Warum ein See lieber tief als flach sein sollte…

Mittwoch, 20. August 2014 | Autor/in: , und 

Kategorie_IndiTrack2Der Interdisciplinary Track, ein Pilotprojekt des University Colleges Freiburg, ermöglicht es Bachelor-Studierenden, im dritten Studienjahr zwei Semester lang über den Tellerrand ihres Studienfachs hinaus zu schauen. In diesem interdisziplinären Zusatzjahr erhielten wir Einblicke in verschiedene Fachbereiche und beschäftigten uns mit Interdisziplinarität in der Theorie. Dabei haben wir uns auch gefragt, wie fächerübergreifende Zusammenarbeit in akademischen Berufen in der Praxis aussehen kann. In diesem Zusammenhang haben wir uns mit Prof. Dr. Thomas Speck vom Lehrstuhl für Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik der Uni Freiburg über seine interdisziplinären Forschungsarbeiten unterhalten.

Herr Speck, welche Ziele verfolgen Sie mit der Bionik?

Portrait-Thomas Speck-07-2013

Prof. Dr. Thomas Speck

Unser primäres Ziel ist es, Lösungen aus der Natur auf technische Anwendungen zu übertragen. In der Grundlagenforschung umfasst es die Grenzgebiete der Biologie, Physik und Chemie. Im Anwendungsbereich ist es in den Ingenieurwissenschaften, Architektur, Design und Materialwissenschaften anzusiedeln. Ich selbst bin von der Ausbildung her Biophysiker und Botaniker, und wir erarbeiten mit dem Institut die biologischen Aspekte bis zum Labordemonstrator, manchmal auch bis zum Funktionsdemonstrator, und begleiten die Entwicklung mit den Firmenpartnern und den anwendungsorientierten Instituten häufig bis zu dem fertigen Produkt.

Haben Sie sich zu Beginn Ihres Studiums bereits in dieser Rolle gesehen?

Eigentlich überhaupt nicht. Es gab damals an der Uni Freiburg im Diplomstudiengang Biologie das Vertiefungsfach Biophysik mit Schwerpunkt Neurobiologie und Lernprozesse. Als weitere Vertiefungsfächer habe ich Molekularbiologie und Paläobotanik belegt. Das war das erste, was ich gemacht habe. Mein Interesse für Bioakustik hat mich dazu bewegt, hier Biologie zu studieren. Über die Neurobiologie machte es auch Sinn, nebenher Physik zu vertiefen, und ich habe daher auch viele Vorlesungen vom Diplomstudiengang Physik besucht und Prüfungen geschrieben, aber nicht wirklich abgeschlossen. Ich wusste zwar, dass es die Bionik / Biomimetik gab, das war aber bis dahin überhaupt nicht meine Zielrichtung. Ich habe mich schließlich auf die Neurobiologie festgelegt und bei einem Großpraktikum bei Hanns-Christof Spatz an dem Lernverhalten von Drosophila mitgeforscht. Nebenbei habe ich hier im Botanischen Garten als studentische Hilfskraft gearbeitet, nicht nur wegen der Finanzierung, sondern primär um mehr über Pflanzen zu erfahren, weil ich der Meinung war, dass man sich als anständiger Biologe auch da etwas auskennen sollte. Dies hat mir auch sehr viel Spaß gemacht und ich habe dabei eine Menge gelernt. Ich muss gestehen, dass ich mit Pflanzen ursprünglich nicht viel am Hut gehabt habe. (Anm. der Red.: Derzeit hält Prof. Dr. Speck die im Sommersemester stattfindende Vorlesung Grundlagen der Botanik.)

Parallel dazu hat es sich in der Neurobiologie ergeben, dass sie sich verstärkt zu höheren Systemen, also zu Säugetieren bewegt hat. Es gab Forschungen an Primaten und ich habe auch Praktika gemacht, bis ich zu dem Entschluss kam, das nicht mehr weiter zu verfolgen. Es war eine rein persönliche Entscheidung, denn ich konnte mir nicht vorstellen, an Primaten als Versuchstieren zu forschen. Der damalige Direktor des botanischen Gartens, Dieter Vogellehner, merkte meine Unsicherheit, und als Paläobotaniker schlug er mir vor, mit Hilfe der Biomechanik mittels Simulationsrechnungen an der Interpretation von Fossilien früher Landpflanzen mitzuwirken. Das war damals ein spannendes Thema, weil noch niemand wusste, wie der Gang der Pflanzen vom Wasser aufs Land vor 450 Millionen Jahren genau vonstattengegangen war, welche Selektionsdrücke auf sie eingewirkt hatten, wie sie stabilisiert worden waren und welche Strukturen und mechanischen Eigenschaften dafür entscheidend gewesen waren. Diese Richtung gefiel mir, und habe darin auch meine Diplomarbeit geschrieben. Diese und darauf folgende Arbeiten zu Pflanzenachsen und deren Biomechanik haben Werner Nachtigall, einen der Begründer der Bionik in Deutschland, dazu bewogen, mich auf einen Vortrag in Saarbrücken zu Anwendungen in der Bionik einzuladen, um über Biomechanik zu referieren. Ich fand das sehr ansprechend und habe mir seitdem ständig Gedanken darüber gemacht. Das war mein erster Schritt in Richtung Bionik vor ungefähr 20 Jahren.

Nun in der Gegenwart, woran arbeiten Sie mit Ihrer Arbeitsgruppe im Moment?

Wir arbeiten momentan viel im Bereich der Selbstreparatur. Unsere Idee war es, von selbstreparierenden Systemen bei Latexpflanzen zu lernen. Dazu haben wir uns die Birkenfeige, die es in jedem Baumarkt gibt, zum Vorbild genommen. Bei Verletzung sondert sie einen latexhaltigen Milchsaft aus, der innerhalb einer Viertelstunde aushärtet und als Schutz gegen das Eindringen von Bakterien und Pilzsporen dient. Dieser Milchsaft dichtet nicht nur gut ab, sondern stellt ungefähr 20 bis 30 Prozent der Mechanik der Baumrinde wieder her. Diese Pflanze zeigt uns, dass Mikrorisse unvermeidbar sind und die Kunst der Selbstreparatur es ist, diese so klein wie möglich zu halten. Wir haben die biologischen Grundlagen analysiert, die Grundlagenidee geliefert und begleiten nun die Entwicklung. Wir arbeiten in dem Bereich viel mit dem Freiburger Materialforschungszentrum, vor allem mit Rolf Mülhaupt aus dem Institut für Makromolekulare Chemie und Günter Reiter aus der experimentellen Polymerphysik zusammen. Weiterhin kooperieren wir in diesem Projekt noch mit dem Fraunhofer Institut Oberhausen für Umwelt-, Sicherheit­- und Energietechnik. Mit diesen Partnern gelang es uns, Elastomere zu erzeugen, die nicht nur Löcher verschließen können, sondern auch bis zu 50 Prozent der mechanischen Eigenschaften des Materials, in diesem Fall dessen Zugfestigkeit, wiederherstellen. Wir befinden uns zwar noch in der Phase des Labordemonstrators, es gibt aber bereits schon Firmen, die Interesse an unserem Produkt angemeldet haben. Wir wissen allerdings immer noch nicht ganz genau, wie das ganze System in allen Details funktioniert.
Das ist aber nicht die einzige Pflanze, an der wir etwas hinsichtlich der Selbstreparatur lernen. Die Pfeifenwinde, eine Liane, hat ebenfalls einen Selbstreparaturmechanismus, welcher allerdings anders funktioniert. Was die wenigsten wissen, ist, dass junge Lianen relativ biegesteif sind, d.h. dass die Zweige junger Lianen steifer sind als die von jungen Bäumen gleichen Durchmessers. Junge Lianen überbrücken so die Distanzen zwischen Bäumen und können sich an ihnen neu verankern. Erst danach beginnen sie, im Stammzentrum großlumiges und flexibles Holz zum Transport großer Wassermengen zu bilden. Dabei bricht der äußere Verstärkungsring außen auf. Die unter innerem Überdruck (Turgor) stehenden Parenchymzellen der Rinde quellen in diese Risse und verschließen sie, wodurch die Pflanze vor Pilz- und Bakterienbefall geschützt wird. Wir arbeiten an der technischen Umsetzung zum Einsatz bei Pneusystemen, also Luftmatratzen, Schlauchboote oder Tensairity®-Strukturen, wie sie in der Architektur eingesetzt werden. Umgesetzt haben wir dies mithilfe des Polymers Polyurethan, einem Schaummaterial, mit dem man auch Türen und Fenster abklebt. Der geschlossenporige Schaum steht unter so hoher Vorspannung, dass er sich bei einem Riss ausdehnt und diesen verschließt. Wir können mittlerweile Löcher mit 5 Millimeter Durchmesser zu 80 % komplett verschließen, bei den restlichen 20 % können wir den Luftausstoß um das Tausendfache reduzieren. Kooperiert haben wir mit der EMPA in Dübendorf, der Schweizer Firma prospective concepts sowie der Firma Rampf Giessharze, die einen Selbstreparaturschaum auf den Markt gebracht hat. Es gibt auch noch andere Projekte, die aber noch der Geheimhaltung unterliegen.

Sie wirken nicht nur an der Entwicklung neuer Produkten mit, sondern haben bereits bestehende bionische Produkte auf ihre Nachhaltigkeit untersucht, wie etwa den früheren Hörsaal Rundbau im Institutsviertel.

Dies geschah im Rahmen einer Doktorarbeit, die hauptsächlich von Olga Speck, der Managerin des Kompetenznetzes Biomimetik betreut wird. Wir haben uns für den früheren Zoologie-Hörsaal, den Hörsaal Rundbau im Institutsviertel, entschieden, da er bereits lange genug genutzt wird, um ihn Nachhaltigkeitsanalysen unterziehen zu können. Die Decke dieses Hörsaals ist von den Oberschenkelhalsknochen der Säugetiere inspiriert worden, denn die verstärkten Kantenkonstruktionen verlaufen nur an den theoretischen Zug- und Drucklinien, an denen sie tatsächlich belastet werden. Dadurch war es möglich, viel an Gewicht und Material einzusparen, wie es sich auch bei unseren Knochen evolutiv gemäß dem Leichtbauprinzip durchgesetzt hat. Diese Analyse geschah in Kooperation mit dem Universitätsbauamt, das uns die Pläne zur Verfügung gestellt hat, sowie mit einem Statiker für den Vergleich mit heutigen Deckenkonstruktionen. Weiterhin haben wir eng mit Rainer Grießhammer vom Ökoinstitut Freiburg zusammengearbeitet und eine Software genutzt, mit der das Gebäude hinsichtlich vieler Aspekte wie energetischer Materialaufwand, Materialkosten und Transportwege usw. analysiert werden konnte. Das Modell aus Plexiglas, an dem im Planungsprozess mithilfe von Dehnungsstreifen Belastungspunkte und Dehnungslasten untersucht wurden, hat uns der Architekt des Gebäudes, Hans-Dieter Hecker, zu Verfügung gestellt. Das Ergebnis der Nachhaltigkeitsbewertung ist, dass der Hörsaal Rundbau bezüglich vieler Punkte mit den modernsten heute existierenden Deckenkonstruktionen konkurrieren kann, obwohl er bereits Ende der sechziger Jahre gebaut wurde. Die Ergebnisse dieses Projekts und anderer Projekte sind in unsere Bionik-Vitrine eingeflossen, in der bionische Produkte und ihre nachhaltigkeitsrelevanten Aspekte vorgestellt werden.

Was hat Ihre Erfahrung gezeigt: Sollte man für eine interdisziplinäre Arbeit, zum Beispiel in einem ihrer Projekte, einen speziellen Studiengang absolviert habe, oder ist dies auch ohne einen speziellen Rahmen sinnvoll?

Ich würde jemandem, der später in der Bionik arbeiten möchte, keinen reinen Bionikstudiengang empfehlen, sondern ein Fach mit einer klaren thematischen Umschreibung. Für gute Vorrausetzungen halte ich ein Studium der Ingenieurwissenschaften, Biologie, Physik, Chemie, Materialwissenschaften oder Architektur, um sich dann im Master oder sogar besser erst in der Promotion in Richtung Bionik zu orientieren. Parallel dazu kann man ja wie Sie ein IndiTrack-Jahr einlegen, um sich zu öffnen und neue Dinge zu lernen.

Wenn Sie schon von Kompetenzen sprechen: Was sollte man fachlich für eine interdisziplinäre Forschung mitbringen?

Sie nehmen sechs Leute, die ein Problem lösen sollen. Wenn Sie dafür sechs studierte Bioniker zusammensetzen, haben sie keine 6 x 100 % Wissen, sondern im Normalfall maximal 300 %, vielleicht nur 250% verglichen mit einer Einzelperson. Jetzt setzen Sie einen bionisch arbeitenden Biologen, einen Chemiker, einen Ingenieur, einen Physiker, einen Designer und einen Materialforscher zusammen. Dann haben Sie zwar auch keine 6 x 100%, aber mindestens 400 % bis 500 % verglichen mit dem Wissens eines/r jeden Einzelnen. Das heißt: Für interdisziplinäre Forschungen ist es wichtig, eine eigene Homebase des Wissens zu besitzen. Man sollte auf einen „See des Wissens“ zurückgreifen können, der sehr tief ist, und in dem man als Fachmann / -frau auf dem aktuellen Stand der Forschung ist. Darüber hinaus sollte man aber auch genügend Wissen in den anderen Randbereichen mitbringen und offen genug sein, um mit anderen Fachkollegen/innen kommunizieren zu können und diese zu verstehen.

Und wie sieht es mit persönlichen Eigenschaften aus?

Ich denke, man sollte mehr Mut als manch andere mitbringen, weil es immer mit etwas Unsicherheit verbunden ist, einen ausgetretenen Pfad zu verlassen. Und natürlich kompetent sein, um ein Studium gut zu absolvieren. Eine nicht zu unterschätzende Herausforderung ist das Lernen einer gemeinsamen Sprache. Meiner Meinung nach ist das einer der Hauptgründe dafür, wenn interdisziplinäre Projekte scheitern. Und man muss sich auch verstehen wollen, also nicht nur sprachlich, sondern auch in der Vorgehensweise, in der Art, wie man Fragestellungen löst. Denn interdisziplinär arbeitende Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen zeichnen sich primär durch Neugier aus, durch das Interesse, ständig etwas Neues zu lernen, und auch durch die Akzeptanz, in einem Forschungsprojekt in maximal 30% bis 40% der Gesamtthematik der Fachmann oder die Fachfrau zu sein und sich daher auch etwas sagen zu lassen. Und das ist eine Typfrage: Ich empfinde es als absolut genial und lerne bei jedem dieser Projekte ständig dazu. So gerne ich mit meinen Kollegen aus der biologischen Bionik zusammensitze und diskutiere, viel mehr lerne ich von Fachleuten außerhalb meines Fachgebiets. Es passiert mir zum Beispiel immer wieder, dass ich mit einer guten Idee zu Rolf Mülhaupt komme, von der ich allerdings bezweifle, dass sie umsetzbar ist, und er dann sagt: „Doch, doch, das ist möglich aufgrund des Mechanismus X…“ – Und das ist für mich das Spannende an Interdisziplinarität. Ich bin praktisch meinen Lebtag lang Student mit exzellenten Dozenten, nämlich meinen Kollegen und Kolleginnen.
Aber da hat sich auch ein Generationenwechsel ereignet. Unter den Professoren, bei denen ich damals gelernt habe, gab es welche mit der Grundüberzeugung, dass der Professor alles wisse, und was er nicht weiß, kann er sich in einer halben Stunde anlesen. In meiner Generation hat sich das begonnen zu ändern. Heutzutage kann man gar nicht mehr alles beherrschen. In der Biologie ist es extrem: Es gibt wahrscheinlich außer der Medizin kaum ein Fach, in dem es so unterschiedliche Bereiche gibt wie in der Biologie. Ich habe langsam das Gefühl, dass die Biologie kurz vor der Aufspaltung steht, so wie man damals die Naturwissenschaften in Physik, Chemie, Geowissenschaften und Biologie getrennt hat.

Was halten Sie eher für hinderlich bei interdisziplinärer Arbeit?

Einen Studiengang, welcher komplett interdisziplinär angelegt ist. Man weiß nicht genau, was man macht, es ist mehr oder weniger frei, was sich auch gut anhört. Ich bin mir auch sicher, dass das viele hochintelligente Leute anzieht, aber ich halte es für sehr gefährlich, weil man dadurch Gefahr läuft, einen flachen „See“ zu erzeugen, der zwar groß, aber nicht tief ist. Und es gibt nur wenige Leute, die dabei gut sind und die man auch braucht. Das merkt man auch an der Akzeptanz. Ich werde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft primär als Biomechaniker oder Funktionsmorphologe ernst genommen − das ist meine Homebase. Der Rest ist ein tolles Add-on. Aber meine Homebase, deshalb werde ich angerufen, deshalb werde ich zu internationalen Konferenzen eingeladen, deshalb wird Zusammenarbeit gesucht, weil ich als Fachmann für Biomechanik und Funktionsmorphologie der Pflanzen bekannt bin.

Hat die Zusammenarbeit mit ihren Partnern immer gut funktioniert oder gab es Probleme zum Beispiel in der Kommunikation oder in der Arbeitsweise?

Dadurch dass wir mit unseren Partnern seit Jahren kooperieren, können wir uns gegenseitig gut einschätzen, sodass die Zusammenarbeit ganz hervorragend funktioniert; nur gelegentlich entstehen triviale Missverständnisse, etwa durch unterschiedliche Definitionen von Fachbegriffen. Mir als Biophysiker sind natürlich die Physiker und Chemiker von den wissenschaftlichen Ansätzen und den Methoden her näher. Ingenieure, Architekten und Materialforscher sind mir in gewissen Punkten ferner, weil sie produkt- und ergebnisorientierter arbeiten. Häufig passiert es z. B., dass es den Ingenieuren ausreicht, wenn ein Material in den ersten vier Tests funktioniert hat. Wir hingegen sehen zur statistischen Absicherung mindestens 30 Tests als notwendig an. Meist bleibt das Resultat danach gleich, und dann heißt es: „Das haben wir doch gleich gesagt.“ Das ist einfach eine andere Denkweise.

Um noch einmal auf den Begriff der Nachhaltigkeit zurück zu kommen: Mich stört, dass jeder mit Bionik Nachhaltigkeit verbindet. Bionik besitzt zwar ein großes Potential, wenn es um nachhaltige Entwicklung, Ressourcenschonung, Recycling und energetisch günstiges Arbeiten geht, dass aber jedes bionische Projekt per se nachhaltig ist, ist schlichtweg falsch. Der Begriff der Nachhaltigkeit wird aber meiner Meinung nach schon in der Schule schlecht vermittelt und ist auch komplex zu erfassen, wenn man sich das Drei-Säulen-Modell anschaut, welches die ökologischen, sozialen und ökonomischen Aspekte enthält. Jede Fachrichtung hat jedoch ein eigenes Verständnis von Nachhaltigkeit. Das haben wir bei einem uns zugeteilten Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gemerkt. Der Biologe denkt bei Nachhaltigkeit an Rezyklierbarkeit und geringe Umweltlasten, und lässt dabei das Soziale und die Ökonomie weg, während der Sozialwissenschaftler damit Erkenntnisgewinn, Vermittlung von Wissen für die breite Öffentlichkeit usw. assoziiert.

Ein großer Unterschied besteht sicher zu Designern: Wenn wir eine biologische Struktur finden, die als Vorbild für die Bionik dient, brechen wir sie auf ihre physikalischen und chemischen Funktionen herunter. Das daraus entstehende Produkt, ein Material oder ein Konstrukt, sieht in der Regel völlig anders als das biologische Vorbild aus, hat aber davon einen Funktionsteil übernommen. Und in seiner Funktionalität ist es für sich schön, so wie sich die Form in der Biologie immer nach der Funktion richtet. Der zweite Schritt ist dann die Ästhetisierung, wobei wir bestrebt sind, die Ästhetik des biologischen Vorbilds zum Teil mitzutransportieren. Manche Designer greifen das in ihren Entwürfen gut auf, während andere „aufzuhübschen“ versuchen, sodass ich mich gelegentlich durch das Ergebnis vor den Kopf gestoßen fühle. Bei solchen tiefergehenden Missverständnissen muss man sich einfach Mühe geben, die Probleme ansprechen und aufgeschlossen für mögliche Lösungswege sein.

Da man für den IndiTrack sein Hauptstudium für ein ganzes Jahr unterbrechen muss, befürchten viele, dass sie dadurch wertvolle Zeit für Studium und Arbeitsmarkt verlieren würden. Wie sehen Sie das?

Ehrlich gesagt, kümmert es bei uns keinen. Ich habe noch nie einen Bewerber auf eine Promotionsstelle abgelehnt, weil er zu alt ist. Es gibt natürlich Promotionsförderungen, bei denen man das Alter von beispielsweise 27 Jahren nicht überschreiten darf. Ich halte aber ein Auslandsjahr oder ein IndiTrack-Jahr für viel wertvoller als einen zügigen „voll durchgestylten“ Lebenslauf. Meiner Meinung nach werden in diesen Punkten oft Ängste geschürt, die irrational sind und eine(n) im eigenen Potenzial beschränken können.

Würden Sie denn sagen, dass es risikobehaftet ist, auch weiterhin interdisziplinär zu arbeiten oder ist es wirklich zukunftsweisend? Liegt in der Interdisziplinarität vielleicht die Zukunft der Forschung?

Das ist ganz schwer zu sagen. Wenn man von einem wirklichen Schwerpunkt in der eigenen Ausbildung ausgeht, ist es nicht riskant, sondern eröffnet neue Chancen, interdisziplinär zu arbeiten. Kritisch sehe ich die Tendenz, von allem ein bisschen zu beherrschen. Ich beobachte dabei eine Auseinanderentwicklung: die Tendenz der extremen Spezialisierung und die der Interdisziplinarität. Beides hat seinen Grund und seinen Sinn. Unsere Welt jedoch wird immer komplexer, und es wird eine steigende Nachfrage nach Leuten geben, die neben ihrem Fachgebiet, das sie sehr gut beherrschen, auch noch auf verschiedenen Ebenen interdisziplinär arbeiten können.

Und nun zum Schluss: Welche zukünftigen interdisziplinären Projekte könnten Sie sich vorstellen? Haben Sie schon konkrete Wünsche?

Wir versuchen seit Jahren, etwas mit Sozial- und Geisteswissenschaftlern zusammen zu machen. So würde mich interessieren, wie die Stellung der Bionik innerhalb der Gesellschaft aussieht und warum diese so ist. Was mich z. B. vollkommen überrascht und was ich bis heute nicht ganz verstehe: Die Bionik hat ein durch alle Gesellschaftsschichten durchgehend positives Image, obwohl sie in manchen Fällen – nicht bei uns möchte ich betonen, sondern vor allem in den USA – auch durch das Militär mitfinanziert wird. Ich habe noch nie etwas Negatives gehört. Mag das an der „Nachhaltigkeit liegen“? Mich würde interessieren, wie es dazu kam, während z. B. die Biotechnologie, gerade auch die grüne Biotechnologie häufig ja extrem negativ eingeschätzt wird und mit großen Vorurteilen behaftet ist. Sicher ist die kritische Haltung in manchen Aspekten richtig, aber in vielen Aspekten auch falsch. Dabei stelle ich mir die Frage, ob wir in der Bionik etwas zufällig richtig gemacht haben, während andere wiederum etwas (unbewusst) falsch gemacht haben? Oder liegt es wirklich nur daran, was immer kolportiert wird, dass wir ja nicht Gott spielen und nicht ins Erbgut eingreifen würden, wir würden ja nur Ideen der Natur nutzen und in irgendetwas Technisches überführen. Wie passiert so etwas? Wie kommt es, dass die Bionik so positiv belegt ist? Müssen wir auf irgendetwas aufpassen, kann das Image auch einmal kippen?

Mehr Information zu Bionik, aktuellen Projekten und Workshops finden Sie auf folgenden Seiten:

http://www.bionik-vitrine.de/

http://www.kompetenznetz-biomimetik.de/

http://www.bionik-freiburg.de/

http://www.bionik-blog.de/

http://www.bionik-online.de/

Informationen zum interdisziplinären Studienjahr „Interdisciplinary Track“:

http://www.ucf.uni-freiburg.de/inditrack

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Thema: IndiTrack

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Ein Kommentar

  1. 1
    Peter 

    Mal ein aufschlussreicher Bericht! Bionik ist ein durchaus interessantes Thema, wenn man schon allein den Zusammenhang von Haifischhaut und Tragflächen von Flugzeugen anschaut! Bionik noch so einige Erfindungen mit sich bringen

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