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

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

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

3 Auch Spinnen können übers Wasser laufen

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

5 Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität

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

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

8 Bionik ist Quatsch ? Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert

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

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

13 Abbesche ZahlAbbesche Zahl (V) Archimedes-ZahlArchimedes-Zahl (Ar) Arrhenius-ZahlArrhenius-Zahl (γ) Atwood-ZahlAtwood-Zahl (At) BegasungszahlBegasungszahl (NB) Biot-ZahlBiot-Zahl (Bi) Bodenstein-ZahlBodenstein-Zahl (Bo) Bond-ZahlBond-Zahl (Bo) Brinkmann-ZahlBrinkmann-Zahl (Br) Cauchy-ZahlCauchy-Zahl (Ca) Colburn-ZahlColburn-Zahl (J) Damköhler-ZahlDamköhler-Zahl (Da) Dean-ZahlDean-Zahl (De) Deborah-ZahlDeborah-Zahl (De) Eckert-ZahlEckert-Zahl (Ec) Ekman-ZahlEkman-Zahl (Ek) Elsasser-Zahl Eötvös-ZahlEötvös-Zahl (Eo) Ericksen-ZahlEricksen-Zahl (Er) Euler-ZahlEuler-Zahl (Eu) Fourier-ZahlFourier-Zahl (Fo) Froude-ZahlFroude-Zahl (Fr) Galilei-ZahlGalilei-Zahl (Ga) Graetz-ZahlGraetz-Zahl (Gz) Grashof-ZahlGrashof-Zahl (Gr) Hagen-ZahlHagen-Zahl (Hg) Hatta-ZahlHatta-Zahl (Ha) Helmholtz-ZahlHelmholtz-Zahl (He) Jakob-ZahlJakob-Zahl (Ja) Kapillarzahl Karlovitz-ZahlKarlovitz-Zahl (Ka) Kavitationszahl Keulegan-Carpenter-ZahlKeulegan-Carpenter-Zahl (KC) Knudsen-ZahlKnudsen-Zahl (Kn) Laplace-ZahlLaplace-Zahl (La) Lewis-ZahlLewis-Zahl (Le) Ljascenko-ZahlLjascenko-Zahl (Lj) Mach-ZahlMach-Zahl (Ma) Marangoni-ZahlMarangoni-Zahl (Mg) Markstein-Zahl Morton-ZahlMorton-Zahl (Mo) Nahme-ZahlNahme-Zahl (Na) (auch Griffith Zahl) Newton-ZahlNewton-Zahl (Ne) Nusselt-ZahlNusselt-Zahl (Nu) Ohnesorge-ZahlOhnesorge-Zahl (Oh) Péclet-ZahlPéclet-Zahl (Pe) PhasenübergangszahlPhasenübergangszahl (Ph) Prater-ZahlPrater-Zahl (β) Prandtl-ZahlPrandtl-Zahl (Pr) Rayleigh-ZahlRayleigh-Zahl (Ra) Reynolds-ZahlReynolds-Zahl (Re) Richardson-Zahl Rossby-ZahlRossby-Zahl (Ro) Schmidt-ZahlSchmidt-Zahl (Sc) Sherwood-ZahlSherwood-Zahl (Sh) SiedekennzahlSiedekennzahl (Bo, boiling number) Stanton-ZahlStanton-Zahl (St) Stefan-ZahlStefan-Zahl (Ste, Kehrwert von Ph) Stokes-ZahlStokes-Zahl (St) Strouhal-ZahlStrouhal-Zahl (Sr) Taylor-ZahlTaylor-Zahl (Ta) Thiele-ModulThiele-Modul (φ) Thring-Zahl Weber-ZahlWeber-Zahl (We) Weisz-ModulWeisz-Modul (Φ) Weissenberg-ZahlWeissenberg-Zahl (Ws) Ähnlichkeitskennzahlen im Internet

14 Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Reynoldszahl Strömungsmedium: Dichte Zähigkeit   y v = 0 Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl wasser = 1·10 -6 m 2 /s luft = 15·10 -6 m 2 /s Zentripetal- Kraft Newtonsche Schubspannung Kinematische Zähigkeit Strömungsteilchen

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

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 Re = 4 ·10 3 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.

20 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

21 Verkehrsflugzeug Segelflugzeug A2-Flugmodell Saalflugmodell a b c d a Adler b Bussard c Habicht d Sperber Re Reynoldszahl und Flügelprofil Die unterschiedliche Strömungsphysik führt zu unterschiedlichen optimalen Flügelprofilen

22 Die 7 Denkschritte in der Bionik Nutzung der evolutiven Lösung Biologisches Funktionsprinzip F b stopp ja nein F b ähnlich F t ? Technisches Funktionsprinzip F t Biologische Randbedingungen R b Technische Randbedingungen R t R b ähnlich R t ? G b ähnlich G t ? Biologisches Gütekriterium G b Technisches Gütekriterium G t FuRaGü soll eine schwache Regel sein Man sollte bei einer bionischen Innovation prüfen, ob wirklich eine Evolutions-Leistung in die Technik übertragen wurde

23 F b = Schmetterlingsschuppen F t = Dachziegel Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik FbFb FtFt F b ≠ F t

24 R b = Flügelprofil Vogel R t = Flügelprofil Flugzeug Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik RbRb RtRt R b ≠ R t NACA Storch Adler Flugzeug Wegen Reynoldszahl

25 G b = Mohnkapsel G t = Salzstreuer Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik GbGb GtGt G b ≠ G t

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

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

35 Trivial-Bionik 10 Claus Mattheck

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

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

38 Dornzikaden an einem Rosenstamm

39 Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem

40 Minimum 2 istsoll )(    x yy Problem der Kurvenanpassung soll y ist y Ur- Dieses Optimierungsproblem hat die Evolution gelöst !

41 Die Thailändische Langkopfzirpe Hier ist der Kopf !

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

43 Lonomia Motte Kopf Rechte Flügelspitze 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.

45 Verborgen im Saharasand Foto: Ingo Rechenberg Wo ?

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

47 Quadkopter Biomimetik Design Holz ParkettLaminat Fußboden Biomimetik So tun als ob

48 Optimalkonstruktion Facettenauge

49 Konstruktion eines Facettenauges Stubenfliege

50 Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel  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  nicht größer als   /2 sein (Rayleighsches Kriterium): Optimalkonstruktion Facettenauge Konstruktive Grenze Optische Grenze Je mehr Facetten umso feiner die Auflösung. d klein Aber bei d klein wird Licht gebeugt, und das Abbild wird wieder unscharf Es gibt einen optimalen Kompromiss

51 Unimodale und multimodale Optimierung

52 unimodal multimodal

53 Multimodale Optimierung in der Natur

54 Komplexauge Linsenauge Zwei Lösungen der Evolution

55 Multimodalität der Augen-Evolution

56 Unimodale Optimierung in der Natur

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

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

59 Beutelmensch

60 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 Lange O.L. (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147, h T e m p e r a t u r [ C ] ° Blatt abgeschnitten Temperatur unverletztes Blatt Temperatur abgeschnittenes Blatt

66 H2OH2O H2OH2O Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe Spaltöffnung 9 m Wasserhäutchen Oberflächenspannung 150 m

67 Astragalus trigonus

68 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

69 Restfeuchte im Ton

70 Vorbild Natur Nachbildung Technik

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

72 Ende Treffen zum Praktikum Wedding Ackerstraße Stock „Bionik“ Freitag 10 Uhr


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