PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik I“ Wundersame Technologien in der Natur Geschichte der Bionik und die Leistung der Evolution

2 Ergebnisse der Evolution
Zahl der Tier- und Pflanzenarten Beschrieben: 1,5 Millionen Geschätzt Σ = 15 Millionen Ergebnisse der Evolution

3

4 Ein Wunder der Evolution

5 Lassospinne in Cowboy-Manier
Wundersame Technologien in der Natur 1 Lassospinne in Cowboy-Manier

6 Tiefsee-Anglerfisch mit Leuchtköder
Wundersame Technologien in der Natur 2 Tiefsee-Anglerfisch mit Leuchtköder

7 Bombardierkäfer mit Flammenwerfer
Wundersame Technologien in der Natur 3 Bombardierkäfer mit Flammenwerfer Wasserstoffperoxid + Hydrochinon + Enzym = Wasser + Sauerstoff

8 Ein Schützenfisch zielt auf seine Beute
Wundersame Technologien in der Natur 4 Ein Schützenfisch zielt auf seine Beute

9 Die Spritzgurke, eine Wasserpistole
Wundersame Technologien in der Natur 5 Die Spritzgurke, eine Wasserpistole

10 Die Kannenpflanze Wundersame Technologien in der Natur 6
Deckelblatt als Regenschutz Rutschbahn mit Nektar Die Kannenpflanze Wässrige Lösung mit Verdauungsenzymen

11 Fangreuse der Köcherfliegen Larve
Wundersame Technologien in der Natur 7 Fangreuse der Köcherfliegen Larve

12 Fallgruben des Ameisenlöwen
Wundersame Technologien in der Natur 8 Fallgruben des Ameisenlöwen

13 Scarabeus sacer bei der Rollarbeit
Wundersame Technologien in der Natur 9 Scarabeus sacer bei der Rollarbeit

14 Wasserspinne in ihrer Taucherglocke
Wundersame Technologien in der Natur 10 Wasserspinne in ihrer Taucherglocke

15 Pistolenkrebs mit Wasser-Colt
Wundersame Technologien in der Natur 11 Pistolenkrebs mit Wasser-Colt

16 Jesus-Echse beim Überwasser-Sprint
Wundersame Technologien in der Natur 12 Jesus-Echse beim Überwasser-Sprint

17 Aus der Geschichte der Bionik

18 Der erste Bioniker Dädalus und Ikarus
Dädalus 88 ( Flug Kreta→Santorin) Dädalus und Ikarus Der erste Bioniker

19 Es ist schwer die Feder technisch zu kopieren !
Federast Fahne Federstrahl Schaft Spule Das Wunder der Vogelfeder Bogenstrahl Federast Hakenstrahl Schaft Hakenfortsatz Es ist schwer die Feder technisch zu kopieren !

20 Die Fledermaus: Einfach zu kopierendes fliegendes Vorbild

21 Entwürfe für eine Flugmaschine (1497 - 1500)
Leonardo da Vinci ( ) Leonardo da Vinci Entwürfe für eine Flugmaschine ( )

22 Vor der Prüfungskommission – 14. Oktober 1897
Clément Ader ( ) Vor der Prüfungskommission – 14. Oktober 1897 Der Avion III von CLÉMENT ADER macht nur kleine Hüpfer Kann nicht fliegen: Es fehlt das Höhenleitwerk zur Längs-Stabilisierung !

23 S Auftriebswanderung am gewölbten Profil führt zur Instabilität des singulären Flügels S S

24 Keine Auftriebswanderung am ebenen Profil
Ein ebenes Profil fliegt eigenstabil ! S

25 Zwei „Bionik-Schriften“
Hermann Dingler: Bewegung der pflanzlichen Flugorgane (1889) Friedrich Ahlborn: Die Stabilität der Flugorgane (1897)

26 Flugsamen von Macrozanonia macrocarpa
Profil ebene Platte: fliegt längsstabil ! Flugsamen von Macrozanonia macrocarpa als Modell für ein Nurflügelflugzeug von Igo Etrich

27 Zanonia-Gleiter von Igo Etrich 1906
Zanonia-Form Etrich Taube Tauben-Schwanz

28 systematische Studien
Otto Lilienthal ( ) Otto Lilienthals systematische Studien zum Vogelflug

29 Die Entdeckung der gerundeten Profilnase
. . . Wider Erwarten zeigte sich aber auch dann noch kein Nachteil, wenn die Flügelverdickung abgerundet an der Vorderkante lag, wie bei Fig. 43. Es hatte sogar den Anschein, als ob diese Form besonders günstige Luftwiderstandsverhältnisse besitze, . . . Aus Otto Lilienthal: „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst“

30 Rekonstruktion des Derwitz-Apparats von Otto Lilienthal
Im Sommer 1891 erreicht Lilienthal mit seinem Flugzeug Nr. 3 in Derwitz (Potsdam) Flugweiten bis zu 25 m. Rekonstruktion des Derwitz-Apparats von Otto Lilienthal Text

31 Das Höhenleitwerk - Das A und O der Fliegekunst

32 Entwicklung des Flugzeugs: Größte bionische Pioniertat
Otto Lilienthal 16. August 1894 Der Gleiter imitiert die Flügelaufspreizung eines Storches Entwicklung des Flugzeugs: Größte bionische Pioniertat

33 1801 stellte der Physiker Thomas Young
die Hypothese auf, dass unser Auge alle Farbempfindungen aus drei Grundfarben zusammensetzt Young-Helmholtz Dreifarbentheorie Thomas Young ( ) Farbfilm 400 500 600 700 N o r m i e t E p f n d l c h k Wellenlänge / nm Auge Monitor 3-Chip Kamera

34 Die Erfindung des Holzfaserpapiers durch Friedrich Gottlob Keller
1845 wurde das Frankenberger Kreisblatt auf „Wespenpapier“ gedruckt Die aufmerksame Betrachtung der Natur war es, die dem Webermeister Gottfried Keller in Sachsen dazu führte, das geschliffene Holz zu erfinden. Wespen waren seine Lehrmeister, die ihn auf den Gedanken brachten, ähnlich wie diese zernagte Holzfasern zum Bau ihres Nestes verwandten, durch Schleifen von Holz gutes Papiermaterial zu erhalten. Aus dem Buch „Reich der Erfindungen“ von 1901 Text

35 technischen Klettverschluss 1951
Große Klette (Arcticum lappa) George de Mestral ( Velcro ® („velours“ und „crochet“ ) Patent für einen technischen Klettverschluss 1951 Text

36 Über weiche und harte Bionik

37 Victoria amazonica Der Gärtner und Hobbyarchitekt Sir Joseph Paxton nutzte seine bota-nischen Kenntnisse über das Bauprinzip der Victoria amazonica zum Entwurf des „Crystal Palace“ für die Weltausstellung 1851 in London.

38 Der Londoner Kristallpalast von 1851
und das Blatt der Victoria amazonica

39 Architekturbionik Radiolarien USA-Pavillon – Expo ’67
Buckminster Fuller Radiolarien Architekturbionik USA-Pavillon – Expo ’67

40 Architekturbionik

41 Weiche Bionik Bionik als Kreativitätstechnik Harte Bionik Angewandte Evolutionsbiologie

42 Winning Team A2-Modellflug-Weltmeisterschaft 1954
Ingo Rechenberg A2-Modellflug-Weltmeisterschaft 1954 Beispiel für evolutionistische Bionik

43 Oskar Czepa (Weltmeister 1951) mit seinem A2-Flugmodell „Zahnstocher“
Regeln für die A2-Klasse: Gewicht > 410 g Fläche dm2

44 Formel für die Sinkgeschwindigkeit eines Flugmodells:
g = Erdbeschleunigung Nicht zu beeinflussen r = Luftdichte G = Gewicht Durch Bestimmungen gegeben F = Flügelfläche cw = Widerstandsbeiwert Aerodynamische Güte ca = Aufriebsbeiwert

45 ! Flugmodell „Zahnstocher“ mit Vogelprofil - A2-Weltmeister 1951
Für Vogel und A2-Modell gilt die gleiche Strömungsphysik Gleiche Reynoldszahl ! ! Flugmodell „Zahnstocher“ mit Vogelprofil - A2-Weltmeister 1951

46 Harte Bionik: 1. Evolutionsdenken 2. Kapieren vor Kopieren

47 Die bionische Lösung verlässt die Fabrik
Bioniker Die bionische Lösung verlässt die Fabrik Die platte Naturkopie ist nicht das Ziel der Bionik !

48 Mikro Air Vehikel (MAV)
Schlagbewegung Mikro Air Vehikel (MAV) Vorbild Libelle Rotation oder

49 2. Weltkrieg: Ewak, eine Insel im Pazifik
2. Weltkrieg: Ewak, eine Insel im Pazifik. Ureingeborene sehen in Flugzeugen des dortigen US-Stützpunktes Göttervögel. Sie bauen Imitate aus Stroh und schlagen Landebahnen in den Urwald. Auch unsere Kultur kopiert überlegene Techniken, nicht von Aliens, sondern von der Natur, auch dann, wenn es keinen Sinn macht und sie missverstanden wurden.

50 Käfer - Vorbild für moderne Sitze ???

51 Rätselhaftes Insekt mit Pinselschwanz aus dem brasilianischen Urwald
Foto: Klaus Fiedler Unverstanden und deshalb nicht technisch nachbaubar

52 Der auf den Arbeitstisch LEONARDOs „gebeamte“ PC ist ohne Wert
Das A und O der Bionik: Kapieren vor Kopieren LEONARDO DA VINCI Der auf den Arbeitstisch LEONARDOs „gebeamte“ PC ist ohne Wert

53 Raoul Heinrich Francé (1874 – 1943)
Die Biotechnik ist der Gipfel der Technik überhaupt Evolutionsbiologische Aufgabe der Mohnkapsel: Den Samen möglichst weit zu streuen ! und sein bionischer Salzstreuer (Patent Nr ) Text

54 Fliegende Samen

55 Wie gut arbeitet die biologische Evolution ?

56 Evolution einer Augenlinse

57 Verformbarer Glaskörper als Evolutionsobjekt

58 Evolutionsstrategische Optimierung eines Freiträgers mit minimalem Gewicht

59 Evolutionsstrategische Optimierung einer Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

60 Brücken- Konstruktionen Fischbauchbrücke Bogenbrücke

61 Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514
Magisches Quadrat

62 Ende

63 Lilienthal - der lange Weg zu Erfolg
Das Flugzeug 1 – noch ohne stabilisierenden Schwanz – dient nur für Stehübungen im Wind. Mit dem Flugzeug 2 werden Laufübungen gegen den Wind durchgeführt. Und mit dem Flugzeug 3 führt Lilienthal Sprungübungen im Garten seiner Villa von einem 2 m hohen Sprungbrett durch. Der Schritt vom Sprung zum Flug findet schließlich in Derwitz bei Potsdam statt. Hier erreicht Lilienthal im Sommer 1891 mit dem Flugzeug 3 Flugweiten bis zu 25 m. Im Sommer 1893 wird dann mit dem Flugzeug 6 in den Rhinower Bergen bei Stölln bereits die Rekordweite von 250 m erreicht, die Lilienthal bis zu seinem tragischen Absturz am 9. August 1896 nicht mehr überbieten konnte.

64 Aus: „Die Pflanze als Erfinder“
„Ich trat eines Morgens in mein Laboratorium, nachdenklich und mißmutig, denn ich war mit meinen Arbeiten wieder einmal stecken geblieben und konnte nicht weiter. Ich studierte um jene Zeit das Leben des Ackerbodens. Längst war festgestellt, daß die tote, schwarze Erde nicht tot sei, sondern durchsetzt und erfüllt von Myriaden kleinster Lebewesen, die alle einen bestimmten Einfluß auf das Gedeihen der Brotfrucht haben, Und es lag nahe, anzunehmen, daß es gelingen würde, vielfältige Frucht zu ernten, wenn es zuvor gelänge, die nützlichen Erdbewohner zu vermehren. Der einfachste Weg schien zu sein, den Boden mit ihnen zu impfen. Ganz gleichmäßig, jeden Quadratmillimeter mit einem Dutzend der kleinen Lebenskeime bestreuen. Das war die Aufgabe des Tages. Sie konnte ich nicht lösen, und darum war ich mißmutig und nachdenklich. Ich versuchte zuerst verschiedenes. Ich hatte schon Erde bereit, die reichlich die in Frage kommenden Kleinpflanzen enthielt. Ich schüttelte sie mit viel Wasser durch und begoß mein „Versuchsfeld“ mit dieser „Aufschwemmung“ aus einer kleinen Kanne. Dann untersuchte ich das Ergebnis; alles war ungleich verteilt. Ich versuchte, den Boden gleichmäßig zu überschwemmen. Es mißlang. Es wurde mir klar, man müsse die „Impferde“ in einem halbtrockenen Zustand ganz gleichmäßig ausstreuen. Das sei der einzige Weg zum Erfolg... ...Am nächsten Morgen brachte ich Streuer mit. Mehrere Modelle, so wie ich sie auftreiben konnte. Ein gewöhnliches Salzfaß, wie es auf jedem Wirtstische steht. Einen Puderstreuer für Ärzte und kleine Kinder, einen Zerstäuber, wie man ihn als Retter der Nachtruhe vorsorglich auf die Reisen nach Osten mitnimmt. Dann ging es ans Versuchen. Auf Bogen weißen und schwarzen Papiers, die mit numerierten Quadraten bedeckt waren, wurde mein Material leicht ausgestreut und dann auf den Quadraten gezählt, wie viele Körnchen sich darauf befanden. Mit dem Zerstäuber ging es überhaupt nicht. Und Puderbüchse und Salzfaß streuten Reihen. Die Quadrate der unteren Reihe enthielten das Doppelte und Dreifache an Material, wie die der höheren Reihen, und ringsum gab es entweder weniger oder, wenn man dann nachhalf, wieder mehr davon, als man haben wollte. Da war mein Schiff festgefahren und blieb tagelang stecken, bis ich den richtigen Weg fand... Ein beiläufiger Einfall brachte die Wendung: Die am Anfang ganz bedeutungslos erscheinende Frage, wie denn die Natur das Ausstreuen besorge. Die Pflanzen sind darauf angewiesen, und zwar wie ein wenig Nachdenken sofort sagt, auf genau dasselbe gleichmäßige Ausstreuen, das auch ich anstrebte... Moose streuen ihre Sporen aus Kapseln in die Luft. Wenn sie nicht gleichmäßig ausgestreut werden, keimen zwei oder noch mehr dicht nebeneinander und machen sich dann in jeder Weise den Lebensraum streitig. Sofort sah ich ein, daß die Natur eine Lösung des meines Problems gefunden haben müsse. Ich brauchte sie nur nachzuahmen und war dann jeder Sorge enthoben... Und ich fand die Lösung in den Kapseln des Mohns. Jedermann kennt sie; jedermann weiß, daß die unter dem Deckel im Kreise angeordneten Löcher dazu dienen, die kleinen Mohnkörner auszustreuen, aber noch nie hat jemand daran gedacht, daß hier eine Erfindung der Pflanze gegeben sei, welche die unsrigen übertrifft. Ich weiß das deswegen so genau, weil ich es geprüft habe. Eine Mohnkapsel, gefüllt mit den Körnchen meiner Erde, streute sie viel gleichmäßiger aus, als es mir bis dahin gelungen war. Staunend, verwirrt, voll unbestimmter Freude stand ich am Anfang eines Weges. Mit einem kühnen Entschluß wollte ich Gewißheit haben. Ich zeichnete einen Streuer für Salz, für Puder und sonst medizinische Zwecke nach dem Modell der Mohnkapsel und meldete das als Erfindung zum Musterschutz an.

65 Die Erfindung des Klettbandes
1941 ging De Mestral im französischen Jura auf die Jagd. An seiner Kleidung und dem Fell seines Hundes blieben Kletten haften, und er fragte sich, wie das möglich war. Später untersuchte er eine Klette unter dem Mikroskop und fand heraus, dass sie aus winzigen Härchen bestand, die sich in die gleichermaßen winzigen Schlingen und Härchen von Textilien und Fell festsetzten. Daraufhin kam er auf die Idee, die Entdeckung für eine neue Art von Verschlüssen an Kleidungsstücken zu nutzen. De Mestral brauchte 8 Jahre, um das Problem zu lösen, wie man die winzigen Häkchen und Schlaufen auf einer Unterlage befestigen konnte. Er fand auch einen Weg, Velcro mit 50 Nylon-Häkchen und Schlaufen pro Quadratzentimeter mechanisch herzustellen und gründete schließlich eine Firma

66 Zur Erfindung des Holzschliffpapiers
Papier wurde seit dem Mittel­alter bis zum 19. Jahrhundert aufgrund einer alten chinesischen Erfindung aus Lumpen hergestellt. Um das Jahr 1840 las der Weber­meister Friedrich Gottlob Keller, dass die Papierindustrie in einen verzwei­felten Rohstoff­mangel gera­ten war. Nun, dachte er, habe ich nicht selbst gesehen, wie Wespen sich Nester bauen, die aussehen, als wären sie aus Papier? Und habe ich nicht selbst beobachtet, dass die Wespen dieses „Papier“ aus winzigen Holzfäserchen zusam­menkleben? Im Jahre 1845 konnte Keller an eine Papiermühle zu Alt-Chemnitz eine von ihm nach Wespenart herge­stellte Holzfasermasse liefern. Aus „Wespenpapier“ wurde dann erstmals das Frankenberger Kreisblatt gedruckt.