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Heuschreckenbeine, neuronale Netze und virtuelle Evolution

Denken lernen von der Natur

Auch wenn viele der klassischen Beispiele dies nahelegen, umfasst Bionik viel mehr als nur die Übertragung von biologischen Konstruktionen und Strukturen in die Technik. Gerade in den letzten Jahren orientieren sich auch Informatiker, Kybernetiker und Verfahrenstechniker immer mehr an Vorbildern in der Natur.

Denn trotz großer Fortschritte in der Computerindustrie ist die Evolution der Technik noch immer weit voraus. Ein traditioneller Computer oder Roboter ist nur dann intelligent, wenn die Umwelt in sein vorprogrammiertes Schema passt. Aufgaben, die nicht im Programm stehen, kann er nicht erledigen, unverhoffte Hindernisse nicht umgehen. Selbst das einfachste Insekt ist dagegen imstande gleichzeitig Bilder und Geräusche aufzunehmen und zu interpretieren, in Sekundenbruchteilen über Flucht oder Annäherung zu entscheiden und falls nötig, daraufhin die komplizierteste Flugmanöver durchzuführen.

Der Trick der Natur, so glauben die Neurobioniker, könnte im Zusammenspiel vieler einfacher Untereinheiten liegen. Bei der Stabheuschrecke beispielsweise sorgt nicht ein zentraler Taktgeber für die richtige Laufbewegung, sondern jedes Bein wird von einem eigenen neuronalen Netz gesteuert. Dabei gibt es auch innerhalb dieser Netze wieder jeweils für jede Bewegung und jedes Gelenk eine eigene Steuerung.

Obwohl man meinen könnte, aus einer solchen Aufsplitterung könne eigentlich nur Chaos oder bestenfalls Schwerfälligkeit resultieren, funktioniert das Zusammenspiel der Bewegungen reibungslos. Signale, die zwischen den Steuereinheiten ausgetauscht werden, sorgen für die nötige Koordination. Und selbst das menschliche Gehirn ist letztendlich nichts anderes als ein solches neuronales Netz: Erst die Interaktion von vielen einfachen Bausteinen – den einzelnen Nervenzellen – ermöglicht die komplexen Leistungen des Ganzen.

Der Vorteil der neuronalen Netze liegt für die Neurobioniker auf der Hand: Statt hochkomplizierte und unflexible Gebilde zu konstruieren, die dann vielleicht die entscheidenden Rechenoperationen doch nicht beherrschen, sind Systeme aus vielen einfachen Bausteinen flexibel, können leicht modifiziert werden.

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Noch weiter gehen Evolutionsbioniker wie Ingo Rechenberg. Sie wollen nicht nur die neurologischen Strukturen der Natur in die Technik übertragen, sondern auch gleich das ganze Verfahren der Evolution dazu. Neue technische Produkte werden dabei nicht mehr, wie sonst üblich, fertig konstruiert oder optimiert und dann erst getestet. Stattdessen müssen sich bereits die konkurrierenden Entwürfe in den Computern des Labors einem virtuellen „Kampf ums Dasein“ unterziehen. Aus mehreren möglichen Ansätzen beurteilt eine „Qualitätsfunktion“ jeweils die Varianten, die erhalten bleiben und sich „reproduzieren“ dürfen, bis sich am Ende ein Entwurf durchgesetzt hat.

Inzwischen optimieren die Wissenschaftler der Abteilung für Bionik und Evolutionstechnik der TU Berlin nach diesem System nicht nur strömungstechnische Formen wie Windräder oder Flügelformen, sondern auch optische Linsen, Autofelgen oder Brückenkonstruktionen. Und auch die Robotiker wollen durch diese Evolutionsprozesse ihre künstlichen Elektronengehirne lernfähiger machen. Die „virtuelle Evolution“ betrifft in diesem Falle nicht mehr Entwürfe für Konstruktionen, sondern mögliche Handlungsabläufe und Strategien für die Lösung eines Problems.

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Stand: 21.03.2002

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Bionik
Lernen von der Natur

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Die Natur als Ingenieur
Was ist Bionik?

Inspiration statt Imitation
Warum Ikarus scheitern musste

Das Rad neu erfunden
Analogien von Natur und Technik

Den Vögeln abgeschaut
Die ersten Flugversuche

Modell Vogelflügel
Auf der Suche nach neuen Flügelkonstruktionen

Stabilität in Leichtbauweise
Architektur aus der Natur

Grashalme zu Hochhäusern?
Waben, Algen und doppelte Wände

Mit Haken und Ösen
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Rillen gegen Reibung
Haifischhaut hilft Sprit sparen

Sauberkeit dank Lotus-Effekt
Mikrostrukturen auf dem Vormarsch

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