Wissenschaftler werden oft darin geschult, die absolut beste Lösung für ein bestimmtes Problem zu finden. Auf einer Tafel könnte das etwa so aussehen, als würde man einen Graphen zeichnen, um den Minimal- oder Maximalpunkt einer Funktion zu ermitteln. Beim Entwurf eines Turbostrahltriebwerks kann es erforderlich sein, die Winkel der Rotorblätter geringfügig zu verändern, um die Effizienz um ein Zehntel Prozent zu steigern.
Adrian Bejan, der JA Jones Distinguished Professor für Maschinenbau an der Duke University, war damit beschäftigt, Ersteres vor einer Klasse voller Studenten zu demonstrieren, als ihm ein Gedanke kam: So funktioniert die Natur nicht. Evolution ist eine Abfolge von Designänderungen, die von selbst in eine erkennbare Richtung erfolgen. es bindet sich nie an einen einzigen Punkt auf einem Zeichenbrett.
Einem sich weiterentwickelnden System oder Tier steht es frei, einfach das zu tun, was funktioniert. Nicht so sehr, dass seine Leistung stark darunter leidet, aber genug, dass es den Zugang zu anderen Optionen in der Nähe des sogenannten optimalen Designs eröffnet.
Da die Wissenschaft oft in der Natur nach Hinweisen zur Lösung von Herausforderungen sucht, fragte sich Bejan, ob er nicht anders denken und die Natur vorhersagen könnte, bevor er sie betrachtete. Wenn Problemlöser und Bauherren die absolute Bestnote verfehlen könnten, wie viel größer wäre dann die Bandbreite an Entwürfen, die sie für plausibel halten?
Das ist die Frage, die Bejan in einem neuen Artikel stellt, der am 16. Mai online in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Biosysteme. Anhand von zwei relativ einfachen Beispielen – Gehwegen, die Passagiere aus einem Zug befördern, und einem Vogel, der mit den Flügeln schlägt – findet er heraus, dass die Antwort „ziemlich viele“ lautet.
„In den Bereichen Ingenieurwesen, Design, Theater, Architektur oder sogar bei der Organisation dieser Universität profitiert jede Form von Design von der Fähigkeit, gute, aber unvollkommene Entscheidungen zu treffen und von der Freiheit, weiterzumachen und über andere Verbesserungsmöglichkeiten nachzudenken“, sagte Bejan. „Wenn man der Idee des absolut Besten verpflichtet ist, wird nie etwas Neues entstehen.“
In der Arbeit betrachtet Bejan zunächst das Beispiel von Passagieren, die mit dem Zug ankommen und durch einen Raum mit vielen Ausstiegsmöglichkeiten laufen. Da die Gesamtfläche des Raums konstant bleibt, die Länge und Breite des Raums jedoch frei veränderbar ist, sucht er nach der optimalen Form des Raums, um alle Passagiere am schnellsten dorthin zu bringen, wo sie hin wollen. Anhand der vorliegenden Lösungsgleichungen zeigt er, dass die Bereitstellung von nur 1 % Spielraum für Unvollkommenheiten gegenüber der besten Leistung den Designraum um 28 % erweitert.
In seinem zweiten Beispiel untersucht Bejan die Schlagbewegung von Vögeln bei nahezu konstanter Höhe und Geschwindigkeit. Unter Berücksichtigung der verschiedenen beteiligten Kräfte – Widerstand beim Gleiten, Auftrieb durch Flügelgröße, Geschwindigkeit und Körpergröße und andere – formuliert er eine Gleichung für den Rhythmus der Flügel, der erforderlich ist, um mit minimalem Aufwand eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Obwohl es eine optimale Antwort gibt, zeigt Bejan erneut, dass die Berücksichtigung einer Unvollkommenheit von nur 1 % über dem theoretischen Mindestaufwand den Designraum um 20 % erweitert.
Bejan sagt, dass er diese Beispiele ausgewählt hat, weil sie nur die Änderung einer einzigen Variablen, eines einzigen Freiheitsgrades beinhalteten – der Form eines Raumes oder des Schlagrhythmus eines Flügels. In komplexeren Beispielen, die viele Variablen beinhalten, führen diese winzigen Toleranzen für Unvollkommenheiten zu einem noch größeren Spektrum an „gut genug“-Lösungen.
Die daraus gewonnene Lektion ist, dass die Wissenschaft nun eine prädiktive Vorstellung davon hat, wie die Natur funktioniert. Indem sie sich weniger auf die Suche nach absolut optimalen Designs konzentrieren, können Forscher die Freiheit nutzen, schrittweise auf völlig neue Designkonzepte zuzugehen, die sonst nicht in ihrem Blickfeld gewesen wären. Es verleiht Designs, Methoden und ganzen Studienbereichen auch die Fähigkeit, sich an eine sich verändernde Welt anzupassen.
„Die Doktrin, dem besten Design hinterherzujagen, ist nicht hilfreich“, sagte Bejan. „Der naturwissenschaftliche Unterricht sollte mit der Freiheit einhergehen, einen Schuss zu machen, in der Nähe des Ziels zu treffen und weiterzumachen. Das Endziel besteht nicht nur darin, ins Schwarze zu treffen, sondern darin, mehr Pfeile im Köcher zu haben.“ über einen längeren Zeitraum weiter zu fotografieren.
Mehr Informationen:
Adrian Bejan, Perfektion ist der Feind der Evolution, Biosysteme (2023). DOI: 10.1016/j.biosystems.2023.104917