Biointelligenz ist ein technischer Ansatz, der eine Konvergenz von Bio-, Hard- und Software anstrebt. Diese gegenseitige Befruchtung zwischen Biowissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Informatik hat das Potenzial zu zahlreichen neuartigen Anwendungen und Produkten. Biointelligente Systeme enthalten eine technische und eine biologische Komponente sowie eine Rückkopplungsschleife und weisen Merkmale von künstlicher Intelligenz auf. Biointelligente Systeme sollen auch zu einer nachhaltigen Gestaltung von Produkten und Produktion in verschiedenen Bereichen menschlicher Bedürfnisse beitragen, darunter Gesundheit, Ernährung, Energie, Wohnen und Konsum. Dementsprechend gilt ein System nur dann als biointelligent, wenn es die biologischen Ressourcen sinnvoll nutzt und nach einem Einklang mit seiner natürlichen Umwelt und mit den anderen Systemen in seiner Umgebung strebt.
Biologische Transformation Die Biologische Transformation strebt an, den Einsatz von Materialien, Strukturen, Prozessen und Organismen der belebten Natur in der Technik zu erhöhen.
Es wird der Ansatz verfolgt, neue Lösungen für bestehende Herausforderungen, die sich durch Nachhaltigkeits- und Klimaziele ergeben, durch die Konvergenz von Biosphäre und Technosphäre zu entwickeln – mit dem Ziel, die Nachhaltigkeit der gesamten Wertschöpfungskette zu steigern. Angewendet werden kann das Konzept der Biologischen Transformation nicht nur im Bereich der Produktionstechnik, sondern auch in anderen Bereichen wie z. B. Gesundheit, Konsum oder Wohnen. alt=Zur Biologischen Transformation zählen die Schritte Inspiration, Interaktion und Integration.|mini|297x297px|Abbildung 1: Entwicklungsmodi der Biologischen Transformation (Bauernhansl und Miehe 2019, S. 13)
Nach einem in der Fraunhofer-Studie „Biotrain“ (2017–2019) entwickelten Ansatz kann die Biologische Transformation in die drei Entwicklungsmodi Inspiration, Integration und Interaktion unterteilt werden (vgl. Abb. 1). Diese werden im Folgenden näher erläutert.
alt=Die Entwicklungsmodi der Biologischen Transformation sind hier dargestellt.|mini|294x294px|Abbildung 2: Integrationsebenen bzw. -systeme und Entwicklungsmodi der Biologischen Transformation der industriellen Wertschöpfung . Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft. (Miehe et al. 2019b, S. 12)
Inspiration Die Inspiration ist der erste Entwicklungsmodus der Biologischen Transformation. Die Inspiration beschreibt den Übertrag von Beobachtungen aus der Natur in die Technik/Technische Systeme. Ein Beispiel ist der sogenannte LotuseffektBauernhansl, Thomas; Miehe, Robert (2022): Mit Biointelligenz in einen nachhaltigen Innovationsraum (Nr. 2), S. 48–53.Miehe, Robert; Baumgarten, Yannick; Shoshi, Arber (2023): Biointelligente Produktionssysteme. Auf dem Weg in eine zirkuläre, vernetzte, bedarfsgerechte Vor-Ort-Herstellung von Gütern. In: ATP Magazin (Nr. 4), S. 78–84.. Dabei findet die Wertschöpfung ausschließlich im technischen System statt und wird von der Biologie lediglich durch die Übertragung von Ideen aus der Natur und Naturphänomenen wie der Biomimikry beeinflusst.Full, J.; Miehe, R.; Kiemel, S.; Bauernhansl, T.; Sauer, A. (2019): The Biological Transformation of Energy Supply and Storage – Technologies and Scenarios for Biointelligent Value Creation. In: Procedia Manufacturing 39, S. 1204–1214. doi:10.1016/j.promfg.2020.01.349.
Auf diese Weise entwickeln Unternehmen Lösungen beispielsweise in den Anwendungsbereichen neuronale Netze und evolutionäre Algorithmen; Funktionalitäten, wie Biomechanik; sowie innovative Materialien und Bauweisen, zum Beispiel Leichtbau.Bauernhansl, Thomas; Miehe, Robert (2022): Mit Biointelligenz in einen nachhaltigen Innovationsraum (Nr. 2), S. 48–53.
Integration Die Integration ist der zweite Entwicklungsmodus der Biologischen Transformation. Anders als bei der Inspiration geht es hierbei darum, das Wissen aus der Biologie direkt in Form biologischer Systeme in Produktionssysteme zu integrieren. Ziel ist eine Steigerung der Nachhaltigkeit der gesamten Wertschöpfungskette. alt=Es sind die Felder der Biologischen Transformation Interaktion, Integration und Inspiration dargestellt.|mini|240x240px|Abbildung 3: Die drei Modi der Biologischen Transformation sind gleichzeitig Ergebnis und auch Ausgangspunkt einer Biologischen Transformation (Bauernhansl und Miehe 2022, S. 49) Dieser Modus der Biologischen Transformation findet zum Beispiel bei der Produktion von biobasierten Energieträgern Anwendung. Darunter fallen Prozesse wie die Biogasproduktion, die bereits heute im industriellen Maßstab durchgeführt werden, aber auch Prozesse zur Wasserstoffherstellung mittels Mikroorganismen, die z. T. noch weiter erforscht werden müssen.
Um eine Integration von biologischen Systemen zu ermöglichen, werden darauf abgestimmte technische Lösung benötigt. Hauptproblem ist dabei die Komplexität biologischer Prozesse. Die Stabilität der Umgebungsparameter (z. B. Temperatur, pH-Wert) ist dabei essenziell, um die Prozessstabilität und Produktqualität aufrechtzuerhalten. Die Bewältigung dieser Herausforderung führt zum dritten Entwicklungsmodus, der Interaktion.
Interaktion Der letzte Entwicklungsmodus beschreibt die umfassende „Interaktion“ zwischen technischen, informatorischen und biologischen SystemenMiehe, Robert; Baumgarten, Yannick; Bauernhansl, Thomas (2020): Biointelligenz. Definition und Kategorisierung – Ein Diskussionspapier. In: Werkstattstechnik online (Bd. 110 (2020), Nr. 1-2), S. 58–63. in einem biointelligenten System. alt=Es sind die Felder der Biologischen Transformation Interaktion, Integration und Inspiration dargestellt.|mini|Abbildung 4: Entwicklungsmodi der Biologischen Transformation nach Miehe et al. [17, 18]. Bild: Fraunhofer IPA (Miehe et al. 2020, S. 59) Dabei wird ein explizites und ein implizites Verständnis unterschieden.Miehe, Robert; Buckreus, Lorena; Kiemel, Steffen; Sauer, Alexander; Bauernhansl, Thomas (2021): A Conceptual Framework for Biointelligent Production—Calling for Systemic Life Cycle Thinking in Cellular Units. In: Clean Technol. 3 (4), S. 844–857. doi:10.3390/cleantechnol3040049. Im expliziten Verständnis erfordert die Umsetzung der biointelligenten Produktion Informationsverbindungen zwischen technischen und biologischen Systemen, um biologische Signale in Techniken umzusetzen und umgekehrt.Brecher, Christian; Bauernhansl, Thomas; Gumbsch, Peter; Hompel, Michael ten; Miehe, Robert; Beckett, Marc et al. (2019): Biointelligenz. Eine neue Perspektive für nachhaltige industrielle Wertschöpfung : Ergebnisse der Voruntersuchung zur biologischen Transformation der industriellen Wertschöpfung (Biotrain). Stuttgart: Fraunhofer Verlag. Darüber hinaus ist eine Weiterentwicklung vorhandener Technologien erforderlich. Andererseits erfordert Biointelligenz nach dem impliziten Konzept eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Ziel, ein Gleichgewicht zwischen wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Vorteilen zu erreichen, um zur Lösung des Problems der Nachhaltigkeit beizutragen.Miehe, Robert; Buckreus, Lorena; Kiemel, Steffen; Sauer, Alexander; Bauernhansl, Thomas (2021): A Conceptual Framework for Biointelligent Production—Calling for Systemic Life Cycle Thinking in Cellular Units. In: Clean Technol. 3 (4), S. 844–857. doi:10.3390/cleantechnol3040049.
Biointelligenz ermöglicht eine Automatisierung, Steuerung und Dezentralisierung von Produktionseinheiten von Gütern des täglichen Bedarfs, beispielsweise die Herstellung personalisierter Medikamente direkt in der Apotheke mit Bioreaktoren, oder auch das Drucken von Nahrungsmitteln. Hierdurch wird ein personalisierter, bedarfsgerechter Konsum mit kreislauffähigen Materialien ermöglicht.
Bedürfnisfelder Die Biointelligenz wird die elementaren menschlichen Bedürfnisfelder Gesundheit, Energie, Konsum, Wohnen und Ernährung zukünftig möglicherweise maßgeblich beeinflussen. Durch die Einbindung des Nutzers verlagert sich die Gestaltung der Wertschöpfung in diesen fünf Bedürfnisfeldern. Innerhalb der Bedürfnisfelder bietet die Biointelligenz Strategien, um Herausforderungen, die durch den demografischen Wandel auftreten, zu bewältigen.
So befasst sich die „biointelligente Gesundheit“ mit der Erforschung von neuen Wirkstoffen, Diagnoseverfahren und Produktionstechniken.
Im Bedürfnisfeld Ernährung liegt der Schwerpunkt auf der Erforschung neuer personalisierter Lebensmittel und deren dezentraler, bedarfsgerechter Herstellung. Ziel ist es, neben einer flächendeckenden Versorgung mit gesunden Nahrungsmitteln auch einen Beitrag zu einer ressourcenschonenden, nachhaltigen und sozial verträglichen Produktion zu leisten. Beispielsweise könnten bisher unverwertbare Roh- und Reststoffe durch biotechnologische Methoden als Nährstoffquelle erschlossen werden.
Biointelligenter Konsum zielt darauf ab, nachhaltige Wertschöpfungsketten von der Rohstoffquelle bis zum Endprodukt zu etablieren und dabei sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen. Neuronale Netzwerke spielen dabei eine Schlüsselrolle, indem sie eine enge Interaktion zwischen Ingenieur- und Naturwissenschaften ermöglichen.
Im Bedürfnisfeld Wohnen soll die Biologische Transformation Lebensumgebungen auf nachhaltige Weise gestalten und gleichzeitig das Wohlbefinden, die Produktivität und die Gesundheit der Menschen fördern. So kann bspw. der Einsatz neuartiger Baustoffe, -elemente und Produkte auf Basis biobasierter und nachhaltiger Materialien, zu einer ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft im Bereich des Wohnens beitragen.
Das Bedürfnisfeld Energie stellt einen wichtigen Kopplungsfaktor zwischen den übrigen Bedürfnisfeldern dar. Ein grundlegendes Ziel besteht darin, dem Klimawandel entgegenzuwirken. Neue Wege bei der Herstellung, Verteilung und Speicherung von Energie sollen zu einer Transformation in Richtung eines biointelligenten Energiewertschöpfungssystems führen. Dies kann unter anderem durch die Vernetzung von Stoff- und Energieströmen ermöglicht werden, aus denen sich neue Synergien in Produktionsprozessen ergeben.
Geschichte und Akteure Die ersten Erwähnungen des Begriffs Biointelligenz in der wissenschaftlichen Community stammen aus dem späten 20. Jahrhundert. Stonier beschreibt das Konzept zunächst im Gegensatz zur maschinellen Intelligenz als die „wahre“ Intelligenz der Natur, die sich in der Komplexität und dem Gleichgewicht natürlicher Organismen und Systeme ausdrückt . Andere frühe Ansätze zur Biointelligenz beziehen sich auf die Bioinformatik und die Systembiologie in der Medizin. Satava skizziert das Konzept am Beispiel der roboter- oder computergestützten Chirurgie . Hier sollen elektronische Informationsschnittstellen die Hände und das Gehirn des Chirurgen ersetzen. Mousses et al. skizzieren ein Konzept der auf biologischer Intelligenz basierenden Wissensgewinnung, das auf verschiedene persönliche Genomics in der Medizin angewendet werden kann . Farley et al. stellen eine skalierbare Rechenplattform für biomedizinische Wissensverarbeitung vor, die komplexe syntaktische und semantische Beziehungen in unstrukturierten biomedizinischen Informationen darstellen soll . Aus der Perspektive der Robotik skizziert Pearce die Vision von sich selbst verbessernden organischen Robotern, die in der Lage sind, ihren eigenen Quellcode zu modifizieren und sich selbständig zu optimieren .