Bionik - IMK Engineering – Ingenieurbüro für Mechatronik und Kybernetik Dr. Bruns

Die Bionik versucht, Sachverhalte aus der Natur auf technische Anwendungen zu übertragen. Ein bekanntes Beispiel dafür liefert Leonardo DA VINCI, der den Vogelflug beobachtete und auf dieser Basis erste Entwürfe für Flugmaschinen entwickelte. Alles, was in der Natur zu finden ist, ist in einem langwierigen und „gnadenlosen“ „Trial-and-Error“-Prozess entstanden, der sich über viele tausende Jahre erstreckt hat, immer noch andauert und allgemein als Evolution bezeichnet wird. Die Bionik geht von der Annahme aus, dass dieser selektive, evolutionäre Prozess (Selektionsprozess) zu optimierten Strukturen und Prozessen geführt hat, von denen der Mensch lernen und profitieren kann. Diese Annahme wird nicht zuletzt durch eine Vielzahl von Erfolgsgeschichten bestätigt, welche die Bionik geschrieben hat.

Eines der etablierten Standardwerke im Bereich der Bionik stammt von Werner NACHTIGALL [1]. Insbesondere im Hinblick auf die Gestaltung von Prozessen und dynamischen Systemen führt jedoch kein Weg an dem Werk von Frederic VESTER [2] vorbei. (Anmerkung: Biokybernetik sehen wir am IMK als wichtiges Teilgebiet der Bionik an.) Beide Werke in Kombination bilden am IMK die Leitlinie für die Anwendung bionischer und biokybernetischer Methoden zum Zweck des Systementwurfs und der Systemoptimierung. Bionische und biokybernetische Methoden setzen wir vorwiegend flankierend im Bereich des „Systems Engineerings“ bzw. des „Funktionsorientierten Entwurfs mechatronischer Systeme“ (FEMS) ein.

Video: Bionik Revolution - Die besten Ideen der Natur (Disclaimer)

[1]	Werner Nachtigall : Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Springer-Verlag, 2003
[2]	Vester, Frederic: Die Kunst vernetzt zu denken - Ideen und Werkzeuge für einen neuen Umgang mit Komplexität. Deutscher Taschenbuchverlag dtv, München, 2002

Die 8 Grundregeln der Biokybernetik

Die Umsetzung der folgenden Regeln [2] ermöglicht jedem Projekt, eine höhere „kybernetische Reife“ zu erlangen. Es spielt keine Rolle, ob es sich dabei bspw. um ein technisches oder ein betriebswirtschaftliches Projekt handelt. Die „Gesetze der Kybernetik“ sind allgemein gültig (siehe auch Systemtheorie und Kybernetik)

„Die konsequente Anwendung der acht Grundregeln der Biokybernetik ist ein Garant für die Nachhaltigkeit (Sustainability) einer Lösung.“

(IMK Engineering)

1.	Negative Rückkopplung muss über positive Rückkopplung dominieren

5.	Mehrfachnutzung von Produkten, Funktionen und Organisationsstrukturen

Positive Rückkopplung bringt die Dinge durch Selbstverstärkung zum Laufen. Negative Rückkopplung sorgt dann für Stabilität gegen Störungen und Grenzüberschreitungen.

Mehrfachnutzung reduziert den Durchsatz, erhöht den Vernetzungsgrad und verringert den Energie-, Material- und Informationsaufwand.

2.	Die Systemfunktion muss vom quantitativen Wachstum unabhängig sein

6.	Recycling: Nutzung von Kreisprozessen; bspw. zur Abfall- und Abwasserverwertung

Der Durchfluss an Energie und Materie in lebensfähigen Systemen ist langfristig konstant. Das verringert den Einfluss von Irreversibilitäten und das unkontrollierte Überschreiten von Grenzwerten.

Ausgangs- und Endprodukte verschmelzen. Materielle Flüsse laufen kreisförmig. Irreversibilitäten und Abhängigkeiten werden gemildert.

3.	Das System muss funktionsorientiert und nicht produktorientiert arbeiten

7.	Symbiose: Gegenseitige Nutzung von Verschiedenartigkeit durch Kopplung und Austausch

Eine entsprechende Austauschbarkeit des Angebots erhöht Flexibilität und Anpassung. Das System überlebt auch bei veränderter Nachfrage.

Symbiose begünstigt kleine Abläufe und kurze Transportwege. Sie verringert Energieverbrauch, Durchsatz und externe Dependenz, erhöht stattdessen interne Dependenz.

4.	Nutzung vorhandener Kräfte nach dem Jiu-Jitsu- Prinzip statt Bekämpfung nach der Boxer-Methode

8.	Biologisches Design von Produkten, Verfahren und Organisationsformen durch Feedback-Planung

Fremdenergie wird genutzt (Energiekaskaden, Energieketten), während eigene Energie vorwiegend als Steuerenergie dient. Die Nutzung vorhandener Kräfte profitiert von vorliegenden Konstellationen und fördert Selbstregulation.

Biologisches Design berücksichtigt endogene und exogene Rhythmen, nutzt Resonanz und funktionelle Passformen, harmonisiert die Systemdynamik und ermöglicht organische Integration neuer Elemente nach den 8 Grundregeln.

Das können wir für Sie tun!

Bei der Entwicklung innovativer und überlegener Lösungen prüfen wir stets, ob es bereits in anderen Gebieten bewährte und tragfähige Lösungen gibt. Dazu muss im ersten Schritt das Problem abstrahiert und auf seinen „Kern“ reduziert werden. Dann kann man nach bekannten Lösungen bzw. Lösungsprinzipien in anderen Gebieten suchen. Häufig wird man dabei in der Natur fündig, was unter Umständen allerdings gewisse Forschungstätigkeiten erfordern kann. Der große Vorteil von Lösungsprinzipien der Natur besteht darin, dass sie in der Regel konform sind mit den 8 Grundregeln der Biokybernetik und nicht zuletzt deshalb zu nachhaltigen und umweltverträglichen bzw. umweltschonenden Lösungen führen.

Aus der Natur kann man stets lernen und Vorteile für eigene Projekte ziehen. Bionik und Biokybernetik sind nicht nur bei der Entwicklung von technischen Systemen ein mächtiges „Werkzeug“, sondern auch bei der Gestaltung neuer oder der Optimierung bestehender betriebswirtschaftlicher Prozesse.

Anwendungsbeispiel: Biokybernetik (Regel 1) und Regelungstechnik

Die klassische und auch „aktuelle“ Regelungstechnik betrachtet beim Entwurf von Regelungen nahezu ausschließlich Regelkreise mit negativer Rückkopplung. Die Stabilität des Regelkreises steht dabei stets im Fokus. Am IMK gehen wir bewusst auch andere Wege, denn „Instabilität“ kann auch als Motor genutzt werden, der bei der Erreichung gewünschter Systemzustände Energie spart und die Übergangszeit signifikant verkürzen kann (Gewinn an Schnelligkeit). Wichtig dabei ist nur, dass der Regelkreis auf einer höheren Ebene bzw. durch eine überlagerte Reglerkaskade wieder stabilisiert wird, sofern der gewünschte Zustandsübergang erreicht ist.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Nehmen Sie gerne Kontakt zu uns auf!