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AMEISEN IN DER
BIONIK
“Die Ameise ist nicht nur mit der Empfindlichkeit der
Sinne ausgestattet, sondern mit Intelligenz, V...
Ameisen in der Bionik
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1. Einleitung..........
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1. Einleitung
Insgesamt leben zehntause...
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2. Biologisches Vorbild
Mehr als 30.000...
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Arbeiterinnen gehegt und gepflegt. Aber...
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Ein Beispiel ist Wikipedia, bei der sic...
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Ameisen sind ein beliebtes Untersuchungsobjekt von Forschern, weil es über 30.000 verschiedene Arten von ihnen zu geben scheint, sie faszinierende Insekten sind und eine Vielfalt von positiven und überraschenden Eigenschaften aufweisen.
In dieser Abhandlung werden die Gesellschaft der Ameisen genauer betrachtet.

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Ameisen in der bionik

  1. 1. AMEISEN IN DER BIONIK “Die Ameise ist nicht nur mit der Empfindlichkeit der Sinne ausgestattet, sondern mit Intelligenz, Vernunft und Erinnerung” Ciceron. Klausuräquivalente Leistung vorgelegt beim Fachbereich Biomechatronik Fach: Technische Biologie und Bionik der Technischen Universität Ilmenau von Karla Carballo Valderrabano Studiengang: Mechatronik Matrikel: 55850 Austauschprogramm: Mexikanische Jüngingeneure Ilmenau 11.03.2016
  2. 2. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 1 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung.................................................................................2 2. Biologisches Vorbild .................................................................3 3. Abstraktion des Prinzips...........................................................4 3.1 Programmierung der Ameisen................................................................................................................ 4 3.2 Ameisenstaaten als “Superorganismus” ................................................................................................ 4 3.3 Geruchssinn der Ameisen ....................................................................................................................... 5 3.4 Kommunikations und Verhalten............................................................................................................. 6 4. Technische Umsetzungen .........................................................6 4.1 BionicANTS .............................................................................................................................................. 6 4.2 Ameisenalgorithmus ............................................................................................................................... 7 4.3 Schwarmintelligenz in Unternehmen ..................................................................................................... 8 5. Quellenangabe.........................................................................9 5.1 Literatur ................................................................................................................................................... 9 5.2 Internetquellen........................................................................................................................................ 9 5.3 Video...................................................................................................................................................... 10 5.4 Zeitschriften und Zeitungen.................................................................................................................. 10 5.5 Elektronische Dokumente..................................................................................................................... 10 5.6 Bildnachweis.......................................................................................................................................... 10
  3. 3. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 2 1. Einleitung Insgesamt leben zehntausend Billionen - Ameisen auf der Erde. Sie wiegen mehr als die gesamte Weltbevölkerung und machen ungefähr 15 Prozent der gesamten tierischen Biomasse auf dem Planeten aus. Ameisen sind ein beliebtes Untersuchungsobjekt von Forschern, weil es über 30.000 verschiedene Arten von ihnen zu geben scheint, sie faszinierende Insekten sind und eine Vielfalt von positiven und überraschenden Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel:  Ihre enorme Kraft: Sie können das Hundertfache ihres eigenen Körpergewichts tragen.  Das Festhalten an glatten Oberflächen: Die Ameisen können, trotz 200-facher entgegenwirkender Schwerkraft, an einer glatten Oberfläche haften.  Gesellschaftsvertrag: Die Ameisen bilden großen Staaten, in welchen Arbeitsteilung herrscht mit einer klaren Rangordnung und festen Regeln.  „Polizei des Waldes“: Sie hindern andere Insekten am Beschädigen der Bäume, verteilen die Samen der Wildpflanzen, beseitigen Kadaver und befreien einige Vögel von Milben. In dieser Abhandlung werden die Gesellschaft der Ameisen genauer betrachtet. Die Herangehensweise orientiert sich dabei an dem Prinzip der Bionik als Wissenschaft (siehe Abbildung 1) nach den Punkten: 1. Grundlagenforschung des biologischen Vorbildes 2. Abstraktion des Prinzips 3. Technische Umsetzungen Abbildung 1 Bionischer Denk- und Handlungsprozess
  4. 4. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 3 2. Biologisches Vorbild Mehr als 30.000 verschiedene Spezies der Insektenfamilie Formicidae haben Zoologen bis heute identifiziert. Alle leben in Kolonien, denn einzelne Ameisen können nicht überleben. Manchmal sind es nur kleine Verbände mit gerade mal einem Dutzend Mitgliedern, andere Spezies bilden Megagesellschaften. Ameisen sind ein Erfolgsmodell der Evolution: Die Insekten leben in perfekt organisierten Gemeinschaften, in der fast alles um die Königin sich dreht. Sie ist in der Regel das einzige vermehrungsfähige Weibchen und größer als alle anderen Mitglieder der Kolonie. Nachdem im Frühsommer eine geflügelte Jungkönigin geschlüpft ist, entschwebt sie zum Hochzeitsflug. Dabei begattet sie die ebenfalls geflügelten Ameisenmänner aus anderen Nestern. Die Spermien ihrer Freier lagert die Insektenfrau in einer "Samenbank" im Hinterleib, sie müssen für ihr restliches Leben reichen (das kann bis 28 Jahren dauert). Nach der Rückkehr zur Erde stößt die Begattete ihre Schwingen ab, gräbt eine Höhle und beginnt, Eier zu legen. Nur bis zu ein paar Tausend Männchen sind nötig fürs Volk. Wenn sie, wenige Wochen alt, im Sommer zum Hochzeitsflug ausschwärmen, ist ihr Dasein besiegelt. Danach sterben die Ameisenmänner innerhalb von Stunden. Aus befruchteten Eiern werden Weibchen, sie sind die Arbeiterinnen, deren Lebensdauer ist nur ein bis drei Jahre. Die Horde der Ameisenfrauen erledigt eine Fülle von Jobs (siehe Abbildung 2). Abbildung 2 Arbeitsteilung der Ameisen Ameisenstaaten sind ständig wechselnden Einflüssen unterworfen, auf die sie reagieren müssen. Dafür werden bestimmten Arbeitern je nach Situation und sich plötzlich ergebenen Problemen bestimmte Aufgaben übertragen. Diese Zuweisung von Aufgaben ist ein Prozess ständiger Anpassung, der ohne jede zentrale oder hierarchische Kontrolle abläuft. Eine Ameisenkönigin ist aber keine 'Autoritätsperson'. Sie legt Eier und wird von den Jobs Außendienst Vom Bau ausschwärmen und Fressbares sammeln. Mit ihrem Duftstoff bei größtem Andrang den Stau kontrollieren. Holzstückchen klauben. Das Ameisenheim ausstaffieren. In der Sonne sich aufheizen und die Wärme ins Heim bringen. Den Eingang zur AmeisenWG kontrollieren (mit dem Geruch des Ankommenden). Innendienst Abfall und die Leichen entfernen. Die Nahrung zerkleinern und verstauen. Eier, Larven und Puppen schleppen und den Nachwuchs füttern. Die Königin pflegen und ernähren
  5. 5. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 4 Arbeiterinnen gehegt und gepflegt. Aber sie entscheidet nicht, was eine Arbeiterin tun oder lassen soll. Abbildung 3 Ameisenstaat 3. Abstraktion des Prinzips Die Sozialität der Ameisen ermöglicht eine effektive Nutzung vorhandener Ressourcen: durch Koopertation und Kommunikation können sie ihre Umwelt in hohem Maße kontrollieren und verändern. 3.1 Programmierung der Ameisen In einem Ameisenstaat weiß jedes Tier, welche Aufgaben es zu erfüllen gibt. Diese Arbeitsteilung kann überhaupt nicht ganz auf physischer, gestalticher und physiologischer Grundlage erklären werden. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das Ameisenindividuum seine Aufgaben weiß, zu einem Großteil wegen der vielerlei Arten ihrer Gene, die entstehen, vor allem wenn die Königin von mehreren Männchen befruchtet wurde. "Bei einigen Arten ist es etwa als Jungtier auf Innendienst und als älteres auf Außendienst programmiert", erklärt der Regensburger Forscher Jürgen Heinze. Abbildung 4 Feuerameisenkönigin und Arbeiterinnen auf einem Teil ihres genetischen Codes 3.2 Ameisenstaaten als “Superorganismus” Der Organisationsgrad der Ameisenstaaten verblüfft umso mehr, wenn man weiß, dass Ameisen eigentlich nur über recht dürftig Sinnesorgane verfügen. Außerdem ist ihr Nervensystem schwach ausgebildet und kann nur eine begrenzte Zahl von Reizen verarbeiten; ihr Erinnerungsvermögen reicht wenige Stunden in die Vergangenheit zurück.
  6. 6. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 5 Die Schlichtheit der Ameisensprache und die relative Schlichtheit dieser Tiere selbst ist für den Ameisenstaat nicht von Nachteil. Computerprogrammierer wissen: Beim Aufbau eines Systems dürfen die einzelnen Teile nicht zu kompliziert sein. Ein dicht geknüpftes Netz bestehend aus einfachen Einzelteilen ist in dieser Hinsicht sehr vorteilhaft. Die 'Seele' des Ameisenstaats ist dezentralisiert als kollektive Intelligenz über die Gesamtheit der Gruppenmitglieder verteilt. Ameisenstaaten machen einen “Superorganismus”, der als einem riesigen Parallelprozessor arbeitet, er gleicht einem virtuellen Großhirn, in dem unzählige Miniaturgehirne drahtlos zusammengeschlossen sind. 3.3 Geruchssinn der Ameisen Die Ameisen besitzen nachweislich Geruchs-, Gesichts-, Geschmacks- und Tastsinn. Der Geruchssinn spielt weitaus die Hauptrolle im Leben der Ameise. Er hat seinen Sitz in den Antennen, und zwar in den Endglidern bzw. den Porenplatten, Geruchskolben usw. Nach Miß Fieldes Untersuchungen scheinen sich die einzelnen Glieder bezüglich der Geruchsrezeption verschieden zu verhalten, das heißt es soll jedes Glied auf die Wahrnehmung nur eines ganz bestimmten Geruches abgestimmt sein. Ameisen haben mehr als zehn verschiedene Duftdrüsen an Kopf, Brust und Hinterleib, die jeweils nicht nur einen, sondern eine Mischung von chemischen Signalstoffen produzieren (siehe Abbildung 5). Ein Beispiel ist ihre Dufour-Drüse. Es ist eine kleine zwiebelförmige Drüse am Hinterende der Ameise. Der Ausgang sitzt nahe der Giftdrüse. Pheromone, die dort freigesetzt werden, dienen zur Alarmierung, Rekrutierung und zur sexuellen Attraktion. Abbildung 5 Geruchssinn der Ameisen
  7. 7. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 6 3.4 Kommunikations und Verhalten Ameisen verfügen innerhalb und außerhalb des Staates über ein aufwändiges und kompliziertes chemisches Kommunikationssystem. Ihre wichtigsten Sinnesorgane sind die Fühler, über die sie unzählige Informationen in Form von Duftstoffen, den Pheromonen, aufnehmen. Diese Pheromone sind Hormone, die nicht nur im Körper der einzelnen Ameise produziert werden und bestimmte Verhaltensweisen auslösen. Sie werden über die Drüsen abgesondert und bewirken, dass sich andere Ameisen, die sie aufnehmen, genauso verhalten wie die absondernde Ameise. Außerdem dienen diese Pheromone als Markierungsflüssigkeit - für Nahrungsquellen und gefährliche Orte oder als Hinweisschilder auf den berühmten Ameisenstraßen. Je nach Funktion dieser Stoffe bezeichnet man sie als Alarmpheromone (Alarmstoffe), Spur-Pheromone usw. Abbildung 6 Kommunikation der Ameisen durch Pheromone Das Verhalten der Ameisen beruht auf einigen wenigen einfachen Regeln, denn die Weiterverarbeitung einer riesigen Informationsmenge wahrgenommener Gerüche und Geschmäcker erfolgt in einem Gehirn, das nicht größer als ein Salzkorn ist. Deshalb zeigen die Ameisen eine fast automatische Verhaltensreaktion auf eine festgelegte Auswahl chemischer Verbindungen und scheinen die meisten der zahlreichen anderen Gerüche, die der Mensch wahrnimmt, völlig zu ignorieren. 4. Technische Umsetzungen 4.1 BionicANTS Das kooperative Verhalten der Ameisen hat Festo genauer unter die Lupe genommen und auf die BionicANTs übertragen. Die BionicANTs arbeiten nach klaren Regeln zusammen, sie kommunizieren miteinander und stimmen ihre Handlungen und Bewegungen aufeinander ab. Jede einzelne Ameise trifft ihre Entscheidungen autonom, ordnet sich dabei aber immer dem gemeinsamen Ziel unter und trägt so ihren Teil zur Lösung der anstehenden Aufgabe bei. Allen Aktionen liegt ein verteiltes Regelwerk zu Grunde, das vorab über eine mathematische Modellbildung und Simulationen erarbeitet wurde und auf jeder Ameise hinterlegt ist. Die Regelungsstrategie sieht ein Multiagentensystem vor, bei dem die Teilnehmer nicht hierarchisch geordnet sind. Vielmehr beteiligen sich durch die verteilte Intelligenz alle
  8. 8. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 7 BionicANTs gemeinsam am Lösungsprozess. Der dazu nötige Informationsaustausch zwischen den Ameisen findet über das Funkmodul im Rumpf statt. Mithilfe eine 3D-Stereokamera im Kopf und der optische Sensor am Bauch, kennt jede Ameise ihre Position, selbst wenn ihre Sicht temporär beeinträchtigt ist, und kann Greifobjekts erkennen. Auch in Design und konstruktivem Aufbau kommen die BionicANTs ihrem natürlichen Vorlblid sehr nahe. Sogar das Mundwekzeug zum Greifen der Gegenstände ist detailgetreu nachgebildet. Für die Zangenbewegung sorgen zwei piezokeramische Biegewandler, die als Aktoren im Kiefer integriert sind. Werden die Plättchen mit Spannung belegt, verformen sie sich und geben die Bewegungsrichtung mechanisch an die Greifzangen weiter. Abbildung 7 Struktur eines BionicANT 4.2 Ameisenalgorithmus Ameisen kommunizieren mittels Pheromonen, und diese Duftstoffe haften auf der Oberfläche, über welche sich die Tiere bewegen. Angenommen zwei Ameisen begeben sich von Nest zur Futterquelle. In der Ausgangssituation ist der kürzeste Weg noch nicht bekannt. Somit geht Ameise 1 den Weg A, während Ameise 2 den Weg B um das Hindernis herum wählt. Da Ameise 1 aber schneller wieder im Nest ist, da der Weg kürzer ist, kann sie in einem definierten Zeitabschnitt öfter Futter zum Nest bringen als Ameise 2. Dadurch steigt auch die Intensität der Pheromonspur auf Weg A. Würde nun eine Ameise 3 aus dem Nest kommen, würde sie daher aufgrund der stärkeren Pheromonspur von Weg A, diesen dem Weg B vorziehen. Im Verlauf der Zeit würden somit alle Ameisen nur mehr Weg A wählen.
  9. 9. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 8 Dieses skizzierte Verhalten der Ameisen bei der Futtersuche wird in der Logistik zur Lösung von kombinatorischen Optimierungsproblemen verwendet, beispielweise bei Projektplannungsproblemen, dem Quadratischen Zuordnungsproblem, aber vor allem bei der Routenoptimierung. Abbildung 8 Funktionsweise des Ameisenalgorithmus 4.3 Schwarmintelligenz in Unternehmen Statische und fest gefügte Unternehmen gehören der Vergangenheit an. Es werden »Unternehmungen« als Ansammlung hoch spezialisierter Einheiten entstehen, die sich in ihren Interessen gegenseitig ergänzen und sich ausweiten, zusammenarbeiten und verändern, um sich der Marktdynamik bestmöglich anzupassen. Das Ziel ist die Schaffung einer Infrastruktur zur Unterstützung von selbstorganisierten und schnellen Bildung entscheidungs- und handlungsfähiger Teams. Wesentliches Kennzeichen einer Schwärmenden Organisation ist der Wegfall der zentralen Lenkung. Gestärkt hingegen wird die direkte Kommunikation zwischen den Individuen, die mehr Freiheit erhalten, statt an exakten Anweisungen richten sie ihr Tun an Aufgaben aus. Schwarmpower erschließt im Unternehmen ein zusätzliches Leistungspotenzial. Neuartige Führungstechniken machen permanente Innovation zur Kernaufgabe aller Beschäftigten. Die Alltagsarbeit wird intelligenter erledigt, Spitzenleistungen entstehen. Abbildung 9 Schwarmintelligenz im Unternehmen
  10. 10. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 9 Ein Beispiel ist Wikipedia, bei der sich hunderttausend Menschen via Internet zusammen finden und verfassen die größte Online-Bibliothek. Die Masse wirkt hier als Korrektiv. Schreibt einer etwas Falsches, wird sein Eintrag von anderen schnell korrigiert. Ähnlich agiert die "Open Source-Gemeinde" im Internet, der übrigends auch Joomla! angehört, der Software, mit der auch diese Seite programmiert ist. Ein anderes Beispiel ist Linux als Alternative zum Beispiel zu den kommerziellen Produkten von Microsoft. 5. Quellenangabe 5.1 Literatur  Platner, C. (2006). Ameisen als Schlüsseltiere in einem Grasland. Göttingen. Universitätsverlag Göttingen. S. 1-3.  Goetsch, W. (1937). Die Staaten der Ameisen. Berlin. Verlag von Julius Springer. S. 17-23, 88-90, 134.  Hölldobler, B. & Wilson, E. (1995). Ameisen Die Entdeckung einer faszinierenden Welt. Basel. Springer Basel AG.  Escherich, K. (1917). Die Ameise Schilderung ihrer Lebensweise. Braunschweig. friedr. Vieweg & Sohn  Zsifkovits, H. & Altendorfer, S. (2013). Logistics Systems Engineering 1. Wissenschaftlicher Industrielogistik-Dialog in Leoben. München. Reiner Hampp Verlag. S. 22-23. 5.2 Internetquellen  Overath, S. (2013). Ameisen: die Kleinen mit den Superkräften. Von http://suite101.de/article/ameisen-die-kleinen-mit-den-superkraeften- a107298#.VsutxfnhDIV am 23.02.2016 erhalten  Mayr, G. Ameisen, die Könige des Regenwaldes. Von http://sciencev1.orf.at/science/news/47465 am 23.02.2016 erhalten  Bargs-Stahl, E., Luck-Haller, E. (2008) Der Geruchssinn. Insekten. Von https://www.planet-schule.de/wissenspool/total-phaenomenal- sinne/inhalt/hintergrund/der-geruchssinn/insekten.html am 09. 03.2016 erhalten.  Festo (2015). BionicANTs Kooperatives Verhalten nach natürlichem Vorbild. Von https://www.festo.com/PDF_Flip/corp/Festo_BionicANTs/de/#5/z am erhalten  Wohn-vision-2020. Der Ameisenstaat als Modell der Schwarmintelligenz. Von http://www.hs-owl.de/wohn-vision- 2020/index.php?option=com_content&view=article&id=103:ameisen&catid=83 am 08. 03.2016 erhalten.  Jochen May Human Resources Consulting. Schwarmpower im Arbeitsalltag. Von http://www.jmayconsulting.de/Schwarmintelligenz/schwarmintelligenz.htm am 09.03.2016 erhalten  Wohn-vision-2020. Erste Ansätze kollektive Intelligenz in Wissenschaft und Wirtschaft zu nutzen. Von http://www.hs-owl.de/wohn-vision-
  11. 11. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 10 2020/index.php?option=com_content&view=article&id=105:erste- ansaetze&catid=85 am 09.03.2016 erhalten.  Wohn-vision-2020. Zukunftsweisende Nutzung kollektiver Intelligenz in Unternehmensverbünden. Von http://www.hs-owl.de/wohn-vision- 2020/index.php?option=com_content&view=article&id=106:zukunft&catid=86 am 09.03.2016 erhalten. 5.3 Video  Doku Regen. (2015, 24. März) Xenius - Bionik Zukunftsvisionen aus der Natur. Von https://www.youtube.com/watch?v=UKMT_Pqp5W8&index=1&list=PLktSBtlFca7i qjl4XRYwcYg9XOAr_6Me1 am 27.02.2016 erhalten. 5.4 Zeitschriften und Zeitungen  Güntheroth, H. (2008, 15. September). Ameisenvölker. Die Kraft des Kollektivs. Stern. Von http://www.stern.de/panorama/wissen/natur/ameisenvoelker-die- kraft-des-kollektivs-3761890.html am 23.02.2016 erhalten.  LEXIKON DER BIOLOGIE Ameisen. (1999). Spektrum der Wissenschaft. Von http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/ameisen/2698 am 09.03.2016 erhalten.  Groß, M. (2012, Oktober). Wie sich Ameisen in der Wüste orientieren. Nachrichten aus der Chemie Volume 60. Von http://www.degruyter.com/view/j/nachrchem.2012.60.10/nachrchem.2012.60.10. 1007/nachrchem.2012.60.10.1007.xml?format=INT am erhalten 5.5 Elektronische Dokumente  Festo (2015). BionicANTs Kooperatives Verhalten nach natürlichem Vorbild. Von https://www.festo.com/group/de/cms/10157.htm am erhalten.  Schulzki-Haddouti, C. (2008). Kooperative Technologien in Arbeit, Ausbildung und Zivilgesellschaft. Von https://www.researchgate.net/publication/257928756 am 28.02.2016 erhalten. 5.6 Bildnachweis Alle Bilder und Darstellungen die keinen Quellenverweis besitzen wurden von Karla Carballo erstellt. Dazu wurden teilweise auch Lizenzfreie Bilder verwendet, die zur Veränderung und Weitergabe ohne Quellenangabe gekennzeichnet sind. Abbildung 1 Bionischer Denk- und Handlungsprozess..........................................................2 http://www.ibl.fh-muenster.de/kitewiki/index.php/Datei:Prinzip_der_Bionik.jpg Abbildung 2 Arbeitteilung der Ameisen .................................................................................3 Abbildung 3 Ameisenstaat......................................................................................................4 http://bilder.buecher.de/zusatz/29/29997/29997902_scre_4.jpg
  12. 12. Ameisen in der Bionik Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 11 Abbildung 4 Feuerameisenkönigin und Arbeiterinnen auf einem Teil ihres genetischen Codes ......................................................................................................................................4 http://science.orf.at/stories/1711142/ Abbildung 5 Geruchssinn der Ameisen ..................................................................................5 http://www.faz.net/aktuell/wissen/natur/ameisen-zoff-im-amazonenstaat- 1198034/geruchstier-ameise-1199721.html Abbildung 6 Kommunikation der Ameisen durch Pheromone ..............................................6 http://worldofants.de.tl/Ameisen-allgemein.htm Abbildung 7 Struktur eines BionicANT ...................................................................................7 https://www.festo.com/group/de/cms/10157.htm Abbildung 8 Funktionsweise des Ameisenalgorithmus..........................................................8 Zsifkovits, H. & Altendorfer, S. (2013). Logistics Systems Engineering 1. Wissenschaftlicher Industrielogistik-Dialog in Leoben. München. Reiner Hampp Verlag. S. 22-23. Abbildung 9 Schwarmintelligenz im Unternehmen ...............................................................8 http://www.jmayconsulting.de/Schwarmintelligenz/schwarmintelligenz.htm

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