Bestimmung grundsätzlicher Begriffe

Biokompatibilität

Mikrosysteme in Biosystemen - als Implantate, Sensoren, ....... der Chip in uns?

Übersicht: Biokompatibilität

Mikrotechnische Implantate sind technische Systeme, die wie auch die Implantate herkömmlicher Größenordnung ausgefallene oder insuffiziente Strukturen des menschlichen Körpers ersetzen bzw. in bei deren Restfunktion unterstützend wirken sollen.
Die Besonderheit liegt darin, dass hier sehr kleine, das heißt minimalen Bauraum beanspruchende technische Systeme verwandt werden oder Funktionen, die besonders in der Mikrodimension effektiv sind, ausgenutzt werden.
Dabei können diese Mikrosysteme hochgradig komplex sein, d.h. verschiedene Bestandteile unterschiedlicher Teilfunktion werden in ihnen integriert und sind daher in ihrer Wirkungsweise der zu ersetzenden oder zu unterstützenden Körperfunktion besser anzupassen.
Es müssen Restriktionen beachtet werden, die für jedes in den lebenden Organismus einzubringende technische Gebilde gelten. Sie müssen aus physiologisch verträglichen Werkstoffen bestehen (atoxisch), mechanisch in das lebende Gewebe integrierbar (histokompatibel) sein und verletzungsvermeidende oder nachgiebige Konturen haben (atraumatisch), compliant)
Biokompatible Materialien sind in der "Makro-Implantologie" schon Standard, aber in der Mikrotechnologie noch nicht in der geforderten Genauigkeit strukturierbar.

Mikrotechnologie

Technik vom Feinsten; Spezifik, Möglichkeiten und Grenzen in der Mikrodimension

Übersicht: Möglichkeiten und Grenzen in der Mikrodimension

Besonderheiten, Möglichkeiten und Grenzen der Kleinheit

Die Mikrosystemtechnik eröffnete ein grundsätzlich neues Technik-Paradigma, dessen weitere Entwicklung und die daraus folgenden Konsequenzen noch nicht absehbar sind. Es ist nicht die Kleinheit der Produkte an sich, die das Neuartige ausmacht, sondern der Lösungsraum, der sich aufspannt, wenn Energiewandlungseffekte der Mikrodimension nutzbar gemacht werden können, die in der traditionellen Technik keine praktische Anwendung fanden. Dazu kommt, dass die dazu entworfenen Module immer dichter anzuordnen und enger miteinander verknüpfbar sind, so dass unmittelbare Wechselwirkungen gezielt ausgenutzt werden können. Entwürfe von Mikrosystemen, die Komponenten für elektronische, mechanische, optische, fluidische und thermische, sogar biochemische Wandlungsstufen enthalten, wurden schon vorgestellt. So ist es durchaus naheliegend, den Beitrag bionischer Forschung in dieser neuartigen Technologie zu diskutieren und die bionische Methode an konkreten Beispielen zu prüfen.

Das Prinzip der Mikrotechnik, abgeleitet aus der Mikroelektronik, der Technoloige der Schaltkreise aus einkristallimen Silizium lautet: "top down" entworfen, "monolithisch" erzeugt und "hochgradig integriert". Mikrotechnik ist zur Zeit noch an die Erzeugung ebener Strukturen gebunden. In der traditionellen "Makro-Technik" besteht die Konstruktion einer Maschine aus dem körperlichen Verknüpfen von Funktionsteilen (Module), die eine definierte Operation, z.B. der Motor als Wandler mechanischer Energie mit vorgegebener Bewegungsaufgabe, erfüllen. Fast immer finden in realisierten Strukturen auch Funktionsintegrationen statt, indem eine Baugruppe Energiewandlungs- und Steuerungsaufgaben übernimmt. Zunehmend finden auch konstruktive Lösungen Anwendung, in welchen nicht die Geometrie, so z.B. die Kontur bei einer Gelenkpaarung, sondern das Material mit bestimmten Zustandsgradienten, wie eine ortsabhängige Elastizität, die Funktion bestimmt.

Von der Evolutionsstrategie zum Stammbaum in der Welt des "my-Meter"

Nichts Neues mehr ist die Assoziation, dass Technikentwicklung in ihrer Gesamtheit eine Eigengesetzlichkeit ähnlich der biologischen Evolution aufweist. Wir sind uns heute weniger denn je sicher, zu wissen, wie diese im Einzelnen abläuft. Dennoch ist es nicht von vornherein falsch, das Bild, welches wir uns von ihr machen, als hilfreiches Modell zu nutzen, um komplexe technische Aufgaben zu lösen. Im Konkreten heißt das, wir können mittels entsprechender Software einen suboptimalen Initialentwurf für ein komplexes System vorgeben und mit dem Parameter höchster Priorität aus dem Pflichtenkatalog beaufschlagen. Daraus wird eine Vielfalt von Spezifikationen (d.h. Mutationen) generiert, welche durch weitere Forderungen selektiert und als gespeicherte Komponentenlösungen durch Rekombination iterativ möglichst zum globalen Optimum des Gesamtsystems geführt werden. Gerade im Entwurfsprozess von Mikrosystemen ist eine solche Unterstützung sehr wertvoll, da jedes Re-Design schon erzeugter Teststrukturen um so teurer wird, je komplexer das Produkt wird. Zwar setzt der Rechenaufwand für ein solches Verfahren der konsequent durchgängigen Anwendung noch zeitliche Grenzen, doch könnten, analog des "Stammbaumes" der Lebewesen, einmal erzielte Lösungen wiederum als Initial der Vorentwurfsphase für neue Mikrosysteme gespeichert werden. Das Ergebnis wäre eine Bibliothek von Grundbauplänen, die jeweils evolutiv spezifiziert werden: "Bewährtes bewahren !"

Biologisches Wachstum - eine lebenslange Fertigung

Der Unterschied zwischen einem Zoo und einem Technik-Museum besteht nur darin, dass in ersterem gefüttert werden muss, um dessen dynamisch stabilisierten Exponate funktionsfähig zu halten. Technische Strukturen sind dagegen im allgemeinen statisch; eine möglichst vollständige Abschirmung gegenüber Umwelteinflüssen verlängert deren Existenz. Einmal gefertigt, sind sie sofort nach Inbetriebnahme dem Verschleiß ausgesetzt, bis sie bestenfalls recycelt werden. Dagegen reagieren biologische Strukturen bei Beanspruchung (in funktionsrelevanten Grenzen) mit ihrer Perfektionierung; vielzitiertes Beispiel sind die trajektoriell ausgerichteten Knochenbälkchen in den Röhrenknochen. Mikrosysteme, wie hier die Knochenbildner-Zellen, reagieren auf spezifische Belastungsreize, werden darauf zu einem größeren Mineralstoffwechsel aktiviert und verstärken hochbeanspruchte Stellen. So kann eine Anregung gewonnen werden, Mikrosysteme im gesamten makroskopischen Körper verteilt zu implantieren, die Signal- und Stoffwandlung integrieren und damit formadaptive mechanische Bauteile entstehen lassen. Das Wachstum der filigranen Kieselalgen-Skelette mit ihrer überraschenden geometrischen Präzision kann dagegen Anregung sein, die Muster der gezielten Stoffapposition zur Herstellung von Mikrostrukturen zu untersuchen, denn hierbei handelt es sich um "chemical liquid deposition" von SiO2 (allerdings in einer anderen -Modifikation als der Quarz).

Grenzflächen, nur wo sie gebraucht werden

Wohl nicht nur die Fachleute beeindruckten die Bilder vom elektrostatischen Motor mit einem Rotor von einem zehntel Millimeter Durchmesser; sinnfälliger Beweis dafür, was die Mikrotechnologie zu leisten vermag. Das Hauptproblem jedoch offenbarte der Film nicht: das Nabenlager war binnen kurzer Zeit verschlissen und der Mikromotor zerstört. Die Reibung wächst wie alle oberflächengebundenen Effekte mit zunehmender Mikrominiaturisierung exponentiell an und wirft damit die prinzipielle Frage auf, inwieweit es sinnvoll ist, bewährte Konstruktionselemente in diese Dimension einfach zu übertragen. Fast alles in der klassischen Mechanik beruht jedoch auf Bewegungen, die durch Formschluß an Oberflächenkonturen geführt werden. Die überwiegende Form der Bewegungs-Transmission ist dabei die Vollrotation - ein unendlicher Flächenlauf, makrotechnisch durch Schmierung oder Kugellager gut beherrschbar. Es gilt also, in der Mikromechanik andere Prinzipien von Getriebe und Kraftauskopplung zu finden. Ihre Körperkraft an die Umgebung abzuleiten, gelingt jedoch auch dem kleinsten Tier, sonst wäre es bewegungsunfähig. Da, wie schon dargestellt, in Lebewesen Kraftfluss durch Stoffschluss vorherrscht, liegt es nahe, die Bewegungsorgane von kleinen Organismen zu studieren. Das hat in der Technik, aus anderen Motiven, sogar schon Tradition. Die Altmeister der Kinematik beschrieben das Käferbein-Gelenk als Alternativlösung und die moderne Robotik sieht im Gliedertier das Urbild der Laufmaschine. Unter mikrotechnischem Aspekt betrachten wir die Gelenke von Extremitäten und Mundwerkzeugen als eine mögliche Lösung, Bewegungen ohne verschleißbelastete Formpaarung zu transmittieren. Biegezonen im monolithischen Chitinpanzer, hervorgerufen durch einen ortsbestimmten Gradienten der Steifigkeit, erlauben einen einfachen oder auch höheren Freiheitsgrad der Segmente.
Andererseits gibt es Oberflächeneffekte, deren gezielte Ausnutzung gerade eine Chance für das Mikrosystem gegenüber klassischen Konstruktionen darstellt, wie bei der Elektrostatik oder an interaktiven Sensorflächen. Ein biologisches Analogon ist parat: die Vergrößerung von Membranoberflächen im Zellinneren durch Faltung und Stapelung. Dass Grenzflächen selbst zur Fortbewegung dienen können, belegt das sog. Flimmerepithel, eine Schicht aus Zellen mit peitschenartig bewegten Fortsätzen in unserer Luftröhre, die in ihrem Zusammenwirken eingeatmete Staubteilchen entgegen der Schwerkraft transportieren.

Der technische Muskel oder: Es geht auch ohne "2 pi"

Wenn sich die Vollrotation von Rotor oder Zahnrad als so ungünstig erweist, dass es besser ist, auf biegeelastische Verbindungen zurückzugreifen, muss schon die bewegungserzeugende Komponente dem Rechnung tragen. Abgesehen davon, dass es in der Mikrotechnik auf der Hand liegt, die Antriebe möglichst wirkstellennah zu integrieren wie eben im biologischen Körper, ist anzustreben, dass auch der Bewegungsverlauf linear erfolgt. Solche Translationsmotoren sind bisher nicht gerade typisch für die herkömmliche Maschine, denn sie haben den großen Nachteil, dass ihre Energiewandlungsstrecke zwischen 2 Läufer-Positionen liegt und damit ihr Bewegungsumfang sehr begrenzt ist. Andererseits steht uns in der Mikrodimension eine Palette von Energiewandlungs-Effekten zur Verfügung, die auf Deformation, also Kontraktion oder Extension beruhen und als Mikro-Antrieb eingesetzt werden. Biologische Fortbewegung beruht überhaupt fast ausschließlich auf Translation, denn, abgesehen vom makromolekularen Bakteriengeißel-Propeller, werden höhere tierische Organismen vom Muskel angetrieben, der nur zur Verkürzung fähig ist. Dieses kontraktile Material arbeitet über die Vermittlung von hydrostatischen Druckkammern oder skelettalen Gerüsten. Es liegt also nahe, den Feinbau des Muskels unter dem Aspekt der Verknüpfung vieler kleiner kraft- und bewegungserzeugender Einheiten zu untersuchen, Modelle zu bilden, die Funktionsweise zu simulieren und auf technisch erzeugbare Energiewandlungsstrukturen zu übertragen. Ergebnis kann ein Aktor-Komplex sein, der trotz mikrotechnologischer Herstellung makroskopische Leistungsparameter generiert.

Array, Mäander und Kaskade - Die Kraft der Kleinen

Mikroaktoren erzeugen Kräfte im µN-Bereich, der Bewegungsraum ist auf µm bemessen. Mikrosensoren sind zwar hochauflösend, aber ihre Signalleistung liegt oft kaum über dem Rauschpegel. Mikrogelenke, als Biegeelemente gestaltet, erlauben bei den bisher verwendbaren Materialien nur einen sehr eingeschränkten Bewegungsbereich. In vielen Anwendungsfällen jedoch ist das sogar für Mikromechanismen zu gering. Biostrukturen lösen den Zielkriterienkonflikt zwischen Wechselwirkungsvielfalt der Mikrodimension und geforderter absoluter Systemleistung durch Vervielfachung des Einzelelements: Sollen diese parallel wirken, werden viele gleichartige in einer Schicht bzw. an der Oberfläche positioniert, wie die vielen kleinen Drüsenschläuche in der Schleimhaut des Verdauungskanals oder die Sehzellen der Netzhaut, wobei eine Compilerschicht dahintergeschaltet wird. Ist dagegen die Strukturlänge entscheidend für die Gesamtleistung, also die serielle Kopplung, kommt es zur Faltung der Wirkstrecke auf engsten Raum, wie bei den wasserresorbierenden Kanälen der Nierenkörperchen oder den Membranen der stoffwechselaktiven Zellkomponenten. Eine Multiplikation von Kraft als auch Weg erfolgt schließlich durch die gleichzeitig serielle und parallele Verknüpfung der Muskel-Untereinheiten von der Fleischfaser bis zu den ineinandergleitenden Makromolekülen Aktin und Myosin. Das Design von technischen Mikrostrukturen findet in den Begriffen "Array", "Mäander" und "Kaskade" seine Analoga. Die systematische Anwendung von Verknüpfungsprinzipien lässt die kleinen Module gar nicht mehr so schwach erscheinen - eines kann wohl auch für die Technik gelten: Viele Kleine, die (fast!) das Gleiche machen, sind besser als ein Großer, der alles übernimmt

Im Aktuator ein Sensor, im Sensor ein Aktuator, ...

Lebewesen sind unter systemtheoretischem Aspekt als hierarchisch organisierte Objekte beschreibbar, deren Strukturierung sich in verschiedenen Ebenen vollzieht. Ein Komplex von Biomolekülen bildet die membranösen Zelluntereinheiten, diese ergeben in ihrer Gesamtheit die Zelle, welche zusammen mit anderen, mehr oder weniger gleichartigen, dann ein Gewebe bilden. Verschiedene Gewebearten ergeben das Organ, seinerseits Bestandteil eines Organsystems. Deren Gesamtheit stellt den Organismus, der jedoch mit seiner Umgebung wieder in ein Ökosystem eingebunden ist. In jedem dieser ineinandergeschachtelten (enkaptischen) Subsysteme herrschen ebenenspezifische Wechselwirkungen, unter deren Maßgabe die jeweiligen Elemente kooperieren und sich gegenseitig dynamisch stabilisieren. Betrachtet man einen anatomisch abgrenzbaren Muskel, so finden sich darin jedoch nicht nur kontraktil arbeitende Fasern, sondern auch darin eingestreut sog. Muskelspindeln. Sie stellen die Dehnungsrezeptoren dar, über welche die Regelung zur Haltung einer aktuell notwendigen Muskelspannung erfolgt. In ihnen sind wiederum feine Muskelfasern fixiert, welche diesen Sensor mechanisch kalibrieren. In der subzellulären Dimension wäre diese enkaptische Kette weiterzuverfolgen. Die Mikrominiaturisierung bietet die grundsätzliche Möglichkeit, aktive Elemente (z.B. Aktoren) durch körperliche Integration von Mikrosensoren rückzukoppeln, um negative Rückwirkungen, die sich aus der Komplexität der Systemstruktur bzw. der nicht vollständig beherrschbaren Präzisionsanforderung ergeben, zu kompensieren. Das Implementieren von Mikroaktuatoren in einen Sensor kann in Form aktiver Adaptationen Querempfindlichkeiten beheben. So sind unsere körpereigenen Chemosensoren, die Geschmacksknospen, mit mikroskopisch kleinen Speicheldrüsen umgeben, die die sensorische Oberfläche ständig freispülen. Nicht erst seit Aufkommen der Mikrotechnik wird die Möglichkeit diskutiert, Manipulatoren mit Drucksensorarrays zu bestücken, um ein feineres Handling zu gewährleisten (Haptik). Ähnliche Prinzipien können auch als Überlastschutz bei Mikroeffektoren zur Anwendung kommen, für deren Kinematik und Wirkflächengestaltung sich ebenfalls bionische Anregungen von den z.T. mikrohydraulisch getriebenen Mundwerkzeugen der Gliedertiere ableiten lassen.

Für Innen und Außen - Mikrosysteme in Körper und Umwelt

Diese exemplarische Zusammenstellung soll belegen, dass es, und das in besonderem Maße, möglich ist, die Ideenfindung im Entwurfsablauf von Mikrosystemen durch bionische Untersuchungen zu unterstützen. Natürlich liefert die Natur keine Patente zum "Nulltarif". Ohne eine parametergestützte Modellbildung des Struktur-Funktions-Zusammenhanges biologischer Systeme und ihre technikkompatible Interpretation bleibt der Erfolg diese Zusammenarbeit sehr zufallsbedingt. Die zielgerichtete Weiterführung biologischer Forschung zur Aufklärung mikrostruktureller und systembedingter Phänomene zeichnet sich als unabdingbare Voraussetzung ab. Der seitens der Biologie zur Verfügung gestellte Datenfundus ist dazu längst nicht hinreichend und ihre Erklärungsmodelle nicht immer logisch so stringent, dass sie zur Grundlage von Konstruktionsmodellen für die Technik werden können. Das aber kann ein neues Forschungsinitial für diese Disziplin darstellen. Für die vorgegebene Größenordnung der natürlichen Struktur (der "Bauraum") in unserem Körper gab es bisher oft noch keine technologischen Möglichkeiten, ein dynamisches System herzustellen, welches aus bioanalog funktionierenden Elementen besteht. Erst seit der Entwicklung der Mikromechanik in Nachfolge der Mikroelektronik ist man in der Lage, derart filigrane Körper, Gelenke und Federn zu realisieren und "aus einem Stück" ohne aufwendige Montageschritte herauszuarbeiten.
Abschließend sei darauf verwiesen, dass die Lebenswissenschaften auch einen unschätzbaren apparativen Nutzen aus dieser "Technik vom Feinsten" ziehen werden. Dass Mikrosensoren und Mikroeffektoren im menschlichen Körper vor Ort Diagnose und Therapie unterstützen können, ist seit der Etablierung der Minimal-invasiven Chirurgie schon in der Realität bewiesen worden, wenn es auch begründete Restriktionen für diese Technikentwicklung gibt. Aber auch der Schutz der natürlichen Umwelt wird im Rahmen eines komplexen Monitoring, welches Daten on-line und in-situ bedarf, durch die großflächige Installation von Mikrosensor-Komplexen für vielfältige Messwerte eine neue Qualität erhalten. Die ökologischen Prozesse und die durch unser Wirken ausgelösten Veränderungen in der Umwelt laufen, bevor sie möglicherweise eskalieren, zumeist in kleinräumigen Einheiten ab, die zu erfassen nur durch ein engmaschiges Raster rückwirkungsarmer Messinstrumente möglich ist. Die Standzeit von Sensoren in Kontakt mit biologischem Material ist durch dessen kaum definierbare Aktivität bisher sehr begrenzt; das Prinzip der Spüldrüsen am Geschmacksrezeptor, realisiert durch mit der Sensoroberfläche integrierte Mikropumpen, bietet sich hier an.
Die Einführung einer Mikrosystemtechnik, deren Entwicklung auch durch biologische Vorbilder angeregt wird, lässt langfristig eine sensiblere Technik erwarten, die unser Verhältnis zu den natürlichen Lebensvoraussetzungen entscheidend verbessern kann. Eine Überwindung fachlicher Grenzen eröffnet auch hier neue Möglichkeitsräume - sowohl im "Wie" als auch im "Wofür" der Mikrosysteme.

Bionische Modellmethode

...der lange Weg vom natürlichen Vorbild zum technischen Produkt

Übersicht: Bionischer Entwurfsablauf

Jede in der Natur entstandene Struktur-Funktions-Beziehung bedarf bei ihrer bionischen Umsetzung der Beschreibung in Modellen, welche genau die Bestandteile und deren Wechselwirkungen widerspiegelt, welche zum Nachvollzug der Gesamtfunktion notwendig sind. Dazu sind Abstraktionen nötig, um dafür unwesendliche Einzelheiten wegzulassen, ohne Wichtiges zu vernachlässigen. Dazu stehen technische Begriffe, Symbole und Gleichungen mit gemessenen Parametern zu Verfügung. Dabei soll immer der Kompromiss zwischen der Realitätsnähe, Transparenz und notwendigem Rechenaufwand gefunden werden. Bionische Entwicklung übernimmt als Methode schöpferischer Ingenieurleistung aus den unabhängig vom Menschen entstanden lebenden Systemen Anregungen zum Entwurf von technischen Konstrukten [HILL `93].

Voraussetzung für einen sinnvollen Analogiebezug zwischen biologischen und technischen Objekten ist in jedem Fall eine abstrahierende Modellbildung, die alle funktionsnotwendigen Parameter in technikkompatibler Darstellung enthält. Nur so können kurzschlüssige Analogien biologischer Strukturen und Leistungen vermieden werden, die auf Äußerlichkeiten beruhen, weil die spezifische Wirkung der Größenordnung (Keiner der superschlanken Grashalme wird turmhoch!) und des lebendigen Materials außer acht gelassen wird. Erst als sich die Flugzeugkonstrukteure vom Bild des schlagenden Vogelflügels lösten und Vortrieb vom Auftrieb konstruktiv trennten, gelang der "metallene Vogel".

In der Morphologie der Lebewesen ist es kaum möglich, diskrete Module abzugrenzen, nur erst in der Hierarchieebene der subzellulären Bestandteile, der Makromoleküle, aus denen die membranösen und tubulären Strukturen bestehen, gelingt eine schlüssige kausalanalytische Beschreibung der mechanischen Eigenschaften. Die berühmte Doppelspirale der DNS sei als sinnfälliger Ausdruck für die Fähigkeit der Informationsspeicherung auf Basis von Nanostrukturen genannt. Die Gestalt eines zellulären Organismus ist zudem ein Resultat von zugfester Verspannung und Binnendruck. Die Mikrotechnik ist gleichfalls auf dem Wege, über das Stadium der Schichtgeometrien, Molekularmechanik zu realisieren. Funktionstragende Module sind dann in der Stereometrie der Teilchen speziell "designter" Werkstoffe repräsentiert.

Die experimentellen und analytischen Befunde solcher Disziplinen der Technischen Biologie wie Biomechanik, Funktionsmorphologie, Bewegungsphysiologie, Sinnes- und Neurophysiologie, Bioenergetik und Biokybernetik stellen den Wissensvorlauf für die stärker umsetzungsorientierte Bionik. Hierbei kann rückwirkend die Biomechatronik für die parametergestützte Analyse und Modellbeschreibung lebender Systeme instrumentelle (durch Meßgeräte, Regulatoren, monitoring & serving systems) und methodische (zur Simulation mit technischen Formalismen und Algorithmen) Voraussetzungen bieten. Zunehmend wird sich das Interesse am natürlichen Vorbild von der Übertragung eines isolierten Struktur-Funktions-Zusammenhanges auf systemtheoretische Aspekte verlagern, die sich aus der Kausalanalyse organismischer Prinzipien wie der material-intrinsischen Sensor-Aktor-Integration ergeben. Ein weiteres Problemfeld wird die sichere Beherrschung der zunehmend komplexer werdenden heterogenen Systeme der Technik mit ihrem nicht aus den Einzelkomponenten ableitbaren (emergenten) Verhalten und dessen nicht-intentionalen Folgen ("Risiken & Nebenwirkungen") werden.

Dazu müssen diese natürlichen Objekte verstanden und in technik-adäquater Sprache abstrahierend beschrieben werden. Alle gelungenen Umsetzungen enthalten das Potential zur Schonung stofflicher und energetischer Ressourcen, da das die Anregung gebende Objekt aus einer evolutiv entstandenen Realität entnommen wurde [RECHENBERG; Seiten der TU Berlin] , die nur durch die in jeder Strukturebene quantitativ ausgeglichenen Wechselwirkungen mit der Gesamtheit aller anderen Komponenten Bestand hat. Die Bionik als transdisziplinäres (übertragendes) Wissenschaftsgebiet verdankt ihr Innovationspotential dem integrativen Zusammenwirken von mehreren natur- und technikwissenschaftlichen Disziplinen. Ihre zukünftige Funktion entspricht der anderer sich gegenwärtig zwischen vielen Wissenschaftsbereichen herausbildender interdisziplinärer Gebiete mit hoher wissenschaftlicher, technischer und gesellschaftlicher Bedeutung, wie die Mechatronik, Mikrosystemtechnik, Nanotechnologie, Neurokybernetik, Biotechnologie oder Umwelttechnik.

Adaptivität

Anpassung ist das halbe Leben - Angepasstheit nicht immer Charakterschwäche

Übersicht: Gebiete der Biomechatronik

Wie generell in biologischen Systemen als auch in unserem Körper gibt es auch in allen "Komponenten" Regelmechanismen, die Schutzfunktionen erfüllen und adaptive Feinabstimmungen zur Anpassung an die wechselnden Anforderungen und Belastungen aus der Umwelt ermöglichen. Diese Adaptivität zu erreichen, um die Konformität des technischen Simulats zur natürlichen Funktion um einen weiteren Schritt erhöhen. Die hierarchische Verknüpfung und disperse Topologie aktorischer bzw. sensorischer Elemente in einer räumlichen Gesamtstruktur bietet eine Basis für die Umsetzung des biologischen Grundprinzips der Anpassung. Derartige Produkte, vom Antrieb, der sensorgestützt sein Übertragungsverhalten einstellt (als "intelligenter" Actuator), bis hin zum Flugzeug mit formadaptiven Tragflächen, reagieren kompensatorisch auf Störeinflüsse oder graduell wechselnde Belastungen (Adaptronics [JANOCHA`96]). Dadurch können z.B. ihre Lebensdauer verlängert, die Leistungsaufnahme verringert und Material eingespart werden. Biomechatronisch interessant ist unter anderem auch die Fähigkeit zur Adaptation, die generell bei den Sinnesorganen des Organismus nachzuweisen ist, die darauf beruht, dass "Stelleinrichtungen" (Aktoren bzw. Effektoren) in diese Sensor-Komplexe integriert sind.

Biomechatronik

Wie viel Bio braucht der Ing. ?

Übersicht: Relevante Fachgebiete, technologische Basis und Applikationsfelder der Biomechatronik

Die Mechatronik ist die "synergetische Integration der Technischen Mechanik mit der Elektronik und intelligenter computergestützter Regelung schon im Entwurf und bei der Herstellung von Produkten und Prozessen mit dem Ziel einer optimalen Abgestimmtheit zwischen seinen Bestandteilen" [aus HEIMANN `98;]
Ihre Schnittmenge mit der Bionik [NACHTIGALL `98] wurde als programmatischer Begriff die "Biomechatronik" international eingeführt.

Eine erste Definition dieses neuen Fachgebietes als eine weitere Synthese der Mechatronik mit verschiedenen Disziplinen der Biologie und Medizin ("life sciences") wurde von der University of Twente (Niederlande) gegeben:
"Biomechatronik beschäftigt sich mit intelligenten elektromechanischen Systemen zur Unterstützung gestörter Funktionen des menschlichen Körpers. Es ist ein interdisziplinärer Bereich, welcher Robotik, Regelungstechnik, biomedizinische und biomechanische Forschung, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Rehabilations-Medizin, intelligente Prothesen, Roboter-assistierte Operationseinrichtungen und mikrotechnische Werkzeuge zur Minimal-Invasiven Chirurgie umfasst."

Wir möchten dieses Konzept in der Hinsicht erweitern, dass nicht nur die Anwendung mechatronischer Systeme als Produkte am menschlichen Organismus (in vivo; in situ), sondern auch ihre Applikation in anderen lebenden Systemen (Organismen, Biotechnologische Anlagen, Umwelt) und insbesondere die Ableitung von Entwurfsideen für mechatronische Systeme aus biologischen Vorbildern im Sinne der Bionik einbezogen werden (Bild 1).

Bild 1: Relevante Fachgebiete, technologische Basis und Applikationsfelder der Biomechatronik

Da die Mechatronik sich selbst noch in der Phase der Erschließung ihres Möglichkeitsraumes befindet, ist sie mehr als andere Technikzweige offen für die Anwendung bionischer Anregungen. Dabei ist ein noch nicht absehbarer technischer als auch technologischer Erkenntnisfortschritt zu erwarten, dessen Umsetzung in effektiven und umweltverträglichen Lösungen Marktvorteile mit sich bringen kann, aber auch an der Überwindung der zwischen technischen und biologischen Systemen bestehenden Kluft mitwirken wird [KALLENBACH`00].

Biomechatronische Forschungsthemen, die seit einigen Jahren auch an der TU Ilmenau bearbeitet werden, sind insbesondere eine räumlich mikrostrukturierte Antriebskaskade mit muskelähnlichen Eigenschaften ("artificial muscle", linear drive with biomimetic behaviour) und Umwelt-Mikrosensoren mit integrierter Fluidmechanik (sensor supported environmental control). Beide Themen stellen hinsichtlich Kreativität und Kommunikationsfähigkeit einen hohen Anspruch an die an der Entwicklung beteiligten Ingenieure und Biologen und sind in besonderem Maße auf eine internationale Kooperation angewiesen.

Literatur:

HEIMANN, B., GERTH, W., POPP, K.: Mechatronik - Komponenten, Methoden, Beispiele. Hanser München 1998.
HILL, B. (1993): Bionik -Notwendiges Element im Konstruktionsprozess. Konstruktion 45 , 283 - 287.
KALLENBACH, E. et al. (2000): Micromechatronics - A Foundation for Future Products. (in prep.)
NACHTIGALL, W.: Bionik - Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler. Springer Berlin, Heidelberg, New York; 1. Aufl. 1998.
[Def. "Biomechatronics" aus: Http://www.utwente.nl/bmti/biomech/biomech.html 1999]

"Smart materials" und " Compliant mechanisms"

Der Klügere gibt nach, aber nur wenn es sinnvoll ist!

Zunehmend wird eine Palette an Werkstoffen erschlossen, deren Festkörpereffekte (bedingt durch Atomanordnung, Kristallit-Formen, Stereochemie von Makromolekülen) sich für bestimmte Energie- und Signalwandlungsfunktionen nutzen lassen (smart materials). Das sind Materialien, in denen, ausgehend von diesen intern erzeugten Nanostrukturen Sensoren, Aktoren und Kontrollmechanismen implementiert sind. Sie geben dem Material die Möglichkeit, auf externe Stimuli in einer vorbestimmten Weise zu reagieren.
Die herkömmlichen starren Konstruktionen sind ein Kompromiß, der allen eventuell auftretenden Anforderungen (Lastfällen) gerecht werden muss. Die Tendenz zur Verlagerung auch der mechanischen Funktionen (Bewegungserzeugung u. -umsetzung, Führung des Kraftflusses) von der äußeren Geometrie von Bauteilen (Kontur) in die Textur des Werkstoffes führt zu einer Annäherung an biologische Materialien, die grundsätzlich orts- und richtungsabhängig (anisotrop) - zum Teil auch reversibel - nachgiebig sind (compliant mechanisms). Funktionsbestimmende aktorische und sensorische Eigenschaften der Gesamtkonstruktion sind durch die Stereochemie des makromolekolaren Substrats festgelegt, vereinfachen somit die mechanische Struktur und erleichtern deren Mikrominiaturisierung [HERBST `76 / KALLWEIT `93 / BÖGELSACK`95].

Anregungen und Ansprüche an mikrostukturierte Polymerwerkstoffe aus bionischer Sicht

Derzeit werden Versuche durchgeführt, die zu stereotaktisch beweglichen Sonden führen sollen. Dabei stehen im Labormaßstab Abformungstechologien zur Verfügung, die Hohlformen aus Silikon-Elastomeren im Millimeter-Maßstab ermöglichen. Diese Materialien sollen in Abhängigkeit von ihrer chemischen Komposition in der Lage, sich bei Druckbeaufschlagung gerichtet zu verformen. Werden die mechanischen Parameter des Werkstoffes im Formstück durch unterschiedliche Zusammensetzung oder einer Variation der Polymerisations-Bedingungen lokal geändert, können, dem monolithischen Fertigungsprinzip der Mikrotechnik folgend, Gelenke mit integriertem Antrieb "aus einem Guß" gefertigt werden - mithin eine Gradientenmechanik darstellend.

Vorbild für diesen konstruktiven Ansatz ist das Spinnenbein, welches durch den "Blut"-Druck ein Drehmoment auf die entfernt liegenden Beinsegmente auskoppelt. Hier bestimmt das in unterschiedlichem Grade vernetzte Chitin der skelettalen Außenhülle als komplexes Polysaccharid-Laminat die ortsabhängige Nachgiebigkeit der röhrenförmigen Elemente. Gerüstsubstanzen der Lebewesen zeichnen sich generell durch eine Orts-, Richtungs- und zeitliche Zustandsabhängigkeit der mechanischen Parameter aus, welche die konstruktive Vielfalt und funktionelle Stabilität dieser evolutiv optimierten Mechanismen ermöglicht.

Zwei unterschiedliche Arten der röhrenförmigen Elemente zur Bewegungserzeugung als stoffschlüssige Gelenke sind hervorzuheben: Stoffschlüssige Gelenke mit unveränderlicher Nachgiebigkeit sind durch einen unsymmetrischen Aufbau der Struktur gezeichnet. Stoffschlüssige Gelenke mit steuerbarer reversibler Nachgiebigkeit sind dagegen symmetrisch aufgebaut. Durch eine lokale unsymmetrische Einwirkung auf das Material ändern sich reversibel mechanische Eigenschaften (Steifigkeit) des Materials, wobei bei gleichzeitiger Druckbeaufschlagung eine Bewegung erzeugt wird. Es ergeben sich somit zwei Möglichkeiten der Bewegungsführung: 1) Einbau einer Asymmetrie in die Geometrie oder 2) asymmetrische Energiezufuhr in eine symmetrische Konstruktion. Bedingt durch den hydraulischen oder pneumatischen Antrieb können stoffschlüssige Gelenke mit steuerbarer reversibler Nachgiebigkeit klein ausgeführt werden, wodurch sie für Anwendungen in der Miniaturtechnik prädestiniert sind. Diese Gelenke können zu monolithischen Strukturen verkoppelt (kaskadiert) und individuell aktiviert werden, um komplexe Bewegungen auszuführen, wobei nur ein druckgenerierender Antrieb für die gesamte Struktur notwendig ist.

Gelingt es, der abschnittsweisen Änderung der Nachgiebigkeit zusätzlich eine Verformungs-Anisotropie aufzuprägen, ist der Weg zu einer sich aktiv vorwärtsbewegenden Sonde offen, die, nun nicht mehr durch die Handkraft des Chirurgen vorgeschoben, auch in hochsensibler Umgebung vorzudringen vermag. Das biologische Analogon liefern die Ringelwürmer, deren völlig nachgiebiger Körper genug Vortriebskraft erzeugt, um den Erdboden zu durchwühlen. Ihre als Peristaltik bezeichnete Lokomotionsweise mittels einer phasenversetzten Verdickung und Verlängerung ihrer Segmente ist Gegenstand mehrerer Modellentwicklungen und bietet einen sinnfälligen Beleg dafür, daß Kraftübertragung nicht an Starrkörper gebunden sein muß und Bewegung allein aus zyklischer Verformung generiert werden kann.

Offensichtlich werden neben der Form der Bauteile zunehmend die intrinsischen, zustandsabhängigen Eigenschaften neuartiger Werkstoffe funktionsbestimmend; ein Prinzip, welches in den geometrisch prädeterminierten Konstruktionen der Feinwerktechnik noch eine untergeordnete Rolle spielte. Das aufgabenspezifische "Zuschneiden" von Polymeren durch Variation der Reaktions- und Abformungsbedingungen wird schon beherrscht. Komplizierter wird es, wenn man die mechanischen Eigenschaften lokal und reversibel ändern will. Derzeit laufen Untersuchungen, in wie weit neben dem Einsatz von Materialverbunden (Copolymere, Komposite, Laminate) die Beeinflussung durch einen lokal dosierbaren Energieeintrag auch nach der Formgebung, z.B. durch Strahlenbehandlung, möglich ist.

Biologische Komplexität

wir sind eben keine Maschinen

Übersicht 1: Enkaptische Hierarchie der Biosysteme (aus Penzlin: Allgemeine Biologie, 1991)

Bei den Lebewesen als stoffkohärente "Mechanismen" sind alle Konstituenten des Stoff-, Energie- und Informationswandels eines mechatronischen Systems präsent (multi-funktional), wenn auch ihre Module, welchen eine bestimmte Funktion zugeordnet werden soll, schwer voneinander abgrenzbar sind. Mit der durch die Mikro- und Nanotechnologien möglich gewordene Verkleinerung aller funktionstragenden Komponenten können Integrationsdichten erreicht werden, die es ermöglichen, hochgradig komplexe technische Systeme zu erzeugen.

Übersicht 2: Komplexierungs-Prinzipien in der biologischen Evolution

Biologische Systeme, vom Protein-Makromolekül bis zum globalen Ökosystem, sind generell durch eine hohe Komplexität gekennzeichnet. Das Verständnis der Prinzipien ihrer Selbststabilisierung und der Nachhaltigkeit (sustainement) in ihrer Wechselwirkung mit der Umgebung kann der Ausgangspunkt zur Beherrschung der Folgen einer zunehmend komplizierten Technik sein. Bionik als Methode der Umsetzung von Funktionsprinzipien biologischer Systeme gibt dem Konstrukteur eine begründete Logik in die Hand, seine Entwürfe mit größerer Wahrscheinlichkeit offen für die Anforderungen an biokompatible Produkte zu gestalten. Aufwendige Änderungen im Design können vermieden werden, wenn ingenieurseitige Kreativität mit biologischem Verständnis schon in frühen Entwicklungsphasen eines Produkts oder Verfahrens verbunden werden.