Faszination und Wunder der Technik. Werner Dupont
Vorteile derartiger Sensoren sind eine relativ einfache Bauweise, die starke Miniaturisierung der einzelnen Sensorelemente und eine geringe Störanfälligkeit. Die neuartigen Infrarotsensoren ermöglichen die Herstellung robuster Feuermelder und die Produktion von Feuer- sowie Hitzedetektoren zur Verwendung in Gebäuden und Fahrzeugen. Einfach zu betreibende und zu bedienende wärmebildgebende Sensoren könnten zudem als Nachtsichtassistenten in Automobilen, Infrarotsichtgeräten für Feuerwehreinsätze sowie in der Grenzüberwachung und Minensuche eingesetzt werden.
Weitere Anwendungsfelder sind Diagnoseverfahren in der Medizin, Temperaturüberwachung in der Industrieproduktion und die Qualitätssicherung im Baugewerbe. Beispielsweise ermöglichen einfach zu handhabende Infrarotsichtgeräte, dass Hausbesitzer selbst Wärmeleckagen ihrer Häuser ermitteln und Verbesserungen an der Dämmung durchführen können. Dies hilft bei der Energieeinsparung – dem Prachtkäfer sei Dank.
Insekten spielen auch die Hauptrolle im Fall der nachfolgenden Innovation. Bei ihr geht es um die ausgeklügelte Funktionsweise von Insektenaugen, durch die Forscher des Jenaer Fraunhofer-Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik zu einem bionischen Projekt angeregt wurden, der Funktionsweise dieser optischen Systeme auf den Grund zu gehen. In diesem Zusammenhang wurden Minikameras entwickelt, die aufgrund ihres von Insekten adaptierten Facettenaugenprinzips in der Lage sind, in ihrem Einsatzfeld des Kfz-Innenraums die Augenbewegungen des Fahrers zu beobachten und einen drohenden Sekundenschlaf zu erkennen. Der optische Sensor nach dem Facettenaugenprinzip von Insekten würde dann schwere Unfälle und Todesopfer im Straßenverkehr verhindern helfen.
Der geringe Abstand zwischen Linse und Fotorezeptoren sowie die geringe Größe der Optik machen Facettenaugen zu einem perfekten Vorbild für technische Kamerasysteme. Anfangs realisierte künstliche Facettenaugen konnten aufgrund ihrer geringen Bildqualität allerdings nur als einfache abbildende optische Sensoren eingesetzt werden. Dadurch wurde die notwendige Kompetenz für ein hierzu erforderliches systemtechnisches und interdisziplinäres Managementkonzept auf den Plan gerufen.
Konkret wurden im Rahmen diese interdisziplinären Ansatzes Vertreter aus den Bereichen Tierphysiologie, Experimentalphysik und Mikrooptik zusammengeführt, um aus dem gewonnenen Verständnis natürlicher Facettenaugenprinzipien ganz neue Wege in der Entwicklung optischer Systeme zu gehen. Insbesondere werden neuartige Prinzipienkombinationen untersucht, die eine deutlich höhere Schärfe der ultrakompakten Objektive zulassen. Diese erfordern ein beträchtlich komplizierteres Optikdesign, modifizierte Technologien und komplexere Aufbau- und Verbindungstechnik.
Die resultierenden facettierten ultraflachen Abbildungssysteme liefern Bildauflösungen, die ihren Einsatz in der Mikroskopie, im Gesundheitswesen, der Überwachungstechnik oder sogar als sehr kompakte Kamera im Mobiltelefon erlauben. Mit seiner geringen Baugröße ist dieses Objektiv prinzipiell sogar in Kreditkarten oder Folien anwendbar. Ein wesentlicher Bestandteil des Facettenaugenprojektes betrifft auch die Verfügbarmachung effizienter Massenfertigungsverfahren der Polymermikrooptiken auf Glas im Wafer-Maßstab für die neuartigen insekteninspirierten optischen Systeme.
In einem vom Dresdener Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) geführten bionischen Projekt werden auf Basis von Knochenumbauprozessen computergestützte Methoden zur Konstruktion, Simulation und Fertigung gradierter zellularer Strukturen entwickelt. Ziel ist zum Beispiel der Einsatz von Dauerimplantaten im Kieferbereich oder Leichtbaustrukturen für den Automobil-, Flugzeug- und Anlagenbau. Der Knochen mit seiner massiven, dichten äußeren Randschicht, der sogenannten Kompakta, und den schwammartigen Knochenbälkchen, der Spongiosa, als natürlich gewachsene Verbundstruktur gewährleistet eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht.
Um diese geniale Entwicklung der Natur auch in der Technik nutzbar zu machen, hat das IFAM deshalb das sogenannte MPTO-Verfahren (Multiple Phase Topology Optimization) entwickelt, das die örtliche Verteilung verschieden dichter Materialien in einer mechanisch belasteten Struktur mit dem Ziel hoher Steifigkeit optimiert. Mit MPTO können Faserstrukturen des Knochenschwamms in menschlichen Oberschenkelknochen in guter Übereinstimmung mit Röntgenaufnahmen nachgeahmt werden. Das in diesem Vorhaben entwickelte Softwareprogramm ermöglicht die Abbildung der Dichteverteilung des Knochens auf eine schwammartige Struktur, die mittels moderner Fertigungsverfahren erzeugt wird. Die mit den neuen Methoden gewonnenen Leichtbaustrukturen aus Titanlegierungen, Aluminium oder Keramiken weisen im Vergleich zu konventionellen Lösungen bis zu 30 Prozent Gewichtsersparnis bei einem sehr geringen Steifigkeitsverlust auf.
Insbesondere für Anwendungen mit bewegten Massen wie Autos, Flugzeugen und Maschinen führt dies bei der Bewegung zu einem entsprechend niedrigeren Energieverbrauch und damit zu nachhaltigen Produkten. Dies gilt in der Medizintechnik auch für die Lebensdauer von Endoprothesen, die für die Verbraucher zudem eine bessere Funktionalität als herkömmliche Produkte bringen.
Nun zu einem Beispiel aus der Klebetechnik nach Gecko-Art. An der Decke kleben wie ein Gecko – das ist keine Utopie mehr. Möglich macht dies das patentierte Gecko-Tape, das Bionik-Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel in Zusammenarbeit mit der Firma Gottlieb Binder in Holzgerlingen entwickelt haben. 2011 hat die Hightech-Folie bei den weltweit renommierten IF Product Design Awards einen Hauptpreis verliehen bekommen.
Die Jury urteilte, dass das Produkt seinen Gold Award verdient hat, weil es kein Klebeband ist, das klebt wie ein Klebstoff, sondern dank seiner Oberflächenstruktur spurlos wieder entfernt werden kann. Das Material haftet nicht nur auf glatten, sondern auch an unebenen Oberflächen und sogar auf Menschenhaut, weswegen es auch Potenzial für medizinische Anwendungen hat. Das Gecko-Tape ist den Haftmechanismen von Gecko- und Käferfüßen nachempfunden. Bei diesem neuen klebstofffreien System beruht die Haftkraft ausschließlich auf der besonderen Geometrie der Mikrostrukturen.
Bei der Herstellung dient wie beim Kuchenbacken eine Form als Vorlage, in die gleichsam als Negativbild die gewünschte Oberfläche eingegossen werden kann. Die künstlich hergestellte Folie kann immer wieder verwendet werden, löst sich rückstandsfrei und hält sogar auf feuchten, rutschigen Untergründen. Angewendet werden kann das innovative, umweltschonende und materialsparende Produkt in unterschiedlichen Bereichen – vom Haushalt bis zur Medizin.
Sogar der englische Fernsehsender BBC ließ sich von den einzigartigen Eigenschaften der Haftfolie überzeugen. Für einen Dokumentarfilm über Materialien der Zukunft berichtete das britische Team sehr eindrucksvoll durch eine Demonstration, bei der ein Wissenschaftsjournalist an einer mit der Hightech-Folie versehenen 20 x 20 Zentimeter großen Plexiglasscheibe wie ein Gecko oder Spider-Man an der Decke klebte.
Eine verblüffende Fähigkeit von Fischen soll im Kampf gegen die Wasserverschwendung helfen. In einem vom Institut für Zoologie der Universität Bonn geführten Bionik-Forschungsvorhaben wurde das sensorische Seitenliniensystem der Fische entschlüsselt und daraus ein technischer Strömungssensor entwickelt. Damit lassen sich Lecks in Trinkwasserrohren aufspüren oder der Atemstrom von Intensivpatienten überwachen.
Die Entwicklung von Strömungssensoren nach dem Vorbild des Seitenliniensystems der Fische erlaubt eine breit gestreute, präzise und kostengünstige strömungstechnische Überwachung. Die kleinen Sensoren erlauben eine größere Messgenauigkeit, sehr kleine Abmessungen und Kostenersparnisse.
Bis zu 40 Prozent des Trinkwassers gehen in Städten durch Undichtigkeiten in Leitungssystemen verloren. Der von den Forschern der Universität Bonn zusammen mit einer mittelfränkischen Firma für Wassermesstechnik entwickelte Sensor kann Lecks in Wasserrohren oder Gasleitungen aufspüren, da nach jedem Leck das Strömungsvolumen abnimmt.
In diesem Fall haben Fische Pate für eine technische Entwicklung gestanden. Sie sind auch bei Dunkelheit sehr gut über ihre unmittelbare Umgebung informiert. Mit ihrem Seitenlinienorgan, das aus bis zu 4.000 winzigen Einzelsensoren besteht, nehmen sie hochempfindlich lokale Wasserbewegungen und Druckgradienten war, wie sie zum Beispiel von vorbeischwimmenden Artgenossen oder Feinden erzeugt werden. Sie nutzen diese Fähigkeit zur Ortung von Objekten, zur räumlichen Orientierung oder auch zum gezielten Energiesparen bei der Fortbewegung.
Der nach Fischvorbild entwickelte technische Sensor ist nicht einmal so groß wie ein Fingernagel. Und er soll vor allem bei der lückenlosen Überwachung