Von der Natur zur Innovation – mit System

Die Orientierung an Strukturen der belebten Natur ist mittlerweile zu einem wichtigen Leitprinzip bei der Entwicklung und Konstruktion von Produkten und Verfahren geworden. Die lebende Natur präsentiert eine Vielzahl von biologischen Vorbildern, die für technisches Entwickeln und Gestalten bedeutsam sind. Bekannt geworden sind beispielsweise der selbstreinigende «Lotuseffekt», die Wabenbauweisen von Bienen- und Wespennestern als Vorbilder für Flug­zeugrümpfe und materialsparende Wabenkernwände, die Hakenstrukturen von Kletten für Verschlusssysteme, die Rillenschuppen der Haie für widerstandsmindernde Flugzeugoberflächen, die kammartigen Konturfedern der Eulen für die Gestaltung sägezahnartiger Kanten für Rotorblätter von Windenergie­anlagen zur Lärmreduzierung und vieles andere mehr. 

Diese eindrucksvollen Lösungen entstanden durch die Anwendung des Prinzips der Naturorientierung. Dieses allgemeingültige Prinzip wird zunehmend nicht nur bei der Neuentwicklung technischer Produkte und Verfahren, sondern auch bei deren Weiterentwicklung angewandt. Naturorientierung ist damit Bestandteil eines «Denkzeuges» in Form einer methodischen Vorgehensweise zur Gewinnung origineller Lösungsideen.

Methodische Vorgehensweise

Die Methode besteht aus zwei Schritten: 

1. Entwicklungsziele klären

2. Lösungen aus der Natur ableiten

Diese Vorgehensweise eignet sich besonders für KMU, die über keine eigene Entwicklungsabteilung verfügen. Der Prozess bietet trotz der abzuarbeitenden Schrittfolge auch kreative Gestaltungsfreiräume und führt systematisch in Richtung neuartiger Produktlösungen.

Schritt 1: Ziele klären

Die richtige Zielbestimmung ist Voraussetzung für eine erfolgreiche Lösungs­findung. Eine wichtige Orientierungsmöglichkeit zur Zielbestimmung bieten Trendkataloge zu gesellschaftlichen und technologischen Entwicklungen. Ein möglicher Entwicklungstrend ist beispielsweise, mit weniger Material die gleiche oder sogar eine bessere Wirkung zu erzielen. Daraus kann sich die Frage ergeben, ob ein bestehendes Produkt durch eine andere Form, Struktur oder Profilierung leichter, stabiler oder effizienter gemacht werden kann. Zeigt sich dabei Verbesserungspotenzial, kann daraus ein konkretes Entwicklungsziel abgeleitet werden.

Schwachstellen erkennen

Ausgangspunkt ist die bestehende technische Lösung. Sie wird auf Mängel, Schwachstellen und ungenutzte Entwicklungsmöglichkeiten untersucht. Daraus lässt sich ableiten, in welche Richtung ein Produkt weiterentwickelt werden sollte. 

Abbildung 2 zeigt, wie Trends und das Aufdecken von Entwicklungsreserven durch die Mängel- und Schwachstellenanalyse zur Bestimmung der Entwicklungsrichtung genutzt werden können. Die Nachteile, Mängel und Schwachstellen, die bei Analyse des Standes der Technik erkennbar werden, sind in ihrer Umkehrung als Anforderungen für die zu entwickelnde technische Lösung zu formulieren. Ist beispielsweise am Stand der Technik erkennbar, dass dort der Materialaufwand bei der Herstellung zu hoch ist, wird daraus die Forderung abgeleitet, diesen bei der zu entwickelnden zu verringern. 

Die ideale Lösung als Orientierung

Zusätzlich hilft die Frage nach der idealen Lösung: Wie müsste ein Produkt ­aussehen, wenn es seine Funktion mit möglichst wenig Material, Energie und Aufwand erfüllen könnte? Eine solche Ideallösung wird in der Praxis kaum ­vollständig erreicht. Sie dient aber als Orientierung für die Weiterentwicklung. So verläuft die Entwicklung aller technischen Systeme in Richtung des Ideals. Obwohl dieses praktisch nie erreicht werden kann, besitzt es doch Orientierungscharakter. Ideale Lösungen sind «raffiniert einfach», elegant und originell, da sie mit geringem apparativem Aufwand und/oder wenig Betriebsenergie auskommen.

Die Natur als Vorbild

Die Natur zeigt in vielen Fällen, wie Funktionen mit wenig Material, Energie und Raum erfüllt werden können. Viele biologische Systeme erreichen mit erstaunlich wenig Material eine hohe Stabilität, Beweglichkeit oder Leistungsfähigkeit. Genau deshalb sind sie für die Produkt­entwicklung interessant.

Die Ableitung relevanter Trends aus Trendkatalogen, die Durchführung der Mängel- und Schwachstellenanalyse sowie die Idealbildung sind die Kernelemente der Zielbestimmung und dienen der Konkretisierung der Problemstellung. Diese bilden die Bestandteile des ersten Teils des bionischen Denk- und Handlungsprozesses. 

Schritt 2: Lösungen ableiten

Für jede zu entwickelnde technische Funktion gibt es in der Natur eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen. Man sollte sich deshalb immer fragen, ob sich eine bestehende technische Lösung noch weiter verbessern lässt und ob sich dazu im Bereich der lebenden Natur Anregungen finden lassen. Dabei werden – ausgehend von der technisch zu realisierenden Funktion – biologische Vorbilder mit gleichen Funktionen ermittelt und Funktionsmerkmale verglichen. 

Danach wird geprüft, ob sich bestimmte  strukturelle Merkmale des biologischen Vorbilds auf die technische Lösung übertragen lassen, etwa eine Form, eine Oberfläche, eine Bewegungsart oder eine innere Struktur. 

Damit die Suche nicht zufällig bleibt, können Kataloge biologischer Strukturen eingesetzt werden. Solche Kataloge ordnen biologische Vorbilder nach Grundfunktionen: etwa Formen, Tragen, Verbinden, Trennen, Speichern oder Weiterleiten von Stoff, Energie und Information. Dadurch muss nicht sofort nach einer konkreten Tier- oder Pflanzenart gesucht werden. Stattdessen beginnt die Suche bei der Funktion, die ein Produkt erfüllen soll.

Die Grundfunktionen erweitern das Suchfeld für originelle Lösungen, weil sie den Blick von einer konkreten Einzelfunktion lösen und auf allgemeinere Wirkprinzipien lenken.

Durch Analogiebildung ist der Nutzer in der Lage, prinzipielle Merkmale biologischer Systeme aufzudecken, die durch anschliessendes Variieren zugrunde liegender Systemelemente zu einer neuen technischen Lösung führen können.

Generell ist das Erkennen des Naturvorbildes, das Vordringen zum Prinzip durch Analyse und Verallgemeinerung sowie dessen kreative Umsetzung in eine technische Lösung die praktikable Anwendung, die im bionischen Prozess der Lösungsfindung ihren Ausdruck findet. 

Die Methode unterstützt Unternehmen dabei:

• Entwicklungsaufgaben systematisch anzugehen und Zeit zu sparen
• Schwachstellen und neue Lösungswege klarer zu erkennen
• Denkbarrieren zu überwinden und kreative Ansätze zu entwickeln
• Biologische Vorbilder gezielt auf technische Lösungen zu übertragen.

1. Ausgangslage

Ausgangspunkt war die Schneckenturbine, auch Wasserkraftschnecke genannt. Sie nutzt fliessendes Wasser zur Stromgewinnung, benötigt dafür jedoch ein Gefälle zwischen Ober- und Unterwasser. Zudem arbeitet die Schneckenwelle mit vergleichsweise niedriger Drehzahl, die erst durch ein Zahnradgetriebe an die erforderliche Turbinendrehzahl angepasst wird. Für langsam fliessende Gewässer ohne ausreichendes Gefälle ist diese Lösung deshalb nur begrenzt geeignet.

2. Schwachstelle

Die zentrale Schwachstelle liegt damit in der begrenzten Nutzung langsam flies­sender Gewässer ohne ausreichendes Gefälle. Gesucht wurde deshalb eine Flussturbine, welche die vorhandene Strömungsdynamik besser nutzt und die Strömungsgeschwindigkeit im Innern erhöht. Die Anlage sollte zwar mit einem Zentralrohr wie bei der Schneckenturbine arbeiten, jedoch nicht geneigt, sondern horizontal angeordnet sein.

3. Die ideale Lösung

Die Orientierung auf die ideale Lösung führte in Richtung der idealen Turbine.

Bei einer idealen Turbine wäre demzufolge der apparative Aufwand gesenkt und gleichzeitig die Turbinenleistung «von selbst», durch die innere Selbstbewegung des strömenden Wassers, erhöht. 

Diese Anforderungen kann der Stand der Technik, die Schneckenturbine, nicht ­realisieren. Daraus ergab sich das Entwicklungsziel: Die Turbine sollte die vor­handene Wasserströmung so führen, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit im Innern erhöht. Damit rückten biologische Vorbilder in den Blick, die Wasser besonders effizient lenken oder beschleunigen. 

Diese Anforderungen sind Bestandteil der Problemstellung und führen zur Auswahl geeigneter biologischer Vorbilder aus den Strukturkatalogen. Aus ihnen lassen sich relevante Strukturen aufdecken und Assoziationen für Lösungsansätze ableiten, die durch anschliessendes Variieren ihrer Systemelemente zu einer neuen technischen Lösung führen. So konnten aus der biologischen Struktur «Strömungskanäle der Forellenkiemen» folgende Anregungen abgeleitet werden.

4. Vorbild Forellenkiemen

Forellen besitzen in ihren Kiemen einen schneckenförmigen Strömungskanal, der sich von vorn nach hinten verengt. Aus diesem Kanal tritt das vorn einströmende Wasser an der hinteren Engstelle mit grös­serer Geschwindigkeit als am Kanaleingang wieder heraus. Das Wasser besitzt dadurch ein hohes Potenzial an kinetischer Energie und verleiht der Forelle einen zusätzlichen Schub.

• Anregung: Turbinenrohr trichterförmig gestalten. Verengt sich dort der Rohrquerschnitt, so erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers (Bernoulli-Effekt).
• Anregung: Einströmtrichter des Turbinenrohres an der Innenseite schnecken- bzw. spiralförmig gestalten. Der damit erzeugte Drall führt zu einer ­Rotationsbeschleunigung des Wassers. Dadurch kann ausserdem das Wasser von der Röhrenwand weggelenkt werden, wodurch sich dort die Reibung drastisch vermindert. Die spiralförmige Gestaltung der Rohrinnenseite erfolgt durch das Einbringen von Leiteinrichtungen für den Wasserstrom.

5. Technische Lösung

Diese Anregungen wurden bei der Ausarbeitung der technischen Lösung umgesetzt. Als Trägerorgan für die Turbine wurde ein Schwimmkörper nach dem Vorbild des strömungsgünstigen Hecht­rumpfes entwickelt, der am Flussgrund zu verankern ist. Am Ende des Entwicklungsprozesses stand die sogenannte «Fischbojen-Turbine».