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 Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit
Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl Strömungsmedium: Dichte r Zähigkeit m Kinematische Zähigkeit y v = 0 n wasser = 1·10-6 m2/s n luft = 15·10-6 m2/s Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit 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 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 Reynoldszahl und Flügelprofil 10 7 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 2 Technisches Funktionsprinzip Ft schwache Regel sein FuRaGü soll eine stopp Fb ähnlich Ft ? nein ja 3 Biologische Randbedingungen Rb 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

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 Blatt-Mimese eines Baumfrosches
im peruanischen Regenwald

45 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

46 Foto: Ingo Rechenberg Wo ? Verborgen im Saharasand

47 Optimalkonstruktion Facettenauge

48 Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege

49 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): Optische Grenze Konstruktive Grenze

50 Unimodale und multimodale Optimierung

51 unimodal multimodal

52 Multimodale Optimierung
in der Natur

53 Zwei Lösungen der Evolution
Komplexauge Linsenauge

54 Multimodalität der Augen-Evolution

55 Unimodale Optimierung
in der Natur

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

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

58 Beutelmensch

59 Das „bessere Auge“ des Octopus
Octopus: Nerven hinter der Netzhaut Wirbeltier: Nerven vor der Netzhaut (Fehlkonstruktion)

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

61 2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

62 Kühlung ? 70° C

63 Mittags: Lufttemperatur 45° C
Boden 70° C

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

65 Kalte Spiegelglasscheibe
Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

66 ° Transpirationskühlung von Koloquintenblättern ] C [ r u t a r e p m
60 ] 55 C [ r 50 u t a r e 45 p m e 40 T 35 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,

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

68 Transpirationsrate (Wüste Saudi Arabien): 0,13 – 0,17 g m-2 s-1
= 0,47 - 0,61 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde Transpirationsrate unter Wärmestress: 0,6 g m-2 s-1 = 2,2 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde Transparente Hülle Koloquintenblatt Althawadi A. M. and Grace J. (1986). Water use by the desert cucurbit Citrullus colocynthis. Oecologia (Berlin) 70, 475 – 489

69 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

70 BionischeTranspirationspumpe Primitiver Nachbau
Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm

71 Eine Eiche mit 12 m Kronendurchmesser verdunstet pro Tag:
400 Liter Wasser !

72 Eine „Wüsteneiche“ mit 12m Kronendurchmesser würde unter Wärmestress pro Tag
2500 Liter Wasser transpirieren Transparenter Ballon

73 Bionik-Pumpe 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

74 Astragalus trigonus

75 Restfeuchte im Ton

76 Vorbild Natur Nachbildung Technik

77 Ende