bionik - erfurter-technologiedialog.de · • bionik - technische biologie - reverse bionik •...
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Thomas Speck & Tom Masselter
Funktionelle Morphologie & BionikBotanischer Garten der Universität Freiburg
Freiburger Materialforschungszentrum &Freiburger Institut für bioinspirierte Materialien Kompetenznetze Biomimetik und BIOKON e.V.
BionikLernen vonder Natur
Natürliche und technische Lebenswelt: ein Gegensatz ?
Physikalische Randbedingungen sind für biologischeund für technische Konstruktionen identisch.©
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Biologen analysieren die inder Evolution durch zufällige Prozesse entstandenen biologischen Strukturen, die aber dennoch im Rahmen derSelektion hochgradig undmeist multifunktional adaptiert undoptimiertsind.
Ingenieure arbeiten zielgerichtet .
Technische Konstruktionen werden meist auf eine oder
wenige Funktionen hin optimiert.
© Wissen Media-Verlag: Spektrum Bionik
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
Was ist Bionik ?Bionik oder Biomimetik ?
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik: zusammengesetzt aus Biologie und Technikerstmals verwendet 1960 von Jack E. Steele (bionics)
Bionik (im deutschsprachigen Raum) entspricht Biomimetics, Biomimikry, Biomimesis, bio-inspired
Bionik: Bionik verbindet in interdisziplinärer ZusammenarbeitBiologie und Technik mit dem Ziel durch Abstraktion,Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die anbiologischen Vorbildern gewonnen werden, technischeFragestellungen zu lösen. (VDI-Richtlinie 6220, 2012)
Keine direkte Übertragung, sondern ein kreativesUmsetzen in die Technik, d.h. ein durch die Naturangeregtes „Neuerfinden“.
Umsetzung in die Technik in der Regel über mehrereAbstraktions- und Modifikationsschritte.
Zusammenhang und Wirkungsgefügevon Technischer Biologie & Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Quantitative Analyse biologischer Strukturenund Funktionen mit
Methoden der Ingenieur‐wissenschaften und Physik
Verbessertes Verständnis von biologischen
Strukturenund Funktionen
Erfolgreiche Übertragung von Funktionsprinzipien
und Entwicklung innovativer technischer
Produkte nach dem Vorbild der Natur
Geschlossene heuristische Spirale,die Technische Biologie, Bionikund Reverse Bionik verbindet.
Kontinuierlicher Wissens‐zuwachs in Biologie und Bionik©
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Zusätzlicher Aspektmoderner Bionik:
„Going beyond Biology“
Technische Biologie
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Bionik / Biomimetik: Lebewesen dienen als Ideengeber für technische Umsetzungen, sind aber nicht in die Herstellung bionischer Produkte eingebunden.
Molekulare Bionik: eine Kombination von Bionik und Biotechnologie
Biotechnologie (Biotechnik):Eindeutig mit mikro- und molekularbiologischensowie biochemischen Inhalten belegt.Nutzung von Lebewesen für die Produktion der gewünschten Stoffe oder den Abbauunerwünschter Substanzen.
Molekulare Bionik: Kombiniert beide Ansätze entweder in paralleleroder in sequentieller Weise.
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Technische Spinnenseide:Sequentielle Abfolge von biotechnologischen und bionischen Methoden in einem FuE-Projekt.
Molekulare Bionik: Technische Spinnen-seide ein Material mit hohem Potential
Araneus diadematus(Gartenkreuzspinne)
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BionischerSpinnapparat
Biotechnolo-gisches
Spinnenseide-protein
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Teilbereiche der Bionik: eine Erfolgsgeschichte
mit vielen Facetten
© Plant Biomechanics Group Freiburg & verschiedene Quellen
Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
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Biomimetische Hybrid-Materialienauf Polymer-Kristall-Basis
Biologisches Vorbild:Perlmutt in Abaloneschale
Bruchfläche von Perlmutt mitStapeln von Aragonitplättchen
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Calcit
Calcit-Einkristall
Nanoporöse Polymerschicht
Calcit-Einkristall durch Selbstorganisationsprozesse
gewachsen durch eine nanoporöse Polymerschicht
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tBiomimetische Hybrid-Materialien auf
der Basis von Polymer-Kristall-Laminaten
Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
Biologisches Vorbild: Blattoberflächen
Nicht selbstreinigendeglatte Oberfläche
SelbstreinigendeOberfläche:Lotus-Effect®
Selbstreinigende Oberflächen nachdem Vorbild von Pflanzenblättern
Wilhelm Barthlott & Christoph Neinhuis
Selbstreinigende OberflächenLotus-Effect®
© W. Barthlott, Nees Institut Univ. Bonn
Selbstreinigende Oberflächen: Lotus-Effect®
© Nees-Institut Universität Bonn und Plant Biomechanics Group Freiburg
Selbstreinigende Fassadenfarbe
Lotosan®
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GLotus-Effect®: Blockbuster mit zahlreichen Nebeninnovationen
Selbstreinigende Gläser (z.B. bei LKW-Mautsystem) und selbstreinigende Metalle
Fa. Rhenotherm &BWB Flugzeuggalvanik
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Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
Mercedes Bionic Car: Ein bionisches Konzeptfahrzeug
© Mercedes-Benz / Daimler AG
Biologisches Vorbild: Kofferfisch
• niedriger cw-Wert (0,19)• geringer Benzinver-
brauch (4,3l / 100 km)• Leichtbau• hohe Stabilität
Vom Schwimmen lernen fürs Fahren:Mercedes Bionic Car
Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
Holk Kruse & Josef Schmitz
Bionische Roboter nach demVorbild von Insekten
© J. Schmitz, Universität Bilefeld
Biologisches Vorbild: Stabheuschrecke
(Carausius morosus)
• Modularer Aufbau und dezentrale Steuerungder sechs Beine
• Statisch stabile Gangart: sechs- und mehrbeinige Tiere - Stabilität auch bei Stand
• Dynamisch stabile Gangart: Vier- & Zweibeiner- hohe Stabilität nur bei Bewegung
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Sechs-beinige Laufroboter nachdem Vorbild der Stabheuschrecke
Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
„Sweep Spread Carrier“ Ultraschallmodem (S2C)
Evologics GmbH
© R Bannasch / Evologics GmbH
• Sweep Spread Carrier: Ein Trägersignal (Carrier), dasdie ganze verfügbare Frequenzbreite (Spread) nutzt und dabei die Tonhöhe kontinuierlich ändert (Sweep)
• Unterwasserkommunikation und Datenüber-tragung (z.B. Rohstoffdetektion, Kabel- undLeitungsüberwachung, Tsunami-Frühwarnsysteme)
Biologisches Vorbild: Delfine
Neuartige Sensorsysteme nachdem Vorbild von Delfinen
Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
Technische Umsetzung:Computerprogramme CAO, SKOBeispiel orthopädische Schraube
Claus Mattheck (KIT)
Form- & Gewichtsoptimierungnach dem Vorbild vonBäumen und Knochen
Biologisches Vorbild: Bäume und Knochen
Maschinenbauteile wachsen wie Bäume und optimieren wie Knochen
Methode der Zugdreiecke:
Vereinfachung der technischen UmsetzungFormoptimierte Leichtbaukonstruktionenmit Geodreick und Zirkel
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Teilbereiche der Bionik
© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg
Deckenkonstruktion desChemie-Rundbaus der
Universität Freiburg
© Universitätsbauamt Freiburg / Plant Biomechanics Group Freiburg
• Leichtbau• Ressourcenschonung durch
geringeren Materialverbrauch• optimierte Lastverteilung• hohe Stabilität
Biologisches Vorbild: Knochenbälkchen im
Oberschenkel von Säugern
Leichtbau-Architektur nach dem Vorbildder Knochenbälkchen im Knochen
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Selbstorganisationin Biologie und Technik
Eigenschaften selbstorganisierter Systeme: Systementwicklung, bei der formgebende, gestaltende & beschränkende Einflüsse vom System selbst ausgehen.(1) Komplexität, (2) Selbstreferenz, (3) Redundanz & (4) Autonomie
Definition nach Lexikon der Biologie Bd 12, 2003
Selbstorganisation in Biologie und Technik: Spontane Strukturbildung in nichtlinearen dynamischen Systemen.
Durch Selbstorganisation entstehenzeitlich, räumlich oder funktionalgeordnete Strukturen. © Uwe Kils
Selbstorganisation bei biologischen Materialien:Bei geeigneten Umweltbedingungen, spontan aufgrund der Molekül-eigenschaften (ohne Wirkung äußerer Faktoren) erfolgende Bildung komplexer Strukturen bei: Makromolekülen, Zellen, Zellverbänden …
Biologische ‘Produkherstellung’: genetisch kontrollierte Selbstorganisation
Molekül Organell Zelle Gewebe Organ Lebewesen
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Wenige (leichte) gut zugängliche C, H, O, N, S,Elemente dominieren: Ca, P, Si ...
Biologische Strukturen basieren auf Hierarchien sowieGrenz- und Oberflächen auf allen Größenbereichen
Konstruieren vom Kleinen zum Großen:Komplexitätszunahme durch hierarchisches Wachsen
Konstruieren vom Großen zum Kleinen: kein hierarchischen Produktaufbau
© ITV Denkendorf
„Traditionelle“ technische Produktherstellung Werkstück-Rohling aus einem Material Sägen, Stanzen,Schneiden, Spänen, Fräsen etc. Endpodukt
Materialorientiertes Konstruieren unter Verwendung vieler ver-schiedener (schwerer) Elemente & oft bei hohen Temperaturen
Entstehung und Eigenschaften biologischer Materialien und Strukturen
P. Fratzl & R. Weinkammer (2007) Prog. Mater. Sci. 52, 1263-1334.
T. Speck & O. Speck (2009)TEC 21, 37/38: 18 – 21.
Biologische ‘Produkherstellung’: genetisch kontrollierte Selbstorganisation
Molekül Organell Zelle Gewebe Organ Lebewesen
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Biologische Strukturen sind adaptiv & multifunktional:Anpassungsfähigkeit an (variable) Umweltbedingungen
Hohe Schadenstoleranz und Selbstreparaturvermögen
Evolutionäre Randbedingungen müssen berücksichtigtwerden, um den Form-Struktur-Funktions-Zusammenhang‘biologischer Konstrukte’ im Detail zu verstehen
Entstehung und Eigenschaften biologischer Materialien und Strukturen
P. Fratzl & R. Weinkammer (2007) Prog. Mater. Sci. 52, 1263-1334.
T. Speck & O. Speck (2009)TEC 21, 37/38: 18 – 21.
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Hedera helix: Habitus und Haftwurzeln mit Wurzelhaaren
hierarchischeStrukturierung
Adaptive Selbstverankerungnach dem Prinzip Efeuwurzel
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Kooperationsprojekt FMF, PBMG-FR & Karlsruher Institut für Technologie
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Hedera helix: Anhaftungsvorgang auf der Ebene der Wurzelhaare
Eintrocknungsvorgang: Seitenansicht
Zellulosemikrofibrillenorientierung entlang eines Wurzelhaares
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Kooperationsprojekt FMF, PBMG-FR & Karlsruher Institut für Technologie
Adaptive Selbstverankerungnach dem Prinzip Efeuwurzel
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Efeu (Hedera helix):Anhaftung auf einerrauhen Oberflächen
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Kooperationsprojekt FMF, PBMG-FR & Karlsruher Institut für Technologie
Frisches Wurzelhaar
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Wurzelhaarvertrocknend
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Ziele:(1) Verständnis der mechanischen Wechsel-wirkung an organisch/anorganischen Grenz-flächen von der Makro- bis zur Nanoebene(2) Entwicklung (selbst-)adaptiver bionischerHaftstrukturen und Klebeverbindungen(3) „Going beyond Biology“: Klebeverbindun-gen mit bond/debond-Eigenschaften, Farb-indikation von aktueller Haftkraft&Fehlstellen
Weitere Ideengeber: Haftpads und Klebsub-stanzen des Wilden Weins (Parthenocissus)
Adaptive Selbstverankerungnach dem Prinzip Efeuwurzel
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Die Kutikula ermöglichtPflanzen das Überleben
in verschiedenenHabitaten
Epidermis & Kutikula: Grenzflächezwischen Pflanzen und Umwelt
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
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Ilex aquifolium
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Ipomoea purpurea
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Ebene I: Strukturierung auf Zellebene: Zellform
Hierarchische Strukturierungsebenenpflanzlicher Oberflächen
Tropaeolum majus
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Cyclamen persicum
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Ebene II: Mikro- und Nanostrukturierung(Kutikularfalten, Wachskristalle)
Messgerät zur Analyse der Lauf-Reibungskräfte
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Univ. Kiel/MPI Stuttgart & TU Dresden
Wechselwirkung zwischen hierar-chisch strukturierten Oberflächen
Tarsus Klauen und ver-schiedenen Haartypen
Blattoberfläche mitverschiedenen Zell-formen,
Kutikularfalten und/oder Wachskristallen
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
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Messungen von Lauf-Reibungskräften
Kartoffelkäfer auf Glasoberfläche
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
Kartoffelkäfer auf Blattoberfläche Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Univ. Kiel/MPI Stuttgart & TU Dresden
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Ilex aquifoliumMagnolia
grandiflora
Diospyros kakiAlchemilla epipsilaTropaeolum majus
Cyclamen persicumHevea brasiliensis
© Plant Biomechanics Group Freiburg
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KutikularfaltenHöhe: ca. 0,5 µmBreite: ca. 0,5 µmAbstand: 0,5 – 1,5 µm
Glatte Glas-oberfläche
(44,4 ± 6,8 mN)
Lauf-Reibungskräfte - Absolutwerte: glatte Oberflächen mit unterschiedlicher Strukturierung
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
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planohne Strukturierung
planmit Wachskritallen
plan mitmittel-hohen Kutikularfalten
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
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Konvexe Zellen (Strukturebene I)
Epikutikulare Wachse (Strukturebene II) Kutikularfalten (Strukturiebene II)
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Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
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Kartoffelkäfer auf künstlicher Oberfläche
Messungen von Lauf-Reibungskräften
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Univ. Kiel/MPI Stuttgart & TU Dresden
Künstliche Oberfläche: Replikat der abaxialen Blattoberfläche
von Litchi chinensis
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plan + WachskrusteMagnolia grandiflora
(adaxial)
plan + WachskrusteIlex aquifolium
(adaxial)
kleine KutikularfaltenLitchi chinensis
(adaxial)
mittlere KutikularfaltenHevea brasiliensis
(adaxial)
mittlere KutikularfaltenCyclamen persicum
(flower)
hohe KutikularfaltenHevea brasiliensis
(abaxial)
hierachische OberflächeMit KutikularfaltenLitchi chinensis
(abaxial)
3D-epikutikulareWachskristalleDiospyros kaki
(fruit)
Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen
Oberflächenstruktur (SEM) und Benetzbarkeit
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• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Andere Tensairity®-Projekte
Parkhaus, Montreux (Schweiz), Luscher Architectes SA
Tensairity®-Autobrücke8m Spannweite, 3.5 Tonnen Nutzlast
Zusammenarbeit mit EMPA Dübendorf und Industriepartnern: prospective concepts ag
© prospective concepts ag
Prozess des bionischen Arbeitens„Top-Down-Prozess“ - Technology Pull
Förderung: BMBF-Ideenwettbewerb Bionik & Innovationen als Schlüssel für NachhaltigkeitPartner: PBMG & Makromolekulare Chemie Univ. Freiburg, EMPA Dübendorf
Biologisches Vorbild Liane:Rissreparatur
Querschnitt durchzweijährige Achse
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Lianen der Gattung Aristolochia(Pfeifenwinde)
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Frühe Phase Rissreparatur
Späte Phase Rissreparatur
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Innere Schaumschicht aus unter Druck stehenden Zellen: bionische Umsetzung
der Selbstreparatur bei Pflanzen
Äußere faserverstärkte Membrander pneumatischen Struktur
Unter Druck stehende Innenseite einerpneumatischen Struktur
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Luftausstrom
VersiegeltesLoch
Funktionsmodell für eine selbstreparierende Membran
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gSelbstreparierende bionischeMembranen für Pneusysteme
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Mit unter 1 bis 2 bar Überdruck polymerisierten geschlossenporigen
Polyurthanschäumen kann derLuftausstrom bei Löchern bis zu
5mm Durchmesser um das mehr als 1000fache verlangsamt werden.
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Funktionsweise selbstreparierender Membranen
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Membran mitselbstreparierender,bionischer Schaum-
beschichtungPneumatische
Sitzmöbel
Architektur: Pneumatische Bauten& Bauten mit Membranstrukturen
Pneumatische & gasgefüllte Luft- und Wasserfahrzeuge
© Plant Biomechanics Group Freiburg& prospective concepts ag
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Membranstrukturen fürBehälter und als Hüllen
Einsatzbereiche
© Flexible Containment Products
Selbstreparierende bionischeMembranen für Pneusysteme
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Wandelbarer Leichtbau: Biegsame Flächen-tragwerke - Bionik inspiriert von Blüten
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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart&ITV Denkendorf
Biologisches Vorbild
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Paradies-vogelblume(Strelitziareginae)
© Rouslou Korts
1. Abstraktionsschritt: Physikalisches Modell
Funktionsmodelle für Fassadenverschattung
3. Abstraktionsschritt Simulation (FEM)
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Simulation & Prototyp Fassadenverschattung: Lamellen verformen sich aktuiert oder autonom
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart&ITV Denkendorf
Clauss Markisen
Wandelbarer Leichtbau: Biegsame Flächen-tragwerke - Bionik inspiriert von Blüten
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© Architekturbüro soma, Wien
© ITKE Universität Stuttgart
Themen-Pavillon auf derWeltausstellung 2012 (Yeosu, Süd-Korea)
Architekturbüro soma (Wien) und Ingenieurbüro Knippers Helbig (Stuttgart)
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• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
© ITV Denkendorf
Prozess des bionischen Arbeitens„Bottom-Up-Prozess“ - Biology Push
Förderung: BMBF-Ideenwettbewerb BionikPartner: MPI Potsdam, PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, Univ. Bayreuth
Pfahlrohr (Arundo donax), ca. 4m hoher Bestand
Biologische Vorbilder: Pfahlrohr, Bambus
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Für bionische Umsetzungen interessantestrukturelle und mechanische Eigenschaften:• Optimierter Faserverlauf und Faserverteilung• Gradueller Übergang zwischen Fasern und Matrix• Strukturoptimierung auf mind. 5 hierarchischen Ebenen• Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit
und einem gutmütigen Bruchverhalten
© ITV DenkendorfKooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth
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Struktur- und gewichtsoptimierte Faserver-bundmaterialien mit Gradientenaufbau
Ziel sind gewichts- undstrukturoptimierte Faser-verbundmaterialien mitGradientenaufbau und:• guter Schwingungsdämpfung• dauerhaft hoher dynamischer
Belastbarkeit• gutmütigem Bruchverhalten
Produktion durch neueTechniken:• 3D-Flechttechnik• Pultrusionsverfahren
Der Technische Pflanzenhalm (mitte), ein patentiertes strukturoptimiertes Pultrusions-produkt und zwei der biologischen Vorbilder, Pfahlrohr (links) und Schachtelhalm (rechts)
© ITV Denkendorf
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© ITV DenkendorfKooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, Univ. Bayreuth
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Struktur- und gewichtsoptimierte Faserver-bundmaterialien mit Gradientenaufbau
© ITV Denkendorf
Flechtpultrusions-Anlage ITV Denkendorf
Struktur‐ und gewichtsoptimierte Faserver‐bundmaterialien mit Gradientenaufbau
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© Holländisches Fernsehen
Flechtpultrusion beim ITV DenkendorfM
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© ITV DenkendorfKooperationsprojekt: PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, TU Dresden, ILK Dresden
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© Plant Biomechanics Group Freiburg & ITV Denkendorf
Verzweigungen von Pflanzenstämmen: Ideengeber für verzweigte Faserverbünde
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© ITV Denkendorf
Patentiertesgewichts- und
strukturoptimiertesEndprodukt
(technischer Pflanzenhalm)
Luft- & Raumfahrttechnik(Rumpf- & Flügelbau)
Automobilbau und Fahrzeugbau
Sportartikel
Architektur & Gerätebau © Plant Biomechanics Group Freiburg
Medizintechnik (Prothetik)
Einsatzbereiche
Struktur- und gewichtsoptimierte Faserver-bundmaterialien mit Gradientenaufbau
• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie
• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-
schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien
• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung
• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann
Biodiversität ein erst Ansätzen genutzter ‘Ideenpool’ für bionische Entwicklungen
1,5 - 30 Millionen Tierarten0,1 - 1,5 Millionen Pilz- & Flechtenarten0,4 - 1,5 Millionen Pflanzenarten0,05 - 2,5 Millionen Bakterien & Cyanobakterien
© Plant Biomechanics Group Freiburg, W. Barthlott Bonn, S. Gorb Stuttgart & Stiftung Brandenburger Tor
Keine bionischen Projekte und Produkteohne Grundlagenforschung im Bereich der
Biologie, Ingenieur- und Materialwissenschaften!
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Es rentiert in jedem Falle „sich auf Bionik einzulassen“.
Dies gilt insbesondere für Forschung sowie Produkt- und Technologieentwicklung
aber auch für die Lehre an Hochschulen und Schulen sowie für die außerschulische Bildung.
Man muss sich aber dessen bewusst sein,dass Bionik kein „Allheilmittel“ und keine „grüne
Alternative“ zur traditionellen Technik darstellt.
Die Artenvielfalt ist die Grundlage der Bionik.
Was kann Bionik leisten?
Bionik: Der Traum von der Natur zu lernen wird Realität
Ökopark Hartberg
„Der menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen (…), doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner,
ökonomischer oder geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts und ist nichts zu viel.“
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Leonardo da Vinci(1452-1519)
Bionik ist die Zukunft der Innovation!
Danksagung
Plant Biomechanics Group – Botanischer Garten der Universität Freiburgwww.botanischer‐garten.uni‐freiburg.de
Kompetenznetz ‚Biomimetik‘ Baden‐Württemberg (MWK‐BW)www.kompetenznetz‐biomimetik.de
BIOKON e.V & BIOKON international – The Biomimetic Association (BIONA‐BMBF)www.biokon.net & www.biokon‐international.net
Bildung und Lehre in Bionikwww.bionik‐online.de www.bionik‐vitrine.de www.bionik‐blog.de
5 Arbeitsgruppenleiter/innen, 10 Doktoranden/ innen, 10 Diplom-, Staatsexamens- und Bachelor-Kandidaten/innen, 5 Techn. Mitarbeiter/innen, 12
Gärtnerische Mitarbeiter/innen
5 Arbeitsgruppenleiter/innen, 10 Doktoranden/ innen, 10 Diplom-, Staatsexamens- und Bachelor-Kandidaten/innen, 5 Techn. Mitarbeiter/innen, 12
Gärtnerische Mitarbeiter/innen
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