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

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

Auch Spinnen können übers Wasser laufen

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

Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität

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

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

Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert Bionik ist Quatsch ?

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

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 !

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

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

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

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

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

Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

Flugmodell Zahnstocher Re = 8 ·10 4

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

Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

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

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

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

Rb = Flügelprofil Vogel Storch Rb Rb = Flügelprofil Vogel Adler Rt = Flügelprofil Flugzeug Flugzeug NACA 662-615 Rb ≠ Rt Rt Wegen Reynoldszahl Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik

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

Trivial-Bionik 1

Trivial-Bionik 2

Trivial-Bionik 3

Trivial-Bionik 4

Trivial-Bionik 5

Trivial-Bionik 6

Trivial-Bionik 7

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

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

Claus Mattheck Claus Mattheck Trivial-Bionik 10

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

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

Dornzikaden an einem Rosenstamm

Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem

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

Die Thailändische Langkopfzirpe Hier ist der Kopf ! Die Thailändische Langkopfzirpe

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

Kopf Rechte Flügelspitze Lonomia Motte Linke Flügelspitze

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

Foto: Ingo Rechenberg Wo ? Verborgen im Saharasand

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

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

Optimalkonstruktion Facettenauge

Konstruktion eines Facettenauges Stubenfliege

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

Unimodale und multimodale Optimierung

unimodal multimodal

Multimodale Optimierung in der Natur

Zwei Lösungen der Evolution Komplexauge Linsenauge

Multimodalität der Augen-Evolution

Unimodale Optimierung in der Natur

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

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

Beutelmensch

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

2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

Mittags: Lufttemperatur 45° C Boden 70° C

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

Kalte Spiegelglasscheibe Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

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, 595-651

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

Astragalus trigonus

Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

Restfeuchte im Ton

Vorbild Natur Nachbildung Technik

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

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