20 Tiere, die Probleme gelöst haben, an denen Menschen immer noch arbeiten

Bionik – die Praxis, biologische Systeme zu studieren, um menschliche Ingenieur- und Designprobleme zu lösen – ist eines der am schnellsten wachsenden Felder in der angewandten Wissenschaft, und ihr Grundprinzip ist sowohl demütig als auch praktisch: dass die Evolution, die über Hunderte von Millionen Jahren und Billionen von Organismen hinweg operiert, die meisten der Ingenieurprobleme gelöst hat, denen menschliche Designer begegnen, und dass die Lösungen in jedem Wald, Ozean oder in jeder Savanne auf der Erde verfügbar sind. Die Herausforderung besteht nicht darin, die Lösungen zu finden. Es ist, sie zu erkennen.

Der Klettverschluss entstand aus einer Untersuchung von Kletteborsten im Jahr 1941. Die lärmreduzierende Nase des Hochgeschwindigkeitszugs wurde neu gestaltet, nachdem ein Ingenieur, der auch Vogelbeobachter war, bemerkte, dass Eisvögel vom Luft ins Wasser eintreten, ohne Spritzer zu erzeugen – weil ihre Schnabelgeometrie den Übergang zwischen Medien unterschiedlicher Dichte ohne Schockwelle bewältigt. Die passiven Kühlsysteme von simbabwischen Gebäuden wurden durch das Studium von Termitenhügeln gestaltet, die eine konstante Innentemperatur von 31°C in einer Umgebung aufrechterhalten, die von 3°C nachts bis 42°C tagsüber schwankt, ohne ein aktives Temperaturkontrollsystem.

Was die 20 Fälle in dieser Liste verbindet, ist nicht nur, dass Tiere biologische Fähigkeiten haben, die Menschen noch nicht repliziert haben – obwohl das auf alle zutrifft. Es ist, dass diese Fähigkeiten spezifische, aktive, gut finanzierte menschliche Probleme adressieren: Krebsbehandlung, Bauingenieurwesen, Antibiotikaresistenz, Wassergewinnung in Wüsten, Navigation ohne GPS, Materialwissenschaften, Datenkompression und energieeffizientes Fliegen. In jedem Fall wurde die Lösung des Tieres von Wissenschaftlern und Ingenieuren untersucht und hat entweder direkt eine technologische Anwendung inspiriert oder wird aktiv als Grundlage für eine untersucht.

Jeder Eintrag behandelt das Tier, das spezifische Problem, das es gelöst hat, den biologischen Mechanismus der Lösung und den Stand der menschlichen Bemühungen, es zu verstehen oder zu replizieren. Die Einträge sind nicht spekulativ. Alle hier beschriebenen biologischen Lösungen sind in peer-reviewed Forschung dokumentiert, und die beschriebenen menschlichen Anwendungen sind entweder kommerziell eingesetzt oder in aktiver Entwicklung.

Ltshears / Wikimedia Commons

Der Nacktmull (Heterocephalus glaber) ist das einzige bekannte Säugetier, bei dem noch nie beobachtet wurde, dass es in kontrollierten Forschungspopulationen, die sich über Jahrzehnte erstrecken, Krebs entwickelt. Bei einer Spezies, deren Mitglieder routinemäßig 30 Jahre alt werden – ungefähr das Zehnfache der Lebensspanne einer vergleichbar großen Maus – und deren Zellen kontinuierlich während eines langen Lebens dividieren, ist das Fehlen von Krebs außergewöhnlich. Die meisten Säugetiere akkumulieren Krebs in Raten, die mit dem Alter und der Körpergröße zunehmen; der Nacktmull scheint das Problem der fehlerhaften Zellreplikation gelöst zu haben.

Der Mechanismus wurde teilweise identifiziert: Nacktmullzellen produzieren eine ungewöhnlich hochmolekulare Version von Hyaluronan – ein Zuckermolekül, das die Zellen umgibt –, das eine frühe Kontaktinhibition auslöst (Zellen hören auf zu dividieren, wenn sie sich gegenseitig berühren) bei einer niedrigeren Zelldichte als bei anderen Säugetieren. Diese frühe Kontaktinhibition verhindert die unkontrollierte Zellproliferation, die Krebs kennzeichnet. Eine Studie aus dem Jahr 2013 in Nature bestätigte diesen Mechanismus und stellte fest, dass das gentechnische Herstellen von Maus-Zellen zur Produktion der Nacktmull-Version von Hyaluronan ihre kanzerogene Transformationsrate signifikant reduzierte.

Forscher an der University of Rochester, wo ein Großteil der Arbeit zur Krebsresistenz des Nacktmulls durchgeführt wurde, untersuchen, ob die pharmazeutische Aktivierung ähnlicher Mechanismen der frühen Kontaktinhibition in menschlichen Zellen krebspräventive Effekte erzeugen könnte. Die Lösung des Nacktmulls existiert seit Millionen von Jahren; der menschliche Versuch, sie zu verstehen und anzuwenden, ist ungefähr 15 Jahre alt.

Barry Peters / Wikimedia Commons (CC BY 2.00)

Der Fangschreckenkrebs (Stomatopoda) hat das komplexeste visuelle System aller bekannten Tiere: 16 Arten von Photorezeptoren im Vergleich zu drei beim Menschen, mit der Fähigkeit, polarisiertes Licht, ultraviolettes Licht und Infrarotlicht zu erkennen, und mit einem visuellen Verarbeitungssystem, das Farben und Polarisationszustände peripher identifiziert, anstatt zentrale Gehirnverarbeitung zu erfordern. Die spezifische Fähigkeit, die menschliche Ingenieure am aktivsten zu replizieren versuchen, ist die Erkennung von polarisiertem Licht.

Die Augen des Fangschreckenkrebses können zirkular polarisiertes Licht erkennen – Licht, das sich in einer Helix dreht –, das menschliche optische Instrumente nur mit komplexer und teurer Ausrüstung erkennen können. Viele Meereslebewesen nutzen zirkular polarisiertes Licht zur Kommunikation und Tarnung, und die Fähigkeit des Fangschreckenkrebses, es mit einer biologischen Struktur zu sehen, die in ein Auge passt, hat erhebliches technisches Interesse geweckt.

Forscher an der Universität von Queensland und anderswo haben kompakte Polarisationslichtsensoren entwickelt, die von der Augenstruktur des Fangschreckenkrebses inspiriert sind und die erheblich kleiner und empfindlicher sind als herkömmliche Polarisationsoptiken. Anwendungen umfassen verbesserte Krebsfrüherkennung (Krebszellen reflektieren polarisiertes Licht anders als gesunde Zellen), verbesserte Unterwassernavigation und Telekommunikationssysteme, die polarisiertes Licht zur Erhöhung der Datenübertragungskapazität verwenden. Die Augenstruktur des Fangschreckenkrebses ist seit Hunderten von Millionen Jahren in Entwicklung; die technischen Anwendungen, die sie inspiriert, beginnen kommerziell verfügbar zu werden.

Francesco Ungaro / Pexels

Buckelwale (Megaptera novaeangliae) haben große, unregelmäßige Tuberkel – abgerundete Beulen – entlang der Vorderkanten ihrer Brustflossen. Für den Großteil der Geschichte der Strömungsdynamik wurde angenommen, dass Unregelmäßigkeiten an der Vorderkante auf Flügel- oder Blattoberflächen den Widerstand erhöhen und den Auftrieb verringern. Der Buckeltuberkel scheint das Gegenteil zu bewirken: Eine im Physics of Fluids veröffentlichte Forschung aus dem Jahr 2004 ergab, dass das Tuberkelmuster den Widerstand reduziert und den Auftrieb erhöht, insbesondere bei hohen Anstellwinkeln, bei denen herkömmliche Flügelformen abreißen.

Der Mechanismus: Die Tuberkel erzeugen Kanäle schneller fließenden Wassers zwischen ihnen, die die Grenzschicht – die dünne Schicht von langsam fließendem Fluid, die an einer Oberfläche haftet und deren Trennung von dieser Oberfläche einen Abriss verursacht – energetisieren. Indem die Grenzschichtanheftung bei höheren Anstellwinkeln aufrechterhalten wird, verzögert das Tuberkelmuster den Abriss und ermöglicht es dem Wal, in engeren Kreisen zu manövrieren, als es seine Größe und Flossenform sonst zulassen würden.

Die WhalePower Corporation hat die Tuberkeltechnologie lizenziert und Windturbinenblätter, Lüfterblätter und Wasserkraftturbinenblätter mit dem Tuberkelmuster hergestellt, die alle messbare Effizienzsteigerungen gegenüber glatten Äquivalenten zeigen. Das Tuberkelmuster wurde auch auf Flugzeugflügel, Propeller und Wasserfahrzeuge angewendet, mit konstanten Ergebnissen von reduziertem Widerstand und verbesserter Leistung bei hohen Anstellwinkeln. Die Flosse des Buckelwals ist seit etwa 30 Millionen Jahren im Einsatz.

MAG Photography / Pexels

Die Fähigkeit des Geckos, an senkrechten Glasflächen entlangzugehen und an Decken zu hängen, entsteht durch Millionen von mikroskopisch kleinen haarartigen Strukturen (Setae) auf seinen Zehenpolstern, von denen jede in Hunderte von noch kleineren spatelartigen Spitzen (Spatulae) verzweigt, die engen Kontakt zu jeder Oberfläche herstellen und durch van-der-Waals-Kräfte haften – die schwachen zwischenmolekularen Anziehungskräfte, die einzeln unbedeutend sind, aber in der Masse ausreichen, um das Gewicht des Geckos tausendfach zu tragen.

Der van-der-Waals-Haftmechanismus ist richtungsabhängig (er aktiviert sich unter Scherkräften und löst sich bei Zug), selbstreinigend (Verunreinigungen sammeln sich nicht an, weil die Spatulae sich bevorzugt an sauberen Flächen erneut anheften) und funktioniert auf nahezu jeder Oberfläche ohne Rückstände konventioneller Haftmittel. Ingenieure versuchen seit der Identifizierung des Mechanismus im Jahr 2002, ihn nachzubilden.

Mehrere synthetische Gecko-Haftmittel wurden entwickelt – Geckskin an der University of Massachusetts, Directionally Controlled Dry Adhesive in Stanford – die die richtungsabhängige, rückstandsfreie Haftung der Geckozehe nachahmen. Anwendungen umfassen Kletterroboter (DARPA hat gecko-inspirierte Forschungen zu wandkletternden Robotern finanziert), medizinische Haftmittel, die auf feuchtem Gewebe ohne Rückstände verwendet werden können, und wiederverwendbare Klebesysteme. Die Zehe des Geckos wurde über etwa 100 Millionen Jahre der Evolution verfeinert; menschliche synthetische Versionen sind etwa 20 Jahre alt und haben die Leistung des Geckos über alle Oberflächentypen hinweg noch nicht vollständig erreicht.

Chan T. Y. & Lin C. W. / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

Der Pistolenkrebs (Familie Alpheidae) schnippt mit einer vergrößerten Schere so schnell – schließt in etwa 700 Mikrosekunden –, dass er eine Kavitationsblase erzeugt: einen Bereich so niedrigen Drucks, dass das Wasser momentweise verdampft, eine Blase erzeugt, die mit einer Schockwelle kollabiert, die Temperaturen erreicht, die vorübergehend über 5.000 Kelvin liegen (heißer als die Sonnenoberfläche), einen Lichtblitz und eine Druckwelle erzeugt, die Beute aus der Ferne betäubt oder tötet.

Der Pistolenkrebs hat das Problem gelöst, Kavitation als kontrollierte, gerichtete Waffe zu nutzen – ein Problem, das menschliche Ingenieure nicht in vergleichbarem Maßstab und mit gleicher Effizienz gelöst haben. Marineingenieure haben Kavitation hauptsächlich als Problem studiert, das vermieden werden sollte (es beschädigt Schiffspropeller und Pumpenlaufräder), statt als Waffenmechanismus, aber die Fähigkeit des Pistolenkrebses, mit einer biologischen Struktur kontrollierte Kavitation zu erzeugen, deutet auf Möglichkeiten für Anwendungen mit gerichteten Druckwellen hin.

Der biologische Mechanismus wird derzeit hauptsächlich von Forschern untersucht, die sich für die Physik der Kavitation und die Materialeigenschaften der Schere interessieren, die den wiederholten mechanischen Schock des Schnippens ohne Ermüdungsversagen übersteht – eine materialwissenschaftliche Errungenschaft, die Ingenieure für Anwendungen in stoßfesten Strukturen erforscht haben.

Katya / Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0)

Der Bombardierkäfer (Tribus Brachinini) erzeugt als Abwehrmechanismus ein kochendes, ätzendes Spray – eine binäre Chemiewaffe, die aus zwei getrennten Reaktanten (Hydrochinone und Wasserstoffperoxid) zusammengesetzt wird, die in getrennten Kammern gelagert und nur bei Auslösung des Abwehrmechanismus im Reaktionsraum vermischt werden. Die Reaktion erzeugt Benzochinone bei etwa 100 °C und schleudert sie in einem Schnellpuls-Spray (mit etwa 500 Pulsen pro Sekunde), das heiß genug ist, um die meisten Raubtiere abzuschrecken.

Der Pulsmechanismus ist die spezifische technische Errungenschaft, die Forscher am bemerkenswertesten finden: Das System des Käfers erzeugt einen gepulsten Spray anstelle eines kontinuierlichen, indem ein Ventil verwendet wird, das sich schnell öffnet und schließt, wenn sich der Druck aufbaut und freigibt. Diese gepulste Abgabe ist effizienter als ein kontinuierliches Spray bei der gleichen Gesamtausgabe, da die Pulse die Temperatur an der Düse hoch halten, während weniger Reaktant verwendet wird.

Forscher am MIT und Leeds haben das binäre Mischsystem und den Pulsmechanismus des Bombardierkäfers für Anwendungen wie Kraftstoffeinspritzsysteme (effizienteres Mischen bei der Verbrennung), Brandschutzsysteme (effektivere Tröpfchengröße und -verteilung) und Arzneimittelabgabesysteme (kontrollierte Freigabe in präzisen Intervallen) untersucht. Die chemische Technik des Käfers ist seit etwa 250 Millionen Jahren im Einsatz.

Schokraie E, et al. / Wikimedia Commons (CC BY 2.5)

Bärtierchen (Tardigrada) – die mikroskopisch kleinen achtbeinigen Tiere, die manchmal auch Wasserbären genannt werden – überleben die vollständige Austrocknung (Verlust aller Körperflüssigkeiten), Temperaturen von nahezu absolutem Nullpunkt bis 150 °C, Vakuum, hohe Dosen von ionisierender Strahlung und Druckextreme, die jedes andere bekannte Tier töten würden. Sie erreichen dies, indem sie in einen Zustand namens Kryptobiose eintreten, in dem der Stoffwechsel im Wesentlichen aufhört, der Körper Wasser durch einen Zucker namens Trehalose ersetzt, der die Zellstrukturen stabilisiert, und eine Proteinklasse namens intrinsisch ungeordnete Proteine bildet eine glasartige Matrix um und innerhalb der Zellen, die strukturelle Schäden während der Austrocknung verhindert.

Der Überlebensmechanismus der Bärtierchen bei Austrocknung ist von großem Interesse für Forscher, die an der Lagerung von Impfstoffen und pharmazeutischen Produkten, der Konservierung von Organen und dem Überleben biologischer Materialien im Weltraum arbeiten. Derzeit müssen Impfstoffe und viele biologische Medikamente während der gesamten Lieferkette gekühlt werden – eine erhebliche logistische und kostentechnische Herausforderung in ressourcenarmen Umgebungen weltweit. Ein Austrocknungs-Überlebensmechanismus, der die Potenz von Impfstoffen bei Raumtemperatur bewahrt, wäre transformativ.

Forscher an der University of Wisconsin und anderswo haben Bärtierchen-Austrocknungsproteine in menschliche Zellen eingefügt und festgestellt, dass sie messbare Austrocknungsresistenz verleihen – was darauf hindeutet, dass die molekulare Lösung der Bärtierchen zumindest teilweise übertragbar ist. Die Anwendungen befinden sich in einer frühen Forschungsphase; die Lösung der Bärtierchen ist seit etwa 500 Millionen Jahren im Einsatz.

Kirill Moiseev / Pexels

Spinnenseide ist gleichzeitig stärker als Stahl (bezogen auf das Gewicht), elastischer als Nylon und biologisch abbaubar – eine Kombination von mechanischen Eigenschaften, die kein menschlich entwickeltes Material vollständig repliziert hat. Die Zugseide, die Spinnen für die Speichen von Radnetzen verwenden, hat eine Zugfestigkeit von etwa 1,3 GPa und kann sich um 140 % ihrer ursprünglichen Länge dehnen, bevor sie reißt. Die Fangspiralseide ist noch elastischer.

Die mechanischen Eigenschaften ergeben sich aus der spezifischen Proteinstruktur der Spinnenseide: eine hierarchische Anordnung von kristallinen Beta-Faltblatt-Regionen (verantwortlich für die Festigkeit) und amorphen Regionen (verantwortlich für die Elastizität) auf mehreren Ebenen vom molekularen bis zum Faserniveau. Die Kombination der Eigenschaften wird durch den Spinnprozess erzeugt, der die Proteinketten unter kontrollierter Spannung ausrichtet, wenn die Seide aus der Spinndüse austritt.

Die Herausforderung, Spinnenseide zu replizieren, beschäftigt Materialwissenschaftler seit Jahrzehnten. Spinnen können nicht im großen Maßstab gezüchtet werden (sie sind territorial und kannibalisch), daher wurde die rekombinante Produktion von Seidenproteinen in Bakterien, Hefe und transgenen Ziegen (deren Milch Seidenproteine enthält) verfolgt. Bolt Threads und Spiber haben rekombinante Spinnenseidenmaterialien im kommerziellen Maßstab hergestellt; die mechanischen Eigenschaften der synthetischen Versionen nähern sich, haben aber die natürliche Spinnenseide noch nicht erreicht. Anwendungen umfassen medizinische Nähte, Schutzkleidung, Luft- und Raumfahrtkomponenten und biologisch abbaubare Strukturmaterialien.

Daniel Torobekov / Pexels

Haihaut ist mit mikroskopisch kleinen zahnartigen Strukturen bedeckt, die als Hautzähne (oder Plakoidschuppen) bezeichnet werden und den Widerstand verringern, indem sie die turbulente Grenzschicht des Wassers, das über den Hai fließt, stören und so schnelleres Schwimmen mit weniger Energieaufwand ermöglichen. Die Hautzähne verhindern auch das Anhaften von Seepocken, Algen und Mikroorganismen – eine selbstreinigende Antifouling-Funktion, die ohne Biozid-Chemie erreicht wird.

Der Fastskin-Schwimmanzug von Speedo – der bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking im Wettkampfschwimmen dominierte, bevor er von FINA wegen zu großem Wettbewerbsvorteil verboten wurde – wurde unter Verwendung der Geometrie der Haifischhautschuppen entworfen. Schiffsanstriche, die auf dem Muster der Haifischhautschuppen basieren, befinden sich in der kommerziellen Entwicklung und zielen auf etwa 15 % des Treibstoffverbrauchs eines Schiffes ab, der auf Bewuchs (Seepocken und Organismen, die sich am Rumpf anheften und den Widerstand erhöhen) zurückzuführen ist. Im Maßstab der globalen Schifffahrt würde eine 15 %ige Reduzierung des Treibstoffverbrauchs enorme Energie- und Kohlenstoffeinsparungen darstellen.

Das Hautzahnsystem des Hais hat sich über etwa 450 Millionen Jahre verfeinert und eine Oberfläche geschaffen, die die Fluiddynamik und den Bewuchs gleichzeitig ohne Wartungsbedarf verwaltet.

Jeffry Surianto / Pexels

Der Schützenfisch (Toxotidae) jagt, indem er gezielt Wasserstrahlen auf Insekten auf der Vegetation über der Wasseroberfläche spuckt und sie ins Wasser stößt. Die spezifische technische Herausforderung, die er gelöst hat, ist die ballistische Kompensation von Brechung: Licht bricht, wenn es von Luft zu Wasser übergeht, was dazu führt, dass die scheinbare Position eines Objekts, das von unter Wasser aus betrachtet wird, von seiner tatsächlichen Position abweicht. Der Schützenfisch kompensiert diese Brechung automatisch und trifft Ziele, deren tatsächliche Position er nie direkt beobachtet hat.

Forschungen, die 2012 in Current Biology veröffentlicht wurden, zeigten, dass Schützenfische nicht nur die Brechung kompensieren, sondern auch lernen, ihr Ziel anzupassen, wenn sich der Angriffswinkel ändert — was eine flexible, erlernte geometrische Kompensation demonstriert, die Forscher bisher nicht Fischen zugeschrieben hatten. Der Fisch kompensiert auch die parabolische Flugbahn des Wasserstrahls und berücksichtigt die Schwerkraftwirkung auf den Strahl.

Ingenieure, die an maschinellem Sehen und robotischen Systemen arbeiten, haben die Zielerfassung von Schützenfischen als Modell für Systeme untersucht, die über Mediengrenzen hinweg mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften operieren müssen — Anwendungen einschließlich Unterwasserdrohnen, die Oberflächenobjekte anvisieren müssen, und optische Systeme, die variable Brechung in atmosphärischen oder wässrigen Bedingungen kompensieren müssen.

Manh Cuong Le / Pexels

Ameisenkolonien lösen das Problem des Handlungsreisenden — die kürzeste Route zu finden, die mehrere Punkte verbindet — durch einen dezentralen Prozess namens Ameisenkolonieoptimierung, bei dem einzelne Ameisen Pheromonspuren hinterlassen, die kürzere Wege verstärken (weil Ameisen, die kürzere Wege gehen, den Kreislauf schneller abschließen und mehr Pheromone pro Zeiteinheit hinterlassen). Ohne zentrale Berechnung konvergiert die Kolonie auf nahezu optimale Lösungen für Routingprobleme, die für menschliche Algorithmen rechnerisch unlösbar sind.

Der Algorithmus der Ameisenkolonieoptimierung, der in den 1990er Jahren von Marco Dorigo formalisiert wurde, ist heute eines der Standardwerkzeuge in der rechnerischen Optimierung und wird in der Logistikplanung, im Netzwerkdesign, bei der Proteinstrukturvorhersage und bei kombinatorischen Optimierungsproblemen in zahlreichen Bereichen eingesetzt. Die Logistikalgorithmen von Google $GOOGL und Amazon $AMZN beinhalten Prinzipien der Ameisenkolonieoptimierung.

Die spezifische Errungenschaft der Ameisenkolonie ist nicht nur die Routingeffizienz, sondern die Robustheit der Optimierung: Die Kolonie passt sich in Echtzeit an Umweltveränderungen an (eine Nahrungsquelle verschwindet, ein Weg wird blockiert) durch denselben Pheromonverstärkungsmechanismus und hält nahezu optimale Lösungen aufrecht, ohne dass eine einzelne Ameise eine Karte oder einen Plan hat. Diese Echtzeit-adaptive Optimierung in einem verteilten System ohne zentralen Controller ist genau die Architektur, die Ingenieure, die an resilienter Infrastruktur und autonomen Systemen arbeiten, zu bauen versuchen.

Jun Ho Lee / Pexels

Der Pfauenaugen-Smaragdkrebs (Odontodactylus scyllarus) schlägt Beute mit einem keulenförmigen Anhang, der mit 10.400 g beschleunigt – schneller als eine .22-Kaliber-Kugel – und eine Schlagkraft liefert, die etwa das 1.000-fache des Körpergewichts des Tieres beträgt. Die Keule selbst übersteht Tausende solcher Schläge ohne Bruch, eine Leistung der Schlagfestigkeit, die erhebliches Interesse in der Materialtechnik geweckt hat.

Die Struktur der Keule wurde mit Synchrotron-Röntgenbildgebung analysiert und besteht aus drei verschiedenen Bereichen: einer gehärteten Aufschlagfläche aus Hydroxylapatit (das Mineral in Knochen), einem Fischgrätenmuster-Faserbereich, der die Stoßwelle durch den Querschnitt der Keule verteilt, ohne dass Risse entstehen, und einem periodischen Bereich aus Mineral-Faser-Verbundstoff, der die verbleibende Energie dissipiert. Die Fischgräten-Faserausrichtung ist die spezifische strukturelle Innovation, auf die sich Materialingenieure konzentriert haben.

Forscher der University of California San Diego haben biologisch inspirierte Kohlefaserverbundstoffe unter Verwendung der Fischgräten-Faserausrichtung hergestellt und eine verbesserte Schlagfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Faserorientierungen festgestellt. Anwendungen umfassen Militärkörperschutz, Flugzeugpaneele und Schutzstrukturen für Gebäude. Die Keule des Smaragdkrebses ist seit etwa 400 Millionen Jahren im Einsatz.

Engin Akyurt / Pexels

Der Elektroaal (Electrophorus electricus) – eigentlich ein Messerfisch und kein echter Aal – erzeugt elektrische Entladungen von bis zu 860 Volt und 1 Ampere aus Elektrozyten: spezialisierte Zellen, die aus Muskelzellen abgeleitet sind und als biologische Batterien fungieren, in Serie im Körper des Aals gestapelt, um hohe Spannungen aus dem sehr geringen Spannungsunterschied zu erzeugen, den jede Zelle erzeugt. Der Elektroaal hat das Problem gelöst, hohe Spannung aus chemischem Potenzial im biologischen Maßstab zu erzeugen.

Forscher der University of Michigan veröffentlichten 2017 in Nature Arbeiten, die ein künstliches elektrisches Organ beschreiben, inspiriert von der Elektrozytenstapelung des Elektroaals: eine Reihe von Hydrogelkammern mit abwechselnd hoch- und niedersalzigen Lösungen, die 110 Volt aus einer Struktur erzeugen, die weich, flexibel und biokompatibel ist. Das künstliche Organ ist derzeit zu klein, um implantierbare medizinische Geräte mit Strom zu versorgen, stellt jedoch ein Proof of Concept für biologisch inspirierte, auf weichen Materialien basierende Stromerzeugung dar.

Die Anwendung, die den Großteil der Forschung antreibt: eine biokompatible Stromquelle für implantierbare medizinische Geräte (Herzschrittmacher, neuronale Schnittstellen, Medikamentenabgabesysteme), die die derzeit verwendeten starren Lithiumbatterien ersetzen könnte, die bei Erschöpfung chirurgisch ausgetauscht werden müssen. Das Stromerzeugungssystem des Elektroaals läuft mit Ionengradienten, die kontinuierlich durch den Stoffwechsel aufgefüllt werden – eine wiederaufladbare Batterie, die während der gesamten Lebensdauer des Aals in Betrieb ist.

Crudop MichaeLP / Wikimedia Commons

Das Lotusblatt (Nelumbo nucifera) stößt Wasser mit nahezu perfekter Effizienz ab: Wassertropfen formen nahezu perfekte Kugeln auf der Blattoberfläche und rollen ab, wobei sie Staub oder Verunreinigungen mit sich tragen und das Blatt immer sauber bleibt. Diese selbstreinigende Eigenschaft — der Lotus-Effekt — wird durch eine mikro- und nanoskalige Oberflächenstruktur aus wachsartigen kristallinen Erhebungen erzeugt, die die Kontaktfläche zwischen dem Wassertropfen und der Blattoberfläche minimiert, Luft unter dem Tropfen einschließt und Kontaktwinkel von etwa 160 Grad erzeugt (Wasserperlen sind auf der Oberfläche fast perfekt kugelförmig).

Der Lotus-Effekt ist die am weitesten kommerziell entwickelte Anwendung von Biomimese in dieser Liste. Die Lotusan-Fassadenfarbe der Sto AG, die 1999 auf den Markt kam, nutzt die Lotus-Oberflächenstruktur und wurde weltweit auf Millionen von Quadratmetern Fassaden angewendet, die keine Reinigung benötigen, da Regenwasser Verunreinigungen automatisch entfernt. Lotus-Effekt-Gewebebehandlungen, Glasbeschichtungen und selbstreinigende Textiloberflächen sind kommerziell erhältlich.

Die aktive Forschungsfront besteht darin, Lotus-Effekt-Oberflächen zu produzieren, die ihre Eigenschaften unter mechanischem Verschleiß beibehalten — die wachsartige Schicht des Lotusblatts regeneriert sich kontinuierlich von unten und ersetzt abgeriebene Oberflächenstrukturen, ein Selbstreparaturmechanismus, den synthetische Lotus-Effekt-Oberflächen noch nicht besitzen.

Jeffry Surianto / Pexels

Der Tintenfisch (Sepia) ändert seine Hautfarbe, sein Muster und seine Textur in etwa 200 Millisekunden — schneller als das menschliche Auge vollständig verfolgen kann — unter Verwendung einer Kombination von Chromatophoren (pigmenthaltige Zellen, die sich unter muskulärer Kontrolle ausdehnen und zusammenziehen), Iridophoren (Zellen, die strukturelle Farbe durch Dünnschichtinterferenz erzeugen) und Papillen (muskuläre Vorsprünge, die die Hauttextur verändern). Das Ergebnis ist ein dynamisches Tarnsystem von außergewöhnlicher Vielseitigkeit, das auf vergleichbarer Skala oder Geschwindigkeit kein technologisches Äquivalent hat.

Die Herausforderung bei der Nachbildung der Tintenfisch-Tarnung besteht darin, die Veränderung von Farbe, Muster und Textur in einem einzigen flexiblen System zu integrieren — adaptive Optiken, die gleichzeitig Pigment, strukturelle Farbe und Oberflächentopografie verwalten. Das US-Militär hat bedeutende Forschungen zur Tintenfisch-inspirierten adaptiven Tarnung finanziert, und Forscher am MIT, Harvard und anderswo haben Materialien produziert, die einzelne Komponenten replizieren (farbwechselnde Schichten, texturverändernde Oberflächen), ohne alle drei zu integrieren.

Die fortschrittlichste Tintenfisch-inspirierte Tarnungsdemonstration, veröffentlicht in Science im Jahr 2018 von Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign, produzierte ein flexibles optoelektronisches Gerät, das autonom seinen Hintergrund erkennen und sein Muster anpassen konnte — eine rudimentäre Version des autonomen Musterabgleichs des Tintenfischs in einem starren Siliziumgerät, das nicht die Geschwindigkeit oder Flexibilität des Tintenfischs erreichen konnte.

Matej Bizjak / Pexels

Der Specht (Familie Picidae) schlägt mit etwa 6 bis 7 Metern pro Sekunde auf einen Baum ein und verzögert mit ungefähr 1.000 g, bis zu 20 Mal pro Sekunde stundenlang, ohne Gehirnverletzungen oder Gehirnerschütterungen zu erleiden. Die menschliche Toleranz für einen einzigen 100-g-Stoß liegt ungefähr an der Schwelle für traumatische Hirnverletzungen; der Specht überschreitet diese Grenze bei jedem Schlag um das Zehnfache und tut dies wiederholt ohne kumulative Schäden.

Die Mechanismen der Stoßabsorption des Spechts wurden eingehend von Forschern analysiert, die motiviert sind, Schutzhelme und elektronische Stoßdämpfungssysteme zu verbessern. Der Schädel des Spechts enthält mehrere Schutzstrukturen: ein dicker Schädel mit ungleichmäßigen inneren und äußeren Knochenschichten, die die Aufprallenergie in eine tangentiale statt eine kompressive Richtung zum Gehirn leiten, ein spezieller Zungenbein (das Zungenbein), das fast vollständig um den Schädel gewickelt ist und als Sicherheitsgurt fungiert, asymmetrische Ober- und Unterkieferränder, die die Kompressionskraft vom Gehirn wegleiten, und ein relativ kleines Gehirn, das eng in den Schädel passt, ohne den Liquorspalt, der beim Menschen Gehirnverletzungen beim Aufprall verursacht.

Ingenieure der University of California Berkeley haben ein mehrschichtiges Stoßdämpfungssystem entwickelt, inspiriert von der mehrschichtigen Schutzanatomie des Spechts, das eine verbesserte Stoßfestigkeit für Festplattenlaufwerke demonstriert. Helmhersteller haben asymmetrische Stoßverteilungsschichten, die vom Specht inspiriert sind, in professionelle Sporthelme integriert.

Péter Kövesi / Pexels

Viele Zugvogelarten — darunter europäische Rotkehlchen, Gartengrasmücken und Brieftauben — navigieren mit dem Erdmagnetfeld mit einer Präzision, die menschliche Magnetkompasse bei vergleichbarer Größe oder Energieverbrauch nicht erreichen können. Der spezifische Mechanismus bleibt eine der aktiv erforschten Fragen in der Sensorikbiologie: Die führende Hypothese beinhaltet die Quantenverschränkung von Elektronenpaaren in Kryptochrom-Proteinen in den Augen der Vögel, die vom Magnetfeld in einer richtungsabhängigen Weise beeinflusst wird, die das visuelle System des Vogels als eine Richtungsüberlagerung auf seinem Gesichtsfeld erkennt.

Die Quantenkompass-Hypothese — dass Vögel quantenmechanische Effekte in biologischen Molekülen für die magnetische Wahrnehmung nutzen — ist eine der wenigen vorgeschlagenen Anwendungen der Quantenbiologie in einem makroskopischen Organismus und hat erhebliche Aufmerksamkeit von Physikern sowie von Biologen auf sich gezogen. Wenn bestätigt, würde es einen biologischen Quantensensor darstellen, der bei Raumtemperatur arbeitet, was kein von Menschen entwickelter Quantensensor kann (aktuelle Quantensensoren erfordern eine Kühlung nahe dem absoluten Nullpunkt).

Forschung, die 2021 in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht wurde, fand direkte Beweise dafür, dass der Mechanismus des Kryptochrom-Proteins gegenüber Magnetfeldern im relevanten Maßstab empfindlich ist, was die Quantenkompass-Hypothese stärkt. Ingenieure, die an Quantensensorgeräten arbeiten, verfolgen die Vogelnavigationsforschung genau, da ein biologischer Quantensensor bei Raumtemperatur einen erheblichen Fortschritt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik darstellen würde.

Bachware / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Turritopsis dohrnii — eine kleine Qualle von etwa 4,5 mm Durchmesser, die in gemäßigten und tropischen Ozeanen weltweit vorkommt — ist das einzige bekannte Tier, das in der Lage ist, nach Erreichen der Geschlechtsreife in sein juveniles Polypenstadium zurückzukehren, ein Prozess, der als Transdifferenzierung bezeichnet wird, bei dem differenzierte adulte Zellen in einen pluripotenten Stammzellzustand zurückkehren und sich neu in die Zellen differenzieren, die zum Wiederaufbau eines juvenilen Organismus benötigt werden. Der Prozess kann sich unbegrenzt wiederholen — die Qualle ist biologisch unsterblich in dem Sinne, dass sie unter Stress unendlich zwischen erwachsenem und jugendlichem Stadium wechseln kann.

Der spezifische biologische Mechanismus — Transdifferenzierung, bei dem eine reife Zelle ihre Identität ändert, um ein anderer Zelltyp zu werden — ist von enormem Interesse für die regenerative Medizin und die Altersforschung. Bei den meisten Tieren behalten differenzierte Zellen (eine Herzmuskelzelle, eine Leberzelle, ein Neuron) ihre Identität dauerhaft bei, und der Verlust der Gewebefunktion mit dem Alter spiegelt die Ansammlung beschädigter Zellen wider, die nicht durch neue derselben Art ersetzt werden können. Ein Mechanismus, der reife Zellen dazu anleiten könnte, sich in die für die Reparatur benötigten Zelltypen zu transdifferenzieren, wäre transformativ.

Die Forschung über den Transdifferenzierungsmechanismus von Turritopsis dohrnii befindet sich in einem frühen Stadium — die Qualle ist unter Laborbedingungen schwer zu halten und ihr Genom wurde erst kürzlich sequenziert. Eine vergleichende Genomstudie aus dem Jahr 2022 identifizierte Gene, die mit DNA-Reparatur und Transdifferenzierung assoziiert sind und in T. dohrnii auf höherem Expressionsniveau als bei verwandten Arten vorhanden sind. Die Qualle hat die biologische Unsterblichkeit gelöst; der Mechanismus beginnt verstanden zu werden.

Francesco Ungaro / Pexels

Der Hügel der afrikanischen Termite Macrotermes michaelseni hält das ganze Jahr über eine Innentemperatur von etwa 31°C in einer äußeren Umgebung aufrecht, die zwischen 3°C nachts und 42°C tagsüber variiert — eine Temperaturregulierung, die eine Schwankung von 39°C ohne jegliches aktives Heiz- oder Kühlsystem bewältigt. Der Hügel ist vollständig passiv und verlässt sich auf die spezifische Geometrie der inneren Tunnel, Schornsteine und Lüftungsöffnungen, um den konvektiven Luftstrom durch die Struktur zu steuern.

Der simbabwische Architekt Mick Pearce studierte die Architektur des Macrotermes-Hügels beim Entwerfen des Eastgate Centre in Harare, das 1996 fertiggestellt wurde — ein großes Büro- und Einzelhandelskomplex, das trotz der großen täglichen Temperaturschwankungen in Harare keine konventionelle Klimaanlage oder Heizung verwendet. Das passive Kühlsystem des Gebäudes, das auf der konvektiven Geometrie des Termitenhügels basiert, verbraucht etwa 10% der Energie, die ein konventionell klimatisiertes Gebäude vergleichbarer Größe verbrauchen würde. Es war das erste großangelegte Gebäude, das explizit unter Verwendung von Termitenhügel-Biomimikry entworfen wurde.

Die spezifische architektonische Innovation, die Termitenhügel bieten, ist kein einzelnes Merkmal, sondern ein System: die Integration von thermischer Masse (die Erde des Hügels), konvektives Luftstrommanagement (die Schornstein- und Tunnelgeometrie) und Feuchtigkeitskontrolle (Pilzgärten, die Wärme erzeugen und Kohlendioxid verbrauchen) in eine Struktur, die das Klima nur durch passive Mittel allein verwaltet. Ingenieure, die dieses System im Maßstab von Gebäuden anwenden, arbeiten in einem Designraum, den die Termiten seit etwa 50 Millionen Jahren optimieren.

Jose Rodriguez Ortega / Pexels

Der Wanderalbatros (Diomedea exulans) fliegt Zehntausende von Kilometern über den Südlichen Ozean mit einer Flügelspannweite von bis zu 3,5 Metern und einem Energieaufwand, der so niedrig ist, dass er bei Reisegeschwindigkeit kaum über dem Ruheumsatz des Vogels liegt. Dies erreicht er durch dynamisches Segelflug — eine Flugtechnik, die Energie aus dem Windgradienten über der Meeresoberfläche gewinnt, indem er abwechselnd in schnelleren Wind aufsteigt und in langsameren Wind in einem Achtermuster absteigt und die Windgeschwindigkeitsdifferenz in verschiedenen Höhenlagen in Vorwärtsbewegung ohne Flügelschlag umwandelt.

Die dynamische Segelflugtechnik des Albatros wurde seit den 1880er Jahren von Luft- und Raumfahrtingenieuren untersucht, als Lord Rayleigh erstmals die Physik beschrieb, und bleibt der energieeffizienteste autonome Flugmodus, der bekannt ist. Eine Drohne oder ein Segelflugzeug, das dynamisches Segelflug über dem Ozean verwendet, könnte prinzipiell unbegrenzt fliegen, ohne eine andere Energiequelle als den Windgradienten — eine Fähigkeit, die für die Überwachung der Ozeane, die maritime Überwachung und die Langstrecken-Atmosphärenwissenschaft transformativ wäre.

Forscher am MIT, bei der NASA und an mehreren Universitäten haben autonome Drohnen entwickelt, die in der Lage sind, unter Ozeanbedingungen dynamisches Segelflug auszuführen, und die Flugausdauer dramatisch über den batteriebetriebenen Äquivalenten demonstrieren. Der Albatros verwendet dieselbe Technik seit etwa 30 Millionen Jahren und beherrscht die Energiegewinnung aus einer Ressource — dem Windgradienten —, die über den größten Teil der Weltmeere kontinuierlich verfügbar ist und die die menschliche Luftfahrt fast vollständig ignoriert hat.