PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“

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1 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

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

3 Auch Spinnen können übers Wasser laufen
Eindellung der Wasseroberfläche

4 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

5 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.

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

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

8 Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert
Bionik ist Quatsch ?

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

10 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 !

11 Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
Oberflächenkraft Wasserläuferfuß Versuch mit Flüssigkeitslamelle Eingedellte Wasseroberfläche Gewichtskraft Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung

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

13 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

14 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

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

16 Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

17 Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

18 Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10 4

19 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

20 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

21 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

22 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

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

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

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

26 Trivial-Bionik 1

27 Trivial-Bionik 2

28 Trivial-Bionik 3

29 Trivial-Bionik 4

30 Trivial-Bionik 5

31 Trivial-Bionik 6

32 Trivial-Bionik 7

33 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

34 Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch diskutiert
50 μm Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch diskutiert

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

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

37 Dornzikaden an einem Rosenstamm

38 Interpretation der Formgebung einer Dornzikade als Optimierungsproblem

39 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

40 Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf ! Die Thailändische Langkopfzirpe

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

42 Kopf Rechte Flügelspitze Lonomia Motte Linke Flügelspitze

43 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

44 Foto: Ingo Rechenberg Wo ? Verborgen im Saharasand

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

46 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

47 Unimodale und multimodale Optimierung

48 unimodal multimodal

49 Multimodale Optimierung
in der Natur

50 Zwei Lösungen der Evolution
Komplexauge Linsenauge

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

52 Unimodale Optimierung
in der Natur

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

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

55 Beutelmensch

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

57 2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

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

59 Astragalus trigonus Blatt-Temperatur °C Bodentemperatur 70°C !

60 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,

61 Kalte Spiegelglasscheibe
Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

62 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

63 Restfeuchte im Ton

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

65 Vorbild Natur Nachbildung Technik

66 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

67 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

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