Vorwort

Der Hühnerknochen, den Sie gestern abgeknabbert und weggeworfen haben, war ein High-Tech-Produkt! Noch mehr: Er war der Superlativ eines funktionell an die mechanischen Erfordernisse angepaßten Leichtbaudesigns. Kein Ingenieur der Welt ist bis heute in der Lage, dieses in seiner äußeren Gestalt und in seiner Innenarchitektur im Hinblick auf minimales Gewicht und höchste Festigkeit vortrefflich optimierte Bauteil zu kopieren.

Auch der Baumstamm, in den Sie neulich Ihre Initialen schnitzten, hat in lebenslanger Körperpflege seine innere und äußere Konstruktion stetig verbessert und an neue Belastungen optimal angepaßt. Er wird auch die von Ihnen geschnitzte Kerbe schnellstmöglich verheilen, um im Zuge seiner biomechanischen Selbstoptimierung auch die kleinste Schwachstelle zu reparieren, die ihn sonst beim nächsten Sturm das Leben kosten könnte.

Dem Verständnis dieser biomechanischen Gestaltoptimierung ist dieses Buch gewidmet. Es ist die Zusammenfassung von jahrelangen aufwendigen Forschungsarbeiten, bei denen im Forschungszentrum Karlsruhe modernste Computermethoden eingesetzt wurden, um den Mechanismus der biologischen Selbstoptimierung - das adaptive Wachstum - zu verstehen und mittels Computer zu simulieren. Das dafür neu entwickelte Verfahren wurde CAO (Computer Aided Optimization) genannt. Mit ihm läßt sich u.a. das Wachstum der Bäume, der Knochen und anderer biologischer Strukturen von der Tigerkralle bis zum Seeigelskelett vorhersagen.

Nachdem diese erkanntermaßen so vollkommene Strukturen sind, lockte es, diesen Mechanismus auch zur Verbesserung von mechanischen Bauteilen einzusetzen. Eine scheinbar verrückte Idee: Der Baum als Designlehrmeister für den Konstrukteur! Dieser Vorgehensweise war dennoch unglaublicher Erfolg nach denkbar kurzer Zeit beschieden, und die CAO-Methode stieß sofort auf beste Akzeptanz in der deutschen Industrie. Grund: Das Verfahren ist einfach und brutal-erfolgreich wie die Natur selbst, indem mechanische Bauteile computersimuliert wachsen wie Bäume.

So gestaltoptimierte Prototypen zeigten im Schwingversuch unter Laborbedingungen teilweise über 100fach höhere Lebensdauern ohne sichtbare Rißbildung. Diese Tatsache war im Grunde zu erwarten.

Die genaue Kopie biologischer Gestaltoptimierung, die auf unglaublich grausam-konsequente Weise über Jahrmillionen der Evolution reifte, hatte sich ja bereits in der Natur bestens bewährt. Das faszinierendste Ergebnis aller vorangegangenen Studien ist, daß es wohl nur eine einzige sehr allgemeingültige Designregel in der Natur gibt, die weite Bereiche biologischen Designs definiert: Das Axiom der konstanten Spannung. Es besagt, daß im zeitlichen Mittel auf der Bauteiloberfläche überall die gleiche Spannung wirkt, die Belastung also "gerecht" verteilt ist. Dies wird in diesem Buch an zahlreichen Beispielen von Bäumen, Knochen, Krallen etc. nachgewiesen. - Ein Maschinenbauteil, das man durch "Wachstum" in eine Gestalt mit konstanter Spannungsverteilung dimensioniert, hat weder Soll-Bruchstellen (lokal überhöhte Spannungen) noch verschwendetes Material (nicht ausgelastete Bereiche). Es ist im wahren Sinne ein "biologisches" Design - ultraleicht und hochfest.

Mit dieser Möglichkeit mechanischen Konstruierens beginnt sich jene Lücke zu schließen, die zwischen Technik und Natur klafft und die im mechanischen Bereich in der Existenz von überdimensionierten, viel zu schweren Bauteilen mit höchst ungleichmäßiger Lastverteilung besteht.

Insofern will dieses Buch auch einen Weg weisen zur Einheit von Technik und Natur, die die Möglichkeit der Energieeinsparung und Ressourcenschonung durch Leichtbau analog wie bei Tieren und Pflanzen beinhaltet. Ein ökologisches Design mechanischer Bauteile, die ausgelegt sind nach den Wachstumsgesetzen der Natur und dennoch den funktioneilen Anforderungen der Menschen genügen, ist keine Utopie, sondern eine reale Aufgabe, die durch die Bereitstellung der CAO-Methode auch für den praktizierenden Designer greifbarer geworden ist.

Umgekehrt erlaubt das Verfahren auch, die Gestaltanpassung in der Natur zu bewerten und Wachstumsreaktionen (z. B. die Reaktion eines Knochens auf das Einbringen einer Prothese) computersimuliert vorherzusagen. Damit können auch Tierversuche durch CAO-Anwendung zumindest teilweise ersetzt werden.

CAO ermöglicht somit das Verständnis der biologischen Formgebung ah Konsequenz des Axioms konstanter Spannung.

Es war das Anliegen des Autors, diese Kenntnisse über das Design in der Natur und nach der Natur durch eine möglichst einfache und dennoch wissenschaftlich weitgehend präzise Darstellung einem breiten Leserkreis verständlich und glaubhaft zu machen.

Dazu mußte notwendig eine Sprache gesprochen werden, die einfach und damit weder in rein biologischer noch rein mechanischer Formulierung von absoluter Präzision ist. Eine solch präzise Formulierung wäre entweder für Biologen oder für Techniker unverständlich und für den allgemeingebildeten Leser sowieso. Man möge also im Hinblick auf die locker gewählten Formulierungen etwas Wohlwollen aufbringen. Sie wurden außerdem gewählt, um das Buch dem geräderten Leser auch nach einem streßerfüllten Arbeitstag noch unterhaltsam zu machen.

Der Leser wird auf zahlreiche eigene Literaturzitate des Autors stoßen. Diese dienen nicht der Selbstbeweihräucherung, sondern sollen dem an vertiefenden Studien interessierten Leser Zugang zu weiterführender, mehr detaillierter Literatur ermöglichen.

Abschließend sei hier allen gedankt, die uns von Anfang an vertraut und an den Erfolg der neuen Methoden geglaubt haben. Besonders erwähnen möchte ich in diesem Zusammenhang meinen Freund, Professor Dr. Hans Kubier (Department of Forestry, University of Madison, Wisconsin), von dessen Arbeiten über die mechanischen Spannungen in Bäumen ebenso viele Anregungen ausgingen wie von wertvollen und ermutigenden persönlichen Gesprächen. Daß die erste Auflage dieses Buches im Jahre seines 70. Geburtstages erschien, freut mich daher ganz besonders.

Dem Management des Forschungszentrums Karlsruhe sei hier für den Mut gedankt, die anfangs gewiß verrückt erscheinenden Forschungen mit Wohlwollen zu dulden und mit förderlichem Interesse bis zum Erfolge zu begleiten.

Mein ganz besonderer Dank gilt jedoch meinen fleißigen Mitarbeitern und den aus meiner Biomechanikvorlesung an der Universität Karlsruhe rekrutierten Studenten, deren Begeisterung, Interesse und Arbeitswillen den um das Axiom konstanter Spannung sich rankenden Computermethoden zu so rasantem Erfolg verhalfen.

Dagmar Grabe und Jürgen Schäfer verdienen ein Dankeschön für ihre Engelsgeduld beim Herstellen der Abbildungen zu den Computersimulationen.

Herrn Dipl.-Ing. H. Moldenhauer sei herzlich für die Unterstützung bei der Anpassung der Methode an das FEM-Programm ABAQUS gedankt. Dem Rombach Verlag und dort insbesondere Frau Dr. Edelgard Spaude danke ich für den herzerfrischend kameradschaftlichen Arbeitsstil.

Dem Herausgeber dieser Reihe, Herrn Prof. Dr. Hansjürg Steinlin, danke ich für Ermutigung und Zuspruch und vor allem auch dafür, daß er Autor und Verlag zur rechten Zeit und in der rechten Weise so schön zusammenführte.

Nicht zuletzt gebührt mein besonderer Dank Frau Heidi Knierim, die mit gewohnter Energie und Sorgfalt das Manuskript aufbereitete und damit sein so frühes Erscheinen erst ermöglichte.