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 Eindellung der Wasseroberfläche

W o z u ? Künstliche Wasserläufer Original Robostrider (MIT) Harbin University (China) Original W o z u ? Carnegie Mellon University M I T Künstliche Wasserläufer Carnegie Mellon University Carnegie Mellon University

Pressemitteilung AUTOMATISIERUNG IM MIKROBEREICH Transportmaschine IPA.FluidSorting hat Wasserläufer als Vorbild Mit Hilfe der Oberflächenspannung von Wasser lassen sich winzige Bauteile vereinzeln und zur Montagestation transportieren. Selbst Staubkörner könnten sortiert werden. Mikrozahnrad im Größenvergleich: Fraunhofer Forscher haben eine Maschine namens IPA.FluidSorting entwickelt, mit der sich selbst die kleinsten Teilchen vereinzeln und an den Montageplatz schwemmen lassen.

Superhydrophoben Nano-Rillen Wasserläufer: Beinhaare mit Superhydrophoben Nano-Rillen Cassie-Baxter-Effekt ! Nano-Rillen Xuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing 20 μm 200 nm

Entwurf einer Passagier-Wasserlauffahrzeugs 2 cm 20 m Biologisches Vorbild Technische Nachahmung 1000-fache Vergrößerung Entwurf einer Passagier-Wasserlauffahrzeugs

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 Versuch mit Flüssigkeitslamelle 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 nein 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 diskutiert 50 μm Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch diskutiert

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 Dornzikade 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 So steht es auf der Verpackung Holz Parkett Laminat Fußboden Biomimetik So tun als ob

Unimodale und multimodale Optimierung

unimodal multimodal

Multimodale Optimierung in der Natur

Zwei Lösungen der Evolution Komplexauge Linsenauge

Multimodalität der Augen-Evolution Das sind alles Lösungen, die einen Berggipfel „erklommen“ haben 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

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

Astragalus trigonus Blatt-Temperatur 35 - 40°C Bodentemperatur 70°C !

Kühlung von lebenden 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 Kühlung von lebenden Koloquintenblättern Lange O.L . (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147, 595-651

Kalte Spiegelglasscheibe Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

Restfeuchte im Ton

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

Vorbild Natur Nachbildung Technik

Tonkugel-Transpirationspumpe 9.Tag 8.Tag 7.Tag 6.Tag geerntet 5.Tag gesaugt 4.Tag 3.Tag Tonkugel-Transpirationspumpe 2.Tag Versuch in der Oase Tisserdmine 30. März bis 7. April 2013 1.Tag

Bionik-Pumpe mit Rückgewinnung der Kondensationswärme Nachgebildetes Pflanzenblatt Vakuumdämmung Solarabsorber Nachgebildete Spaltöffnungen Rückgewinnung der Kondensationswärme Pro Tag geerntetes Trinkwasser: Theoretisch bis zu 20 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche Kühles Bodenwasser Saugkerzen im Wüstenboden

Ende www.bionik.tu-berlin.de Treffen zum Praktikum Wedding Ackerstraße 76 1. Stock „Bionik“ Freitag 13 Februar 10 Uhr Ende www.bionik.tu-berlin.de