmen. Dieses Produkt wird aufgrund seiner hervorragenden Blendschutzeigenschaften in Fahrzeugdisplays und Head-up-Displays eingesetzt.
Mottenaugenstrukturen: Die ultimative Antireflexionstechnologie

Darüber hinaus wurde unsere Antireflexfolie vom Typ Mottenaugen auch als medizinischer Gesichtsschutz DxShield vermarktet. Dieser Gesichtsschutz wird von vielen Ärzten bei langen Operationen häufig verwendet, da er Blendung reduziert und Beschlagbildung vorbeugt.
Vorteile von medizinischen Schutzschilden mit Mottenaugen-Antireflexfolie

Weitere Einzelheiten zur Mikrobearbeitungstechnologie von Dexerials, die diese Produkte ermöglicht, finden Sie im folgenden Artikel.
Transparente Antireflexfolie – die neueste Mikrostrukturtechnologie

Durch die Integration von Biomimetik in das Produktdesign können Ingenieure Mechanismen, die Lebensformen im Laufe der Evolution entwickelt haben, nutzen, um eine Vielzahl von Problemen zu lösen. Dexerials wird weiterhin gemeinsam mit seinen Kunden neue biomimetische Technologien verfolgen, indem wir Technologien kombinieren, die Mikrobearbeitung, Sputtern, Compoundierung organischer Materialien und mehr umfassen.