In einer Milliarde Jahre Evolution hat die Natur überlegene Lösungen für technische, organisatorische und soziale Probleme hervorgebracht. Die junge Wissenschaft der Bionik versucht, die natürlichen Konstruktionen und Prozesse nachzuahmen. Architekten, Ingenieure, Techniker und zunehmend auch Manager profitieren davon.
Wenn Spiderman wie im aktuellen dritten Teil seines Kinoabenteuers durch die Wolkenkratzer Manhattans schwingt, dann steckt dahinter weniger Fiktion, als manch einer annimmt. Ein echter Spinnfaden ist etwa fünf Mal so stark wie ein Stahlkabel und dehnt sich dennoch besser als Nylon. Wäre Spidermans Faden aus echter Spinnenseide, könnte ein halber Zentimeter problemlos eine Last von 1,8 Tonnen tragen, rechnet der amerikanische Physikprofessor James Kakalios den Studenten in seiner Vorlesung mit dem zugkräftigen Titel «Alles, was ich über Physik weiß, habe ich aus Comics gelernt» vor («Physik der Superhelden», R&B Verlag). Doch nicht nur die Erfinder der Superhelden nehmen häufig Anleihen bei Mutter Natur, auch ernsthafte Wissenschaftler, Architekten, Ingenieure und Techniker auf der ganzen Welt zapfen das «Innovationslabor Schöpfung» an.
«Erfindungen», die die Natur längst kennt
Wissenschaftler der Universität Witten/Herdecke entwickeln industrielle Zerkleinerungsverfahren, die sie sich am Gebiss von Nagetieren abgeschaut haben; Experten des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart arbeiten daran, Roboter wie Geckos die Wände hoch laufen zu lassen und an der Northwestern University in Evanston/Illinois haben Forscher aus Federstahl die Schnurrbarthaare von Robben nachgebaut, die Robotern die Orientierung auf fremden Planeten, in der Tiefsee oder im Inneren von Pipelines erleichtern sollen.
Schon einmal einem Pneu begegnet?
Wenn Spidermans Faden aus echter Spinnenseide bestünde, könnte er neun Tonnen pro Quadratzentimeter tragen, rechnet der Physikprofessor James Kakalios vor. Anleihen bei Mutter Natur zu nehmen, zahlt sich aber nicht nur für Superhelden aus: auch Architekten, Ingenieure und Manager profitieren davon.
Für den berühmten Architekten Frei Otto sind Pneus hingegen das «Konstruktionselement der Natur» schlechthin. Im von ihm gegründeten Institut für Leichte Flächentragwerke der Universität Stuttgart entwickelte er im Austausch mit Biologen wie Johann-Gerhard Helmcke, Medizinern und Paläontologen natürliche Konstruktionen, die auf pneumatischen und biologischen Konstruktionsprinzipien basieren. Eine seiner bekanntesten Entwürfe ist die legendäre Überdachung des Münchner Olympiastadions.
1973 postulierte Otto: «Der Pneu ist die wesentliche Grundlage für die Formenwelt der lebenden Natur. Alle lebenden Objekte entstehen und wachsen als Pneu. Sie erhalten ihre Form als Pneu. Weiche, aber nicht erhärtete, lebende Objekte bleiben ihr Leben lang ein Pneu.» Dies gilt direkt für alle weichen Pflanzen wie Algen oder Blumen und für alle weichen Tiere wie Würmer oder Raupen. Wenn Teile solcher Objekte erhärten, Pflanzen beispielsweise verholzen oder bei Tieren sich Skelette bilden, sind diese erhärteten Teile keine Pneus mehr. Sie behalten aber die Form derjenigen Pneus, aus denen sie entstanden sind.
Die Idealform eines Pneus ist die Seifenblase: Sie umschließt ein vorgegebenes Volumen bei sparsamstem Materialverbrauch. Die Vorbildfunktion von Seifenblasen für die Traglufthalle auf der folgenden Seite ist offensichtlich.
Biologie und Technik: Bionik!
Der Wissenschaftsjournalist Kurt G. Blüchel sieht den Ursprung jeglicher Technik und Organisation in Lebensvorgängen. Wer glaube, Technik und Management seien «unnatürliche, menschengemachte Phänomene», der habe die lebende Natur nicht genügend beobachtet und wisse nicht, «was sich im Inneren von Zellen und Organen, bei der Energieumwandlung und Informationsverarbeitung biologischer Systeme wirklich abspielt», schreibt Blüchel.
Bionik, die Synthese von Biologie und Technik, ist für Kurt Blüchel das universelle Gebot der Stunde: «Denn wenn die Natur in einem sich selbst organisierenden Prozess imstande war, so komplexe biologische Systeme wie Termiten, Delfine, Fledermäuse und Millionen andere Organismen hervorzubringen, dann liegt die Vermutung nahe, dass diese evolutionären Prinzipien auch erfolgreich zur Lösung technischer, sozialer, wirtschaftlicher und organisatorischer Probleme genutzt werden können.»
Dass die Natur dabei nicht einfach als Blaupause dienen kann, versteht sich von selbst. Die unausgereifte menschliche Ingenieurswissenschaft scheitert bereits an einfachsten biologischen Konstruktionen, dabei hat die Natur vieles, was Techniker heue noch für utopisch halten, bereits verwirklicht.
Bionisches Arbeiten und Forschen müsse keineswegs immer gleich zu verwertbaren Lösungen führen, merkt Blüchel an. Bereits eine «bionische Denkweise» wäre ein großer Fortschritt. In der Realität gibt allerdings «kaum ein Manager, Verfahrenstechniker oder Medikamentenhersteller gerne zu, dass das freie Spiel des Zufalls, also die evolutionären Grundprinzipien von Mutation und Selektion, nach denen die Natur seit Urzeiten funktioniert, seiner Intelligenz überlegen ist».
Perfekt im Umgang mit Fehlern
Dabei arbeitet auch die Natur keineswegs fehlerfrei – und das ist ihre größte Stärke. «Wirklich perfekt ist die Natur darin, mit Fehlern umzugehen. Ganz im Gegensatz zu den ‹perfekten› Reglements unserer Gesellschaft, die in Wirtschaft, Wissenschaft und Technik den Alltag bestimmen, stellt die Natur nicht fix und fertige Konstruktionen und Organigramme in die Welt.» Das macht ihre Schöpfungen wesentlich stabiler und was sich nicht bewährt, wird ausgesondert.
Für Blüchel ist es ein Zeichen von «Arroganz und Überheblichkeit», wenn der Mensch die Entwicklungsstrategien des Lebens als unökonomisches Zufallsspiel der Natur abtut und die aus seinem Denken heraus entstandenen technischen Strategien als der Evolution überlegen anpreist. Die Natur liefert am laufenden Band Ideen für neue Produkte, Materialien und Verfahren: vom Klettverschluss bis zu sich selbstreinigenden Dachziegeln. Viele dieser Erfindungen beruhen auf mehr oder minder zufälligen Entdeckungen in der Tier-und Pflanzenwelt.
Beim «bionic car» von DaimlerChrysler gingen die Ingenieure von Mercedes-Benz jedoch ganz gezielt auf die Suche nach einem biologischen Vorbild für ein aerodynamisches, sicheres, geräumiges und gleichzeitig umweltverträgliches Automobil. Erstmals ging es nicht um Detaillösungen, sondern um einen ganzheitlichen Transfer von der Natur in die Technik.
Probefahrt im Mercedes bionic
Schon bald landete das interdisziplinär zusammengesetzte Forscherteam in den Tiefen der Unterwasserwelt. Und wurde rasch fündig. Das Rennen machten allerdings weder Haie noch Delfine, sondern ein Meeresbewohner, der alles andere als stromlinienförmig und flink wirkt: der Kofferfisch.
In seinem natürlichen Lebensraum – Korallenriffen, Lagunen und Seegrasgebieten tropischer Meere – kommt es auf ähnliche Eigenschaften an, wie sie die Ingenieure auch vom Auto der Zukunft erwarten: sparsam im Energieverbrauch, doch kraftvoll in der Fortbewegung, also starke Muskeln und strömungsgünstige Form. Außerdem eine stabile Außenhaut, um dem hohen Druck standhalten zu können und bei Kollisionen geschützt zu sein. Schließlich gute Manövrierfähigkeit, um sich bei der Nahrungssuche in den Riffen auf engstem Raum bewegen zu können.
Erst im Computermodell und später im Windkanal stellte ein originalgetreues Modell des Kofferfisches seine Windschlüpfrigkeit eindrucksvoll unter Beweis. Nachdem die Kontur des Kofferfisches einigen Prinzipien der Automobil-Aerodynamik widerspricht, waren die Mercedes-Forscher überrascht, als die Ergebnisse vorlagen: der Kofferfisch besitzt fast die strömungstechnischen Qualitäten eines tropfenförmigen Körpers, der von Fachleuten als aerodynamische Idealform angesehen wird. Und der cW-Wert des Kofferfisch-Autos weicht mit 0,095 nur um 0,005 Punkte vom absoluten Idealwert der Automobil-Aerodynamiker ab.
Was Bionik für das Management leistet
Fredmund Malik, Verwaltungsratspräsident des Malik Management Zentrums St. Gallen, ist überzeugt, dass Bionik große Teile der Wirtschaft und des Managements revolutionieren werde. «So wie das Genom der Code für die biologische Lebensfähigkeit von Menschen ist, so ist richtiges Management der Code für ihre Lebenstüchtigkeit», unterstreicht Malik. Sein Interesse gilt dabei weniger den technologischen Innovationsleistungen der Natur, als vielmehr ihrer eindrucksvollen Fähigkeit, mit Komplexität umzugehen. Die Natur managt ohne Probleme ihre gewaltigen Datenströme, wobei es ihr dabei weniger auf die Informationsmenge als vielmehr auf die richtige Auswahl ankomme, bemerkt der Management-Vordenker. Das gleiche gelte für unsere Wirtschaft und Gesellschaft. «Der zentrale Treibsatz in Gesellschaft und Biologie ist Information», bringt es Malik auf den Punkt. Wobei jeder weiß, dass mehr Informationen nicht bedeuten, besser informiert zu sein.
Die Komplexität wächst
Mehr Informationen erhöhen exponenziell den Komplexitätsgrad eines Systems. Komplexe Systeme erfordern andere Strukturen und Managementtechniken als einfache. Als einfach gelten solche, die über eine zentrale Instanz gesteuert werden können. Übersteigt ein System diesen Grad der Einfachheit, werden jedoch ganz andere Managementmodelle erforderlich, als sie derzeit an den meisten Universitäten gelehrt werden – nämlich Selbstorganisation, Systemik und Kybernetik.
Bionisches Management
Nur in einfachen Systemen findet man mit den gemeinhin als selbstverständlich angesehenen Vorstellungen von einer Unternehmensführung, die auf zweckgerichtetem Planen und Gestalten beruht, das Auslangen. In komplexen Systemen heißt es Abschied nehmen von der Vorstellung, man könne das System «kontrollieren» oder durch direkte Eingriffe «steuern». Ein komplexes System steuert sich selbst. «Je mehr wir auf Kontrolle verzichten, umso mehr Kontrolle haben wir», erläutert Malik das scheinbare Paradoxon.
Seit seinen ersten wissenschaftlichen Arbeiten beschäftigt sich Malik mit der Frage, wie komplexe Systeme gemanagt werden können. Ausgangspunkt seiner Überlegungen waren schon damals die ebenso einfachen wie wirksamen Regelungsmechanismen der Natur, die Systemwissenschaften und die Kybernetik, «eine Schwester der Technik», wie Malik anmerkt. Das ursprüngliche St. Galler Management-Modell fußt auf diesen Erkenntnissen. Es erklärt im Wesentlichen, wie Organisationen, Unternehmungen und ähnliche System durch ihre Strategie, ihre Struktur und ihre Kultur gesteuert werden. Die ausschließliche systemerhaltende Orientierungsgröße dabei ist «die Ausrichtung auf den Kunden», betont Malik.
Konkrete Handlungstipps
Der in Fachkreisen weltbekannte Wissenschaftler, Philosoph, Manager und Berater Stafford Beer gilt als Begründer der «Management-Kybernetik». Seine Arbeiten fußen auf den Erkenntnissen großer Kybernetiker wie Norbert Wiener, W. R. Ashby oder Heinz von Förster und beeinflussen den St. Galler Management-Vordenker Fredmund Malik seit dessen Studientagen. Heute werden die Erkenntnisse des 2002 verstorbenen Stafford Beer vom Malik Management Zentrum St. Gallen in der Praxis eingesetzt und weiterentwickelt.
Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem von Beer entwickelten «Viable System Model (VSM)», einer Beschreibung der «Architektur der lebensfähigen oder effektiven Organisation» und damit quasi dem «Naturgesetz der Lebensfähigkeit». Das VSM ist nicht die ideale Beschreibung einer effektiven Organisation, an denen sich das Management ausrichten sollte, sondern effektive Organisationen arbeiten tatsächlich so, wie das Modell es beschreibt. Selbstorganisation und Informationsfluss spielen darin eine Schlüsselrolle. Um den Informationsaustausch im Unternehmen zu optimieren, begann Beer ein eigenes Instrument zu entwickeln. Nach zehnjähriger Arbeit konnte er mit «TeamSyntegrity» ein «absolut demokratisches und mathematisch optimiertes Echtzeit-Verfahren zur konstruktiven Willens- und Konsensbildung in großen Gruppen» präsentieren. Team Syntegrationen werden heute ebenfalls mit wachsendem Erfolg vom Malik Management Zentrum St. Gallen durchgeführt.
Kybernetiker wie Stafford Beer oder Systemwissenschaftler wie Frederic Vester, der «Vater des vernetzten Denkens», haben bereits in den 1970er Jahren auf den Nutzen des Lernens von der Natur für die Wirtschaft hingewiesen.
In einem Beitrag für unsere Ausgabe 1/1991 schrieb der 2003 verstorbene Vester: «Allerdings ist es nicht die Kybernetik der Regeltechnik, der wir folgen sollten, sondern ihr eigentlicher Urgrund, die Biokybernetik, und damit diejenige Organisationsform, nach der lebende Systeme seit mehreren Milliarden Jahren wirtschaften und die dabei ohne die uns bekannten Probleme wie Energie-, Rohstoff-und Abfallsorgen, Schulden und Arbeitslose einen beneidenswerten Umsatz machen.» Das «Geheimnis» dieser Wirtschaftsweise lag für Vester «in einer Handvoll biokybernetischer Prinzipien».
- Um ein komplexes System zu verstehen müssen wir als erstes seine positiven und negativen Rückkopplungen erkennen. Es gilt, die gefährlichen, kritischen, puffernden Zonen zu verstehen.
- Unabhängigkeit vom (quantitativen) Wachstum: Wenn ein System überleben will, muss es Metamorphosen durchmachen. Wie jedes Lebewesen ist auch eine Raupe ab einer gewissen Größe nicht mehr lebensfähig. Sie schaltet auf Nullwachstum und wandelt sich zum Schmetterling. Das nennt man qualitatives Wachstum.
- Unabhängigkeit vom Produkt: «Überlebensfähige Systeme sind funktionsorientiert statt produktorientiert», betont Vester. Unternehmen sollten sich auf eine Funtkion, auf eine Aufgabe, durchaus auch auf eine Zielgruppe spezialisieren, aber niemals auf ein Produkt.
- Das vierte Prinzip nennt Vester das Jiu-Jitsu-Prinzip, weil es auf dem Prinzip der asiatischen Selbstverteidigung durch «Ausnutzung bereits existierender – auch scheinbar behindernder – Kräfte» bei minimalem Energieeinsatz beruht.
- Das fünfte Prinzip, das «Prinzip der Mehrfachnutzung» ist eine Spielart des Jiu-Jitsu-Prinzips. Es besagt, dass überlebensfähige Systeme danach trachten, «mehrere Fliegen mit einer Klappe zu schlagen».
- Recycling: die Natur kennt keine Abfälle im menschlichen Sinn. «Abfallprodukte» werden nutzbringend in den Kreislauf des Lebens rückgeführt.
- Die Befolgung eines biologischen Grunddesigns. Alle «Produkte, Funktionen, Organisationsformen, die zu einem Überleben unserer Spezies und nicht zu deren Aushöhlung und Vernichtung beitragen sollen, müssen mit der Biologie des Menschen und der Natur vereinbar sein, generell also mit der Struktur überlebensfähiger Systeme», schrieb Vester bereits vor 15 Jahren.
