Table Of ContentBionik als Wissenschaft
Werner Nachtigall
Bionik als Wissenschaft
Erkennen (cid:2) Abstrahieren (cid:2) Umsetzen
123
Prof.Dr.WernerNachtigall
Höhenweg169
66133Scheidt
ISBN978-3-642-10319-3 e-ISBN978-3-642-10320-9
DOI10.1007/978-3-642-10320-9
SpringerHeidelbergDordrechtLondonNewYork
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FürMartha
Vorwort
Der Begriff „bionics“ taucht erstmals wohl bei Steele (1961) auf. Eine der allge-
meinstenDefinitionenderBionikkönntelauten:
„TechnischeUmsetzungvonPrinzipienderNatur“.
Diese Definition ist nicht sehr scharf. Zum Beispiel ist mit „Natur“ im Allgemei-
nen die Welt der Lebewesen gemeint. Es gibt aber auch die unbelebte Umwelt.
MankenntpräzisereunddetailliertereDefinitionen,diesichinderDiskussionher-
auskristallisierthabenunddieheuteunterBionikernallgemeinakzeptiertsind(Ab-
schn.9.1).AberbleibenwireinmalbeidiesemschlichtenSatz,dennerkennzeichnet
schonklargenugdasmethodischeVorgehen.
Bevormanetwasumsetzenkann,mussmaneserforschen,dasheißt,inseinem
So-Seinerkannthaben.UndbevormanPrinzipienabstrahierenkann,mussmanei-
ne genügend große Datenmenge aus der Natur, das heißt das „So-Sein der Natur
in ihren real existierenden Facetten“, kennen. Damit ergibtsich die folgende Vor-
gehensweise. An einem altbekannten Beispiel ist sie in der folgenden Abbildung
illustriert.
A Erforschender belebtenWelt. Im Allgemeinen:Erkennenvon Struktur-Funkti-
ons-BeziehungenbeibestimmtenArtenvonTierenundPflanzen.
B Abstraktion allgemeiner Prinzipien aus den „biologischen Originaldaten“, die
sichaus(A)ergebenhaben.
C Adäquate,derTechnikangemesseneUmsetzungallgemeinerPrinzipiennach(B)
biszurRealisationdurchdenkonstruierendenIngenieur.
Man kannsich nun streiten, wo in dieser VorgehensketteBionik als eigenständige
Wissenschaft angesiedeltist. Bionik betreiben bedeutetja gerade nicht die Natur
direktzukopieren.DaswäreSchritt(C)direktaufSchritt(A)gesetzt,unterAus-
lassungvonSchritt(B).Esbedeutetvielmehr,abstrahierteNaturprinzipientech-
nologisch umzusetzen. Das wäre das Kettenglied (B) zwischen Schritt (A) und
Schritt(C).
IchvertretedieletztgenannteSichtweise.IndiesemBuchistmit„Bionik“immer
„BionikimeigentlichenSinne“gemeint,alsoimSinnevonSchritt(C),auchwenn
vii
viii Vorwort
ZumDreistufenprinzipderLU-Methode(vgl.Abschn.10.1.7)
„im eigentlichen Sinne“ nicht immer dabeisteht. Andere finden, dass man bereits
Bionik betreibt, wenn man „Vorbilder“ aus der Natur schon unter dem Gesichts-
punktdes späteren Umsetzensuntersucht.Was ich im nächstenAbsatz als „Tech-
nischeBiologie“anführe,wäredemnachalsobereitsTeilderBionik.DieVertreter
dieser Sichtweise verwenden den Begriff „Bionik“ also als „Bionik im weitesten
Sinne“.ImvorliegendenBuchwirddieseBegriffserweiterungaußerhalbdieserVor-
bemerkungennichtweiterverwendet.
IchhabedenAnfangsschritt(A)dergenanntenKetteimmeralsTechnischeBio-
logiebezeichnet.DieseuntersuchtTiereundPflanzenausdemBlickwinkelderIn-
genieurwissenschaftenundderTechnischenPhysik.Sieversucht,ihreObjektemit
den Analysemethoden dieser Disziplinen zu erfassen und zu verstehen sowie mit
denDeskriptionsmethodendieserDisziplinenzubeschreiben.
Damitlassensich–ingeeignetenFällenbereitsimZugedieserVorgehensweise–
aus den Basisdaten diejenigen allgemeinen Gesetzlichkeiten ableiten, welche die
BionikfürdieanschließendeUmsetzungsphasebenötigt.
Somit kann man sagen: Technische Biologie verbindet nach unserem Schema
Schritt(A)mitSchritt(B),undBionikverbindetSchritt(B)mitSchritt(C).Mit(B)
überschneidensich also die beidenAnsätze;(B) wäre sozusagenihr gemeinsamer
Nenner.
EinVorteildieserdefinitorischenTrennungliegtauchdarin,dassmandieTech-
nische Biologie als eigenständige Disziplin betrachten kann, mit spezifischen Nä-
herungsweisenundeigenenErgebnissen.DieErgebnissekönnendurchausauchfür
Vorwort ix
sichstehen(wieauchanderebiologischeAnsätze,dienichtaufeinertechnischori-
entierten Betrachtungsweise beruhen). Technische Biologie habe ich mit meinen
Arbeitsgruppenjahrzehntelangsehrintensivbetrieben.ErgebnissedieserDisziplin
müssen nicht notwendigerweise umgesetzt werden, können und sollten dies aber.
DaskannauchdurchandereAutorengeschehen,dieaufdenErgebnissentechnisch-
biologischorientierterBearbeiteraufbauen.DafürgibtesvieleBeispiele.
Bezeichnet man dagegen die gesamte Kette A (cid:2) B (cid:2) C als Bionik „im wei-
testen Sinne“,beginntmanalso miteinem Forschungsprojektundbleibtdannmit
derBearbeitungderStufeAstehen,sohatmandieweitergehendeErwartungnicht
erfüllt, die mit einer solchen Bezeichnungsweise nolens volens gekoppeltist: Die
ErgebnisseverschwindenineinemDatenpool.DasistfürdieGrundlagenforschung
akzeptabel,zu der ja die Technische Biologie zählt, nichtaber für die angewandte
Forschung.
AusGründeneinerkurzenundprägnantenFormulierungstehtimHaupttiteldie-
ses Buches nur der Begriff „Bionik“. Wie im Untertitel verdeutlicht wird, befasst
es sich aber im Detail mit den Schritten A (cid:2) B (cid:2) C und schildert Grundlagen
undVorgehensweisenjedesdieserSchrittesowieihreQuerbeziehungen.Bionik(im
eigentlichenSinne)istletztendlichdiegemeinsameEndstrecke,indiealleseinmün-
det.UnterdiesemAspektistderTeilAdesBuches,derdieGrundlagenbiologischen
Forschens,ErkennensundDarstellenszumInhalthat,alsobereitseinGliedinder
Vorgehenskette„LernenvonderNaturfürdieTechnik“.
AuchindiesesBuchsind mancheAusschnitteausmeinenfrüherenOriginalar-
beitenundBücherneingeflossen.DazuwurdenausderklassischenundderLiteratur
dervergangenenJahrediejenigenArbeiteneinbezogen,diemirimvorliegendenZu-
sammenhangrelevanterschienen;unmöglichwaresfreilich,diediversenVerzwei-
gungenderEinzelfragenstellungenvertiefternachzuvollziehenundvergleichendzu
diskutieren.
Ich danke Herrn Dr. A. Wisser für die Rahmendarstellungenzu den Abb. 10.9
und10.10sowiefürvielerleicomputertechnischenRat.HerrnDr.C.Ascheronvom
Springer-Verlagdankeich für die angenehmeZusammenarbeit.ZweikürzereAb-
schnittesinddemkleinenBuch„Bionik–LernenvonderNatur“entnommen,das
ich für die Beck’sche Reihe „Wissen“ geschrieben habe. Dem C.H. Beck Verlag
dankeichfürdieAbdruckgenehmigung.SchließlichdankeichdenindenLegenden
zuFremdabbildungenangegebenenAutorenundInstitutionenfürdieWiedergabe-
genehmigungen.
Saarbrücken,imApril2010 WernerNachtigall
Inhaltsverzeichnis
A BiologischeBasis:Erforschen,Beschreiben,Beurteilen
1 WissenschaftstheoretischeÜberlegungenzudenSubstraten
derBiologie ................................................... 3
1.1 WissenstypenundGrundbezugaufdiebelebteWelt.............. 3
1.2 OrganismusoderSystem? ................................... 5
1.3 KennzeichenbelebterSysteme ............................... 6
1.4 AdäquateBeschreibungbiologischerSysteme
durchNachbarwissenschaften ................................ 7
1.5 PrinzipdereinfachstenErklärungsmöglichkeit .................. 9
1.6 BiologiealsNaturwissenschaft ............................... 9
1.7 PhysikalismusundReduktionismus ........................... 9
1.7.1 PhysikalismusundVitalismus.......................... 9
1.7.2 Reduktionismusbzw.reduktiverPhysikalismus........... 10
1.7.3 NichtreduktiverPhysikalismus ........................ 10
1.7.4 PragmatischePosition ................................ 12
1.8 AnalyseundSynthese–BiologieundTechnik .................. 12
2 VorgehensweiseinderBiologie .................................. 15
2.1 BeobachtungundBeschreibung .............................. 15
2.1.1 BeobachtungmitdenSinnesorganen.................... 15
2.1.2 BeobachtungenmitGeräten ........................... 16
2.1.3 DieangemesseneBeschreibung ........................ 17
2.1.4 InwelchenFällenreichtdieMethode
„BeobachtungundBeschreibung“aus?.................. 20
2.1.5 InwelchenFällenreichtdieMethode
„BeobachtungundBeschreibung“nichtaus? ............. 21
2.1.6 AllgemeineBedeutungderMethode
„BeobachtungundBeschreibung“inderBiologie......... 22
xi
xii Inhaltsverzeichnis
3 DasExperiment................................................ 23
3.1 TypenvonExperimenten .................................... 23
3.1.1 DasqualitativeExperiment............................ 23
3.1.2 DasquantitativeExperiment........................... 24
3.2 PrinzipienfürdasExperiment ................................ 25
3.2.1 PrinzipderkleinenSchritte............................ 25
3.2.2 PrinzipderindirektenMessung ........................ 27
3.2.3 PrinzipderLösungeinerStrukturausdemVerband ....... 27
3.2.4 PrinzipderReproduzierbarkeit......................... 28
3.2.5 PrinzipdergezieltenAusschaltung ..................... 29
3.3 KorrelationundKausalverknüpfung........................... 29
4 Schlussfolgern,BeurteilenundErkläreninderBiologie ............ 33
4.1 DieinduktiveunddiededuktiveMethode ...................... 33
4.1.1 InduktiveMethode ................................... 33
4.1.2 DeduktiveMethode .................................. 34
4.1.3 Beispiele ........................................... 34
4.2 DieInduktionalsGrundmethodedesSchlussfolgerns
indernaturwissenschaftlichenForschung ...................... 36
4.3 Die„deduktiveKomponente“induktiverSchlussfolgerung........ 37
4.4 HypothesenprüfungdurchkonstruierteEinzelfälle ............... 38
4.5 AnalyseundSynthese....................................... 40
4.6 DasvierfacheMethodengefügederInduktion(MaxHartmann) .... 40
4.6.1 TeilschritteeineslogischeinheitlichenGefüges ........... 40
4.6.2 AnalytischeFehler ................................... 41
4.7 DiereineodergeneralisierendeInduktion ...................... 41
4.7.1 Definition .......................................... 41
4.7.2 PrinzipderMethode.................................. 42
4.7.3 ZurLeistungsfähigkeitderMethode .................... 43
4.8 DieexakteInduktion........................................ 43
4.8.1 Definition .......................................... 43
4.8.2 PrinzipderMethode.................................. 44
4.8.3 ZurLeistungsfähigkeitderMethode .................... 45
4.9 DasKausalitätsprinzip ...................................... 45
4.9.1 Ordnungsprinzip..................................... 45
4.9.2 Grundfrage ......................................... 46
4.9.3 KausalverknüpfungzweierPhänomenen................. 46
4.9.4 KausalverknüpfungmehrererPhänomene................ 46
4.9.5 Das„widerspruchsfreieSchachtelsystem“................ 48
4.10 KausalitätundStatistik...................................... 48
4.10.1 VerbindlichkeiteineseinzigenExperiments .............. 48
4.10.2 UnsicherheitkausalerZuordnung
durchnichtberücksichtigteZwischenstufen .............. 48
4.11 FinalitätundHeuristik ...................................... 50
4.11.1 GrundvorstellungenfinalerBetrachtungsweisen........... 50
Inhaltsverzeichnis xiii
4.11.2 TeleologieundZweckhaftigkeit ........................ 51
4.11.3 ErklärungswertfinalerundkausalerBeziehungen ......... 52
4.11.4 ProblemfindungdurchfinaleBetrachtungsweisen ......... 54
4.12 Grenzüberschreitungen...................................... 55
4.13 WertungbiologischerErgebnisse ............................. 56
4.13.1 Erklären,Verstehen,Vorhersagen....................... 56
4.13.2 VerwerfenüberholterErgebnisse ....................... 57
4.13.3 VonderPersonunabhängigeWertung ................... 57
4.13.4 Zwang,vorhandenesWissenzubenutzen ................ 57
B AbstraktionbiologischerBefunde:
HerausarbeitungallgemeinerPrinzipien
5 FunktionundDesign ........................................... 61
5.1 Funktion.................................................. 62
5.1.1 KennzeichnungundAnschlussandenDesignbegriff....... 62
5.1.2 FunktionsausprägungundFunktionsarten................ 63
5.1.3 FunktionundKomplexität............................. 64
5.2 Design.................................................... 69
5.2.1 VersucheinerKennzeichnung.......................... 69
5.2.2 BiologischesDesign,betrachtetausdemBlickwinkel
bionischorientierterFormgestalter...................... 71
5.2.3 BiologischesDesigninderSichtweisederPhilosophen .... 73
5.2.4 „GenerellesDesign“alsÜberbegriff .................... 77
6 ModellmäßigeAbstraktiondesbiologischenOriginals
undModellübertragung ........................................ 79
6.1 ModellbildungalsBasisfürdieAbstraktionvonPrinzipien ....... 79
6.1.1 DieNaturalsAbstraktionsbasis ........................ 79
6.1.2 DasModellalsspezifizierteRelationzurNatur ........... 81
6.1.3 ErkenntnistheoretischeKritikdesModellbegriffs.......... 83
6.1.4 DasModellalsAbbildundzugleichVorbild.............. 84
6.2 ZumProblemderModellübertragung.......................... 86
6.2.1 PrinzipienundKritik ................................. 86
6.2.2 VersucheinerZuordnung.............................. 87
6.2.3 Analogieforschung................................... 90
6.2.4 AnalogieundneopragmatischeModelltheorie ............ 97
6.3 BiologischeErkenntnisundmodellmäßigeAbstraktion...........104
6.3.1 MechanischeModellemechanischerOriginale............105
6.3.2 MechanischeModellenichtmechanischerOriginale.......107
6.3.3 ElektrischeModelleelektrischerOriginale ...............108
6.3.4 ElektrischeModellenichtelektrischerOriginale ..........109
6.3.5 ChemischeModelle ..................................112
6.3.6 KybernetischeModelle ...............................112
6.3.7 NachrichtentechnischeModelle ........................113
