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

Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl Strömungsmedium: Dichte r Zähigkeit m Kinematische Zähigkeit y v = 0 n wasser = 1·10-6 m2/s n luft = 15·10-6 m2/s Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit 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

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 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 schwache Regel sein FuRaGü soll eine 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 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

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

Blatt-Mimese eines Baumfrosches im peruanischen Regenwald

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

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): 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

Das „bessere Auge“ des Octopus Octopus: Nerven hinter der Netzhaut Wirbeltier: Nerven vor der Netzhaut (Fehlkonstruktion)

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

2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

Kühlung ? 70° C

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 ] C [ r u t a r e p m 7.7.1956 60 ] 55 C ° [ r 50 u t a r e 45 p m e 40 T 35 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

Transpirationsrate (Wüste Saudi Arabien): 0,13 – 0,17 g m-2 s-1 = 0,47 - 0,61 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde Transpirationsrate unter Wärmestress: 0,6 g m-2 s-1 = 2,2 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde Transparente Hülle Koloquintenblatt Althawadi A. M. and Grace J. (1986). Water use by the desert cucurbit Citrullus colocynthis. Oecologia (Berlin) 70, 475 – 489

Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

BionischeTranspirationspumpe Primitiver Nachbau Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm

Eine Eiche mit 12 m Kronendurchmesser verdunstet pro Tag: 400 Liter Wasser !

Eine „Wüsteneiche“ mit 12m Kronendurchmesser würde unter Wärmestress pro Tag 2500 Liter Wasser transpirieren Transparenter Ballon

Bionik-Pumpe 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

Astragalus trigonus

Restfeuchte im Ton

Vorbild Natur Nachbildung Technik

Ende www.bionik.tu-berlin.de