PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“ Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Nachträge

2 Wasserläufer (Gerris lacustris.)
1,5 m/s Wasserläufer (Gerris lacustris.) Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?

3 Auch Spinnen können übers Wasser laufen

4 Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge
Original Robostrider (MIT) Wirbelbild der Fortbewegung B. Chan, D. Hu Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge

5 Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität

6 Beinhaare mit Nano-Rillen
Wasserläufer Beinhaare mit Nano-Rillen Nano-Rillen Xuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing 20 μm 200 nm

7 Entwurf einer Wasserlaufmaschine
2 cm 20 m Biologisches Vorbild Technische Nachahmung Entwurf einer Wasserlaufmaschine

8 Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert
Bionik ist Quatsch ?

9 Es gilt: Geometrische Ähnlichkeit zwischen biologischem Vorbild und technischer (Groß-)Ausführung ist zwar eine notwendige aber keine hinreichende Bedingung für gleiche physikalische Vorgänge.

10 Zusätzlich müssen auch die voneinander unabhängig wirkenden Kräfte im gleichen Verhältnis zueinander stehen (Dynamische Ähnlichkeit). Wenn diese Kräfte verschiedene physikalische Ursachen haben, kann sich bei Änderung des Maßstabes dieses Verhältnis ändern. Änderung der Kräfte-Resultierenden !

11 Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
Oberflächenkraft Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Gewichtskraft Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung

12 Dynamische Ähnlichkeitskennzahlen:
Eötvös-Zahl (Gewichtkräfte – Oberflächenspannung) (Trägheitskräfte – Oberflächenspannung) Weber-Zahl Cauchy-Zahl (Trägheitskräfte – Elastische Kräfte) Froude-Zahl (Trägheitskräfte – Gewichtskräfte) Reynolds-Zahl (Trägheitskräfte – Reibungskräfte)

13 Ähnlichkeitskennzahlen im Internet
Abbesche Zahl (V) Archimedes-Zahl (Ar) Arrhenius-Zahl (γ) Atwood-Zahl (At) Begasungszahl (NB) Biot-Zahl (Bi) Bodenstein-Zahl (Bo) Bond-Zahl (Bo) Brinkmann-Zahl (Br) Cauchy-Zahl (Ca) Colburn-Zahl (J) Damköhler-Zahl (Da) Dean-Zahl (De) Deborah-Zahl (De) Eckert-Zahl (Ec) Ekman-Zahl (Ek) Elsasser-Zahl Eötvös-Zahl (Eo) Ericksen-Zahl (Er) Euler-Zahl (Eu) Fourier-Zahl (Fo) Froude-Zahl (Fr) Galilei-Zahl (Ga) Graetz-Zahl (Gz) Grashof-Zahl (Gr) Hagen-Zahl (Hg) Hatta-Zahl (Ha) Helmholtz-Zahl (He) Jakob-Zahl (Ja) Kapillarzahl Karlovitz-Zahl (Ka) Kavitationszahl Keulegan-Carpenter-Zahl (KC) Knudsen-Zahl (Kn) Laplace-Zahl (La) Lewis-Zahl (Le) Ljascenko-Zahl (Lj) Mach-Zahl (Ma) Marangoni-Zahl (Mg) Markstein-Zahl Morton-Zahl (Mo) Nahme-Zahl (Na) (auch Griffith Zahl) Newton-Zahl (Ne) Nusselt-Zahl (Nu) Ohnesorge-Zahl (Oh) Péclet-Zahl (Pe) Phasenübergangszahl (Ph) Prater-Zahl (β) Prandtl-Zahl (Pr) Rayleigh-Zahl (Ra) Reynolds-Zahl (Re) Richardson-Zahl Rossby-Zahl (Ro) Schmidt-Zahl (Sc) Sherwood-Zahl (Sh) Siedekennzahl (Bo, boiling number) Stanton-Zahl (St) Stefan-Zahl (Ste, Kehrwert von Ph) Stokes-Zahl (St) Strouhal-Zahl (Sr) Taylor-Zahl (Ta) Thiele-Modul (φ) Thring-Zahl Weber-Zahl (We) Weisz-Modul (Φ) Weissenberg-Zahl (Ws) Ähnlichkeitskennzahlen im Internet

14 y v = 0 Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl r m
Strömungsmedium: Zentripetal- Kraft Dichte r Zähigkeit m Strömungsteilchen y Newtonsche Schubspannung v = 0 n wasser = 1·10-6 m2/s n luft = 15·10-6 m2/s Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Kinematische Zähigkeit n Reynoldszahl

15 Strömungsphysik (Reynoldszahl)
Größe Airbus 380 Andere Strömungsphysik andere Lösungen ! Libelle Federflügler 0,25 mm Strömungsphysik (Reynoldszahl)

16 Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

17 Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

18 Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10 4

19 Re = 4 ·10 3 Saalflugmodell Mikro Air Vehikel
Wegen der zunehmenden Reibungskraft (im Verhältnis zur Trägheitskraft) bewegt sich ein Saalflugmodel wie im zähen Honig, während im Vergleich der A380 in einem sehr dünnflüssigen Medium fliegt. Saalflugmodell Mikro Air Vehikel Re = 4 ·10 3

20 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

21 Re Reynoldszahl und Flügelprofil 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3
Verkehrsflugzeug Re 10 7 Die unterschiedliche Strömungsphysik führt zu unterschiedlichen optimalen Flügelprofilen 10 6 Segelflugzeug a b 10 5 c d A2-Flugmodell a Adler b Bussard c Habicht d Sperber 10 4 Saalflugmodell 10 3

22 Die 7 Denkschritte in der Bionik
1 Biologisches Funktionsprinzip Fb schwache Regel sein FuRaGü soll eine 2 Technisches Funktionsprinzip Ft stopp Fb ähnlich Ft ? nein ja 3 Biologische Randbedingungen Rb Man sollte bei einer bionischen Innovation prüfen, ob wirklich eine Evolutions-Leistung in die Technik übertragen wurde 4 Technische Randbedingungen Rt stopp Rb ähnlich Rt ? nein ja 5 Biologisches Gütekriterium Gb Die 7 Denkschritte in der Bionik 6 Technisches Gütekriterium Gt stopp Gb ähnlich Gt ? nein ja 7 Nutzung der evolutiven Lösung

23 Fb = Schmetterlingsschuppen
Ft = Dachziegel Fb ≠ Ft Fb Ft Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik

24 Rb = Flügelprofil Vogel
Storch Rb Rb = Flügelprofil Vogel Adler Rt = Flügelprofil Flugzeug Flugzeug NACA Rb ≠ Rt Rt Wegen Reynoldszahl Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik

25 Gb = Mohnkapsel Gt = Salzstreuer Gb ≠ Gt Gb Gt Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik

26 Trivial-Bionik 1

27 Trivial-Bionik 2

28 Trivial-Bionik 3

29 Trivial-Bionik 4

30 Trivial-Bionik 5

31 Trivial-Bionik 6

32 Trivial-Bionik 7

33 Trivial-Bionik 8 Delfin-Schnauze Schiff-Bugwulst
Die Unterwassernase erzeugt ein zweites Wellensystem, das die Bugwelle durch Interferenz verkleinert. Delfin-Schnauze Trivial-Bionik 8 Schiff-Bugwulst

34 Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten
50 μm Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten

35 Claus Mattheck Claus Mattheck Trivial-Bionik 10

36 1. Nachtrag: Weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution

37 Mimese Imitation von Tieren Zoomimese Pflanzen oder Pflanzenteilen
Phytomimese Leblosen Gegenständen Allomimese

38 Dornzikaden an einem Rosenstamm

39 Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem

40 å y y ) ( ® - y Minimum x Ur- Problem der Kurvenanpassung soll ist 2
Dieses Optimierungsproblem hat die Evolution gelöst ! Problem der Kurvenanpassung Minimum 2 ist soll ) ( - å x y

41 Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf ! Die Thailändische Langkopfzirpe

42 Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter
Mondvogel (Phalera bucephala) Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter

43 Kopf Rechte Flügelspitze Lonomia Motte Linke Flügelspitze

44 Heikegani-Krabbe oder Samurai-Krabbe Samurai-Maske
Eine gewagte Hypothese: Die Samurai-Krabbe ahmt einen Samurai-Krieger nach, weil Japanische Fischer Krabben, die einem Samurai-Gesicht ähnelten, stets ins Meer zurückgeworfen haben. Krabben mit mehr Samurai-Gesicht haben sich so verstärkt vermehren können. Samurai-Maske

45 Foto: Ingo Rechenberg Wo ? Verborgen im Saharasand

46 Biomimetik (modern) = Bionik ?
Zum Schein so tun als ob … Äußerlichkeit nachahmen Täuschen

47 Biomimetik So tun als ob Quadkopter Biomimetik Design Holz Parkett
Laminat Fußboden Biomimetik So tun als ob

48 Optimalkonstruktion Facettenauge

49 Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege

50 1. 2. Optimalkonstruktion Facettenauge
Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel a haben: Konstruktive Grenze: Um die Objekte A und B voneinander getrennt zu unterscheiden muss gelten: Optische Grenze: Licht wird an kleinen Öffnungen gebeugt. Um A und B getrennt zu detektieren darf der Beugungswinkel j nicht größer als a /2 sein (Rayleighsches Kriterium): Je mehr Facetten umso feiner die Auflösung d klein 1. 2. Aber bei d klein wird Licht gebeugt, und das Abbild wird wieder unscharf Es gibt einen optimalen Kompromiss Optische Grenze Konstruktive Grenze

51 Unimodale und multimodale Optimierung

52 unimodal multimodal

53 Multimodale Optimierung
in der Natur

54 Zwei Lösungen der Evolution
Komplexauge Linsenauge

55 Multimodalität der Augen-Evolution

56 Unimodale Optimierung
in der Natur

57 Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)
Beutelmaus Die parallele Maus in der Evolution

58 In Australien Unimodale Evolution (Optimierung) Beutelratte Beutelhund
Beutelbär Australien Beuteligel Beutelmaulwurf Unimodale Evolution (Optimierung)

59 Beutelmensch

60 Parallelevolution - Grundlage der Bionik
Sandfisch Sandschleiche Sandboa Parallelevolution Grundlage der Bionik

61 2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

62 Mittags: Lufttemperatur 45° C
Boden 70° C

63 Temperatur Wüstenboden: 70°C Temperatur Koloquintenblatt: 35°C

64 Kalte Spiegelglasscheibe
Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

65 Transpirationskühlung von Koloquintenblättern
7.7.56 60 Temperatur abgeschnittenes Blatt ] 55 C [ r 50 u t a r e 45 p m e 40 T Temperatur unverletztes Blatt 35 Blatt abgeschnitten 30 10 12 14 16 18 20 h Transpirationskühlung von Koloquintenblättern Lange O.L . (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147,

66 Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe
H2O Spaltöffnung Wasserhäutchen Oberflächenspannung 150 m 9 m Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe H2O

67 Astragalus trigonus

68 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

69 Restfeuchte im Ton

70 Vorbild Natur Nachbildung Technik

71 Bionik-Pumpe mit Rückgewinnung der Kondensationswärme
Nachgebildetes Pflanzenblatt Vakuumdämmung Solarabsorber Spezialglas Rückgewinnung der Kondensationswärme Nachgebildete Spaltöffnungen Pro Tag geerntetes Reinstwasser: Bis zu 30 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche Aus dem Wüstenboden

72 Ende www.bionik.tu-berlin.de Treffen zum Praktikum Wedding
Ackerstraße 76 1. Stock „Bionik“ Freitag 10 Uhr Ende