PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“ Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“ Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Wasserläufer (Gerris lacustris.) Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?

Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge B. Chan, D. Hu Wirbelbild der Fortbewegung Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge

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

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 !

Oberflächenkraft Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Gewichtskraft

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

y konst Reynoldszahl r m Strömungsmedium: Dichte Zähigkeit Kinematische Zähigkeit konst Reynoldszahl

Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

Flugmodell Zahnstocher Re = 8 ·10 4

Saalflugmodell 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 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

Die 7 Denkschritte in der Bionik 1 Biologisches Funktionsprinzip Fb 2 Technisches Funktionsprinzip Ft FuRaGü soll eine schwache Regel sein 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

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 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

Claus Mattheck Claus Mattheck Trivial-Bionik 8

Nachtrag: Zwei 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

å y y ) ( ® - y Minimum x Problem der Kurvenanpassung soll ist 2 ist

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 Flügelsptze Lonomia Motte Linke Flügelspitze

Blatt-Mimese eines Baumfrosches im peruanischen Regenwald

Verborgen im Saharasand Foto: Ingo Rechenberg Verborgen im Saharasand

Optimalkonstruktion Facettenauge

Konstruktion eines Facettenauges Stubenfliege

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):

Ende