Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Berg- und Talbahnen in der Natur Bolzenflug, Schwimmspringen und Karussellsegeln Weiterverwendung.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Berg- und Talbahnen in der Natur Bolzenflug, Schwimmspringen und Karussellsegeln Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Bolzenflug einer Meise

3 = Flügel-Auftriebsbeiwert = Profil-Widerstandsbeiwert Kräfte an einem Modell-Vogel = Rumpf-Widerstandsbeiwert mit Siehe 8. Vorlesung ! Antrieb

4 für mittleren Horizontalflug Steigphase Sturzphase Zeitliches Mittel Mittel A W W 1 - a T T a v T () 1 a - m m a

5 Minimum Liefert die unsinnige Lösung: Das in der Luft still stehende Flugzeug (wegen der unendlich großen Fläche möglich) hat den geringsten Widerstand. Betrachtung der halben Aufgabe: v sei vorgegeben.

6 Minimum Nicht frei ! Abhebegeschwindigkeit eines Vogels 5,80,05 für für bestes Gleiten opt a c wP c Notwendige Flügelfläche, um überhaupt in die Luft zu kommen ! Vernünftige Vorgabe von v

7 Minimum Liefert die unsinnige Lösung: Das in der Luft still stehende Flugzeug (wegen der unendlich großen Fläche möglich) hat den geringsten Widerstand. Warum muss der Vogel überhaupt fliegen, d. h. seinen Ort wechseln ? Die genauere Betrachtung: ?

8 Zur Evolution der Mobilität in der Natur Es beginnt mit der passiven Mobilität: Pflanzen schicken ihre Samen durch abenteuerliche Konstrukte auf die Reise. Erster Vorteil: Am fer- neren Standort ist der Boden fruchtbarer. Zweiter Vorteil: Das Erbgut wird weitläufiger durchmischt. "Wenn der Prophet nicht zum Berge kommt, dann muss der Berg eben zum Propheten kommen - Das ist der Ausgangspunkt für die Entwick- lung der aktiven Mobilität. Tiere müssen unter Energieaufwand Nah- rung suchen. Die gebratenen Tauben fliegen ihnen nicht in den Mund. Modell

9 Benzin-Hamstern auf der Zapfstraße Ein Modell für den Zweck der Mobilität von Lebewesen Benzinverbrauch bei 50 km / h: 2 /100 km Benzinverbrauch bei 100 km / h: 5 /100 km Benzinverbrauch bei 200 km / h: 10 /100 km Ein Autofahrer fährt eine wundersame Straße entlang. Alle 10 km kann er kostenlos 1 Benzin tanken. Bei welcher Geschwindigkeit hamstert er das meiste Benzin pro Stunde ?

10 Gewinn [ /h] = ( Tanken [ /km] – Verbrauch [ /km] ) Geschwindigkeit [km/h] Benzinverbrauch bei 50 km / h: 2 /100 km Benzinverbrauch bei 100 km / h: 5 /100 km Benzinverbrauch bei 200 km / h: 10 /100 km Analoge biologische Gewinnfunktion Gewinn [kJ/h] = ( Nahrung [kJ /km] – Flugarbeit [kJ /km] ) Geschwindigkeit [km/h] G = (0,1 – 0,02) · 50 = 4 /h G = (0,1 – 0,05) · 100 = 5 /h G = (0,1 – 0,10) · 200 = 0 /h Zur Q -Minimierung: www.bionik.tu-berlin.de/institut/skript/bibu6.pdf

11 Schwimmspringen in der Natur Der Delfinstil

12 Spiel oder Energieminimierung ?

13 Steinwurf Über- und Unterwasserbahn eines Delfins

14 Annahme: Mit Annahme Kreisbahn ! Der Delfin muss in der Unterwasserphase den Eintauchwinkel in den Spiegelwert ( ) umdrehen.

15 Weggewinn des Schwimm-Sprung-Stils der Delfine w = Wasserweg l = Luftweg

16 Delfine im Delfinstil

17 Pinguin im Delfinstil Foto: Ingo Rechenberg

18 Der Flug des Albatros

19 Foto: Ingo Rechenberg Albatros bei der unteren Kehrtwende

20 Albatros im dynamischen Segelflug Scherprofil des Windes

21 v v v+ 2 w v+ w Zum Flug des Albatros Das Eisschollen- Bob-Modell v+ w Äußerer Betrachter schwarz Innerer Betrachter grün

22 Zwei Denkmodelle zum dynamischen Segelflug Kugelschleudern Jo-Jo-Spiel

23 Prof. Dr. Gottfried Sachs Dynamischer Segelflug

24 Mikro Flug Vehikel MAV (Micro Air Vehicle)

25 … An diesen Bienen fiel zunächst die Größe auf. … Sie hatten etwa den Umfang einer Walnuss, die noch in der grünen Schale stekt. … Zapparoni, dieser Teufelskerl, hatte wieder einmal der Natur ins Handwerk gepfuscht… Wahrscheinlich saß er dort behaglich bei seinen Büchern und verfolgte zuweilen auf dem Bildschirm, was ihm die Glasbiene sendete. Roman (1957 ) Rekonstruktion von Jüngers Glasbiene

26 Das MFI-Projekt der Universität Berkely Micromechanical Flying Insect Ron Fearing

27 MAV mit Bioantrieb Fliege

28 Bienenelfe ( Mellisuga helenae ) 5 cm 2 Gramm MAV - Vorbild Vogel

29 Mikroflugvehikel

30 MAV - Vorbild Fledermaus

31 MicroBat (Caltech, USA) Größe 20 cm, Gewicht 11,5 g Flugzeit 6 min 17 s (Weltrekord im Nov. 2001)

32 MAV - Vorbild Libelle

33 Künstliche Libelle von Erich von Holst (1940) Spannweite 53 cm Gewicht 12 g Gu = Gummimotor R = Fadenrolle W = Wickelplatte K = Kurbel P = Pleuelstange

34 Mikroflugvehikel

35 oder Die offene Frage Rotative Bewegung MAV (Firma Epson) Flatterbewegung MAV (US Studenten) In der Biologie wäre eine Gewebeverbindung zwischen Rad und Achse notwendig

36 Flattern als Ersatz der Rotation Beginn Abschlag Beginn Aufschlag

37 MAVLibelle

38 Abstrahiertes Bild der Flatterbewegung

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41

42 Schwebeflug

43 Flügelbahn einer schwebenden Fliege Experiment Michael Dickinson

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

45 Langsamflug-/ Indoor-MAVs können im ruhenden Luftraum von Hallen, Höhlen, Tunneln und Kanälen operieren. Im Freiland ist ihr Einsatz nur bei beruhigter Atmosphäre gegeben: Verfolgung chemischer Konzentrationsgradienten in Innenräumen (Sprengstoffschnüffler, Lokalisierung von Gaslecks) Aeromagnetische und aeroelektrische Feldmessungen zur Lagerstätten-Exploration und zur archäologischen Prospektion durch scannende MAVs bzw. einen MAV-Schwarm Ebenes Abscannen von Landstrichen zur Detektion von Minen mit autonom geregelten tiefstfliegenden MAVs in lateraler Schwarmordnung Folgen des Duftgradienten einer geschädigten Flora (z. B. Grünblattduft der Kartoffelpflanze bei Kartoffelkäferbefall) und singuläre Schädlings-Elimination durch MAVs Detektion von Lawinen-Verschütteten durch ein auf neuronale Aktivität ansprechendes hochsen- sibles adaptives Antennenarray mit verteilten MAVs (MAV-Schwarm) Detektion kleinster Geräuschquellen (z. B. Klopfgeräusche) durch ein von einem MAV-Schwarm gebildetes adaptives Mikrofonarray (akustische Kamera) Transport und Absetzen von e-Grains durch MAVs in Sondereinsätzen, z. B. bei der Terroristen- bekämpfung Optische Inspektion exotischer Areale (z. B. Abwasserkanäle) und undefinierbarer Gegenstände durch MAVs mit Videokamera im Normal- und Infrarotbereich Autonomes Durchfliegen von Waldregionen mit Kamera-MAVs in lateraler Schwarmordnung auf der polizeilichen Suche nach Verbrechensopfern

46 MAV-Erkundung in den Dünen

47 NASA-Studie: Intelligent Organic Aicraft Das BATS Programm ist ein NASA Langley Forschungsprogramm, an dem das Morpheus Lab als Partner beteiligt ist. Die Bemühungen zielen auf die Entwicklung des ersten Fluggeräts ab, das ähnlich biologischer Organismen vollständig aus verteilten Systemen konstruiert ist. Der organische Ornithopter wird aus integrierten und verteilten Schichten aktiver Materialien (d. h. Muskeln), verteilten sensorischen Schichten (d. h. Nerven) und einem verteilten Energiespeicher und Energieversorgungssystem [Anm.: MEMS Mikro-Turbinen, -Generatoren und -Pumpen] bestehen. Das wird ähnlich wie bei biologischen Organismen sein, die vollintegrierte verteilte Funktionssysteme besitzen. Das Fluggerät wird autonom fliegen, was Sinnesempfindungen und intelligente Algorithmen zur Steuerung erfordert. Biomechanical Aerial Technology System (BATS)

48 MAV Vorführung

49 MAV Vorführung

50 MAV Vorführung

51 Ende www.bionik.tu-berlin.de