Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik I Wundersame Technologien in der Natur Geschichte der Bionik und die Leistung der Evolution.

Präsentation zum Thema: "Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik I Wundersame Technologien in der Natur Geschichte der Bionik und die Leistung der Evolution."—  Präsentation transkript:

1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik I Wundersame Technologien in der Natur Geschichte der Bionik und die Leistung der Evolution

2 Ergebnisse der Evolution Zahl der Tier- und Pflanzenarten Beschrieben: 1,5 Millionen Geschätzt Σ = 15 Millionen

3

4 Ein Wunder der Evolution

5 Lassospinne in Cowboy-Manier Wundersame Technologien in der Natur 1

6 Tiefsee-Anglerfisch mit Leuchtköder Wundersame Technologien in der Natur 2

7 Wundersame Technologien in der Natur 3 Bombardierkäfer mit Flammenwerfer Wasserstoffperoxid + Hydrochinon + Enzym = Wasser + Sauerstoff

8 Wundersame Technologien in der Natur 4 Ein Schützenfisch zielt auf seine Beute

9 Die Spritzgurke, eine Wasserpistole Wundersame Technologien in der Natur 5

10 Wundersame Technologien in der Natur 6 Deckelblatt als Regenschutz Rutschbahn mit Nektar Wässrige Lösung mit Verdauungsenzymen Die Kannenpflanze

11 Wundersame Technologien in der Natur 7 Fangreuse der Köcherfliegen Larve

12 Wundersame Technologien in der Natur 8 Fallgruben des Ameisenlöwen

13 Scarabeus sacer bei der Rollarbeit Wundersame Technologien in der Natur 9

14 Wasserspinne in ihrer Taucherglocke Wundersame Technologien in der Natur 10

15 Pistolenkrebs mit Wasser-Colt Wundersame Technologien in der Natur 11

16 Jesus-Echse beim Überwasser-Sprint Wundersame Technologien in der Natur 12

17 Aus der Geschichte der Bionik

18 Der erste Bioniker Dädalus und Ikarus Dädalus 88 (23.4.1988 Flug 115 km von KretaSantorin)

19 Es ist schwer die Feder technisch zu kopieren ! Das Wunder der Vogelfeder Federast Federstrahl Bogenstrahl Federast Hakenstrahl Hakenfortsatz Schaft Spule Schaft Fahne

20 Die Fledermaus: Einfach zu kopierendes fliegendes Vorbild

21 Leonardo da Vinci Leonardo da Vinci (1452-1519) Entwürfe für eine Flugmaschine (1497 - 1500)

22 Der Avion III von C LÉMENT A DER macht nur kleine Hüpfer Kann nicht fliegen: Es fehlt das Höhenleitwerk zur Längs-Stabilisierung ! Vor der Prüfungskommission – 14. Oktober 1897 Clément Ader (1841-1925)

23 Auftriebswanderung am gewölbten Profil führt zur Instabilität des singulären Flügels S S S

24 Keine Auftriebswanderung am ebenen Profil S S S Ein ebenes Profil fliegt eigenstabil !

25 Friedrich Ahlborn: Die Stabilität der Flugorgane (1897) Hermann Dingler: Bewegung der pflanzlichen Flugorgane (1889) Zwei Bionik-Schriften

26 Flugsamen von Macrozanonia macrocarpa Profil ebene Platte: fliegt längsstabil ! Zur Not fliegt auch ein Scheunentor Papiertaube

27 3 m 1,5 m Gewicht des Scheunentors aus Fichtenholz: 54 kg 3 cm dick Gewicht des Scheunentors aus Balsaholz: 13,5 kg

28

29 ¼ ¾ 2 Bohrungen Gewicht 63 kg

30 Gleitzahl: 1 zu 5,0 Fluggeschwindigkeit: 15,9 m/s Sinkgeschwindigkeit: 3,2 m/s c a = 0,65 c w = 0,07 F = 9 m 2 M = 90 kg Gleitzahl 1 : 5

31 Flugsamen von Macrozanonia macrocarpa als Modell für ein Nurflügelflugzeug von Igo Etrich

32 Igo Etrich (1879-1967) Zanonia-Gleiter von Igo Etrich 1906 Etrich Taube Zanonia-Form Tauben-Schwanz

33 Otto Lilienthals systematische Studien zum Vogelflug Otto Lilienthal (1848-1896)

34 ... Wider Erwarten zeigte sich aber auch dann noch kein Nachteil, wenn die Flügelverdickung abgerundet an der Vorderkante lag, wie bei Fig. 43. Es hatte sogar den Anschein, als ob diese Form besonders günstige Luftwiderstandsverhältnisse besitze,... Aus Otto Lilienthal: Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Die Entdeckung der gerundeten Profilnase

35 Rekonstruktion des Derwitz-Apparats von Otto Lilienthal Im Sommer 1891 erreicht Lilienthal mit seinem Flugzeug Nr. 3 in Derwitz (Potsdam) Flugweiten bis zu 25 m. Text

36 Das Höhenleitwerk - Das A und O der Fliegekunst

37 Otto Lilienthal 16. August 1894 Der Gleiter imitiert die Flügelaufspreizung eines Storches Entwicklung des Flugzeugs: Größte bionische Pioniertat

38 Die Erfindung des Holzfaserpapiers durch Friedrich Gottlob Keller 1845 wurde das Frankenberger Kreisblatt auf Wespenpapier gedruckt Die aufmerksame Betrachtung der Natur war es, die dem Webermeister Gottfried Keller in Sachsen dazu führte, das geschliffene Holz zu erfinden. Wespen waren seine Lehrmeister, die ihn auf den Gedanken brachten, ähnlich wie diese zernagte Holzfasern zum Bau ihres Nestes verwandten, durch Schleifen von Holz gutes Papiermaterial zu erhalten. Aus dem Buch Reich der Erfindungen von 1901 Friedrich Gottlob Keller (1816-1895) Text

39 Große Klette (Arcticum lappa) Patent für einen technischen Klettverschluss 1951 George de Mestral (1907-1990 Velcro ® (velours und crochet ) Text

40 1801 stellte der Physiker Thomas Young die Hypothese auf, dass unser Auge alle Farbempfindungen aus drei Grundfarben zusammensetzt Monitor Thomas Young (1773-1829) Young-Helmholtz Dreifarbentheorie 400500600700 N o r m i e r t e E m p f i n d l i c h k e i t Wellenlänge / nm Auge Farbfilm 3-Chip Kamera

41 Dynamik der Cochlea MP3-Komprimierung MP3-Player Das Studium der mechanischen Eigenschaften der Ohrschnecke zeigt: Es gibt Tonereignisse, die sich psychoakustisch nicht wahrnehmen lassen. Sie werden in der MP3-Kodierung weggelassen. Erst diese Audio- kompression hat den MP3-Player möglich gemacht. MP3 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, Dr.-Ing. Bernhard Grill u. Dipl.-Ing. Harald Popp erhalten den Deutschen Zukunftspreis 2000 Anhebung der Hörschwelle bei einem 1kHz-Ton

42 Über weiche und harte Bionik

43 Victoria amazonica Der Gärtner und Hobbyarchitekt Sir Joseph Paxton nutzte seine bota- nischen Kenntnisse über das Bauprinzip der Victoria amazonica zum Entwurf des Crystal Palace für die Weltausstellung 1851 in London.

44 Der Londoner Kristallpalast von 1851 und das Blatt der Victoria amazonica

45 Radiolarien USA-Pavillon – Expo 67 Architekturbionik Buckminster Fuller

46 Architekturbionik Bionik Turm Bionik-Fassade

47 Weiche Bionik Bionik als Kreativitätstechnik Harte Bionik Angewandte Evolutionsbiologie

48 Winning Team A2-Modellflug- Weltmeisterschaft 1954 Beispiel für evolutionistische Bionik Ingo Rechenberg

49 Oskar Czepa (Weltmeister 1951) mit seinem A2-Flugmodell Zahnstocher Regeln für die A2-Klasse: Gewicht > 410 g Fläche 32-34 dm 2

50 Formel für die Sinkgeschwindigkeit eines Flugmodells: c a = Aufriebsbeiwert g = Erdbeschleunigung = Luftdichte G = Gewicht F = Flügelfläche c w = Widerstandsbeiwert Nicht zu beeinflussen Durch Bestimmungen gegeben Aerodynamische Güte

51 Flugmodell Zahnstocher mit Vogelprofil - A2-Weltmeister 1951 ! Für Vogel und A2-Modell gilt die gleiche Strömungsphysik Gleiche Reynoldszahl !

52 Harte Bionik: 2. Kapieren vor Kopieren 1. Evolutionsdenken

53 Die platte Naturkopie ist nicht das Ziel der Bionik ! Die bionische Lösung verlässt die Fabrik Bioniker

54 Schlagbewegung oder Rotation Mikro Air Vehikel (MAV) Vorbild Libelle

55 2. Weltkrieg: Ewak, eine Insel im Pazifik. Ureingeborene sehen in Flugzeugen des dortigen US-Stützpunktes Göttervögel. Sie bauen Imitate aus Stroh und schlagen Landebahnen in den Urwald. Auch unsere Kultur kopiert überlegene Techniken, nicht von Aliens, sondern von der Natur, auch dann, wenn es keinen Sinn macht und sie missverstanden wurden.

56 Käfer - Vorbild für moderne Sitze ???

57 Käfer - Vorbild nicht einstaubende Oberfläche

58 Foto: Klaus Fiedler Rätselhaftes Insekt mit Pinselschwanz aus dem brasilianischen Urwald Unverstanden und deshalb nicht technisch nachbaubar

59 L EONARDO DA V INCI Das A und O der Bionik: Kapieren vor Kopieren Der auf den Arbeitstisch L EONARDO s gebeamte PC ist ohne Wert

60 Raoul Heinrich Francé (1874 – 1943) und sein bionischer Salzstreuer (Patent Nr. 723 730) Evolutionsbiologische Aufgabe der Mohnkapsel: Den Samen möglichst weit zu streuen ! Die Biotechnik ist der Gipfel der Technik überhaupt Text

61 Fliegende Samen

62 Wie gut arbeitet die biologische Evolution ?

63 Evolution einer Augenlinse

64 Verformbarer Glaskörper als Evolutionsobjekt

65 Evolutionsstrategische Optimierung eines Freiträgers mit minimalem Gewicht

66 Evolutionsstrategische Optimierung einer Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

67 Bogenbrücke Fischbauchbrücke Brücken- Konstruktionen

68 Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514 Magisches Quadrat

69 Ende www.bionik.tu-berlin.de

70 Das Flugzeug 1 (noch ohne stabilisierenden Schwanz) dient nur für Stehübungen im Wind. Mit dem Flugzeug 2 werden Laufübungen gegen den Wind durchgeführt. Mit dem Flugzeug 3 führt Lilienthal Sprungübungen im Garten seiner Villa von einem 2 m hohen Sprungbrett durch. Der Schritt vom Sprung zum Flug findet schließlich in Derwitz bei Potsdam statt. Hier erreicht Lilienthal im Sommer 1891 mit dem Flugzeug 3 Flugweiten bis zu 25 m. Im Sommer 1893 wird dann mit dem Flugzeug 6 in den Rhinower Bergen bei Stölln bereits die Rekordweite von 250 m erreicht, die Lilienthal bis zu seinem tragischen Absturz am 9. August 1896 nicht mehr überbieten konnte. Lilienthal - der lange Weg zu Erfolg

71 Ich trat eines Morgens in mein Laboratorium, nachdenklich und mißmutig, denn ich war mit meinen Arbeiten wieder einmal stecken geblieben und konnte nicht weiter. Ich studierte um jene Zeit das Leben des Ackerbodens. Längst war festgestellt, daß die tote, schwarze Erde nicht tot sei, sondern durchsetzt und erfüllt von Myriaden kleinster Lebewesen, die alle einen bestimmten Einfluß auf das Gedeihen der Brotfrucht haben, Und es lag nahe, anzunehmen, daß es gelingen würde, vielfältige Frucht zu ernten, wenn es zuvor gelänge, die nützlichen Erdbewohner zu vermehren. Der einfachste Weg schien zu sein, den Boden mit ihnen zu impfen. Ganz gleichmäßig, jeden Quadratmillimeter mit einem Dutzend der kleinen Lebenskeime bestreuen. Das war die Aufgabe des Tages. Sie konnte ich nicht lösen, und darum war ich mißmutig und nachdenklich. Ich versuchte zuerst verschiedenes. Ich hatte schon Erde bereit, die reichlich die in Frage kommenden Kleinpflanzen enthielt. Ich schüttelte sie mit viel Wasser durch und begoß mein Versuchsfeld mit dieser Aufschwemmung aus einer kleinen Kanne. Dann untersuchte ich das Ergebnis; alles war ungleich verteilt. Ich versuchte, den Boden gleichmäßig zu überschwemmen. Es mißlang. Es wurde mir klar, man müsse die Impferde in einem halbtrockenen Zustand ganz gleichmäßig ausstreuen. Das sei der einzige Weg zum Erfolg......Am nächsten Morgen brachte ich Streuer mit. Mehrere Modelle, so wie ich sie auftreiben konnte. Ein gewöhnliches Salzfaß, wie es auf jedem Wirtstische steht. Einen Puderstreuer für Ärzte und kleine Kinder, einen Zerstäuber, wie man ihn als Retter der Nachtruhe vorsorglich auf die Reisen nach Osten mitnimmt. Dann ging es ans Versuchen. Auf Bogen weißen und schwarzen Papiers, die mit numerierten Quadraten bedeckt waren, wurde mein Material leicht ausgestreut und dann auf den Quadraten gezählt, wie viele Körnchen sich darauf befanden. Mit dem Zerstäuber ging es überhaupt nicht. Und Puderbüchse und Salzfaß streuten Reihen. Die Quadrate der unteren Reihe enthielten das Doppelte und Dreifache an Material, wie die der höheren Reihen, und ringsum gab es entweder weniger oder, wenn man dann nachhalf, wieder mehr davon, als man haben wollte. Da war mein Schiff festgefahren und blieb tagelang stecken, bis ich den richtigen Weg fand... Ein beiläufiger Einfall brachte die Wendung: Die am Anfang ganz bedeutungslos erscheinende Frage, wie denn die Natur das Ausstreuen besorge. Die Pflanzen sind darauf angewiesen, und zwar wie ein wenig Nachdenken sofort sagt, auf genau dasselbe gleichmäßige Ausstreuen, das auch ich anstrebte... Moose streuen ihre Sporen aus Kapseln in die Luft. Wenn sie nicht gleichmäßig ausgestreut werden, keimen zwei oder noch mehr dicht nebeneinander und machen sich dann in jeder Weise den Lebensraum streitig. Sofort sah ich ein, daß die Natur eine Lösung des meines Problems gefunden haben müsse. Ich brauchte sie nur nachzuahmen und war dann jeder Sorge enthoben... Und ich fand die Lösung in den Kapseln des Mohns. Jedermann kennt sie; jedermann weiß, daß die unter dem Deckel im Kreise angeordneten Löcher dazu dienen, die kleinen Mohnkörner auszustreuen, aber noch nie hat jemand daran gedacht, daß hier eine Erfindung der Pflanze gegeben sei, welche die unsrigen übertrifft. Ich weiß das deswegen so genau, weil ich es geprüft habe. Eine Mohnkapsel, gefüllt mit den Körnchen meiner Erde, streute sie viel gleichmäßiger aus, als es mir bis dahin gelungen war. Staunend, verwirrt, voll unbestimmter Freude stand ich am Anfang eines Weges. Mit einem kühnen Entschluß wollte ich Gewißheit haben. Ich zeichnete einen Streuer für Salz, für Puder und sonst medizinische Zwecke nach dem Modell der Mohnkapsel und meldete das als Erfindung zum Musterschutz an. Aus: Die Pflanze als Erfinder

72 1941 ging De Mestral im französischen Jura auf die Jagd. An seiner Kleidung und dem Fell seines Hundes blieben Kletten haften, und er fragte sich, wie das möglich war. Später untersuchte er eine Klette unter dem Mikroskop und fand heraus, dass sie aus winzigen Härchen bestand, die sich in die gleichermaßen winzigen Schlingen und Härchen von Textilien und Fell festsetzten. Daraufhin kam er auf die Idee, die Entdeckung für eine neue Art von Verschlüssen an Kleidungsstücken zu nutzen. De Mestral brauchte 8 Jahre, um das Problem zu lösen, wie man die winzigen Häkchen und Schlaufen auf einer Unterlage befestigen konnte. Er fand auch einen Weg, Velcro mit 50 Nylon-Häkchen und Schlaufen pro Quadratzentimeter mechanisch herzustellen und gründete schließlich eine Firma. Die Erfindung des Klettbandes

73 Papier wurde seit dem Mittelalter bis zum 19. Jahrhundert aufgrund einer alten chinesischen Erfindung aus Lumpen hergestellt. Um das Jahr 1840 las der Webermeister F RIEDRICH G OTTLOB K ELLER, dass die Papierindustrie in einen verzweifelten Rohstoffmangel geraten war. Nun, dachte er, habe ich nicht selbst gesehen, wie Wespen sich Nester bauen, die aussehen, als wären sie aus Papier? Und habe ich nicht selbst beobachtet, dass die Wespen dieses Papier aus winzigen Holzfäserchen zusammenkleben? Im Jahre 1845 konnte K ELLER an eine Papiermühle zu Alt-Chemnitz eine von ihm nach Wespenart hergestellte Holzfasermasse liefern. Aus Wespenpapier wurde dann erstmals das Frankenberger Kreisblatt gedruckt. Zur Erfindung des Holzschliffpapiers