Bionik – von Leonardo bis ins 21. Jahrhundert 42. Seminar des BfR über Versuchstiere und Tierversuche , Berlin, 10. und 11. September 2013

Knut Braun, D.V.M., CEO Internationales Bionik-Zentrum, München/Saarbrücken

1. Na (ab 70er Jahre): „Lernen von der Natur für eigenständiges ingenieurmäßiges Gestalten“

2. VDI (1993) „Wissenschaftliche Disziplin befasst sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme.“

Market Pull – Top-Down

1. Problem definieren

2. in der Natur Analogien suchen

3. Vorbilder aus der Natur analysieren

4. mit Erkenntnissen aus der Natur Ideen für das zu lösende Problem suchen

Technology Push – Bottom-Up

1.  biol. Grundlagenforschung: Biomechanik + Funktionsmorphologie biol. Systeme

2. erkennen + beschreiben eines zu Grunde liegenden Prinzips

3. Abstraktion eines Prinzips; Loslösung vom biol. Vorbild, Übersetzen in nicht-fachspezi- fische Sprache

4. mögliche technische Anwendung suchen

5. in Kooperation mit Ingenieuren, Designern, Technikern usw. eine technische Anwen- dung entwickeln

Zur Vorgehensweise in der Bionik

Leonardos Entwurf eines Fallschirms ca. 1484

Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Universalgelehrter + der erste „Bioniker“

• frühe Arbeiten über Vogelflug • klassisches Werk „Sul volo degli uccelli“ (Florenz, 1505)

Sir George Cayley + die Entwicklung des Fallschirms (1829)

Wiesenbocksbart (Trapogon pratensis)

Wilhelm Bauer ( 1822 – 1875 ) und der eiserne Seehund

Wilhelm Bauer sucht während der Erhebung von Schleswig-Holstein gegen Dänemark 1849 ein Verfahren, um sich im Wasser unbemerkt dem Feind zu nähern. Inspirieren lässt er sich dabei vom laut-losen Abtauchen von Seehun-den

Der Klettverschluss von de Mestral, 1948

In the early 1940's, Swiss inventor George de Mestral went on a walk with his dog... Upon his return home, he noticed that his dog's coat and his pants were covered with cockleburrs. His inventor's curiosity led him to study the burrs under a microscope, where he discovered their natural hook-like shape. This was to become the basis for a unique, two-sided fastener - one side with stiff "hooks" like the burrs and the other side with the soft "loops" like the fabric of his pants. The result was VELCRO® brand hook and loop fasteners, named for the French words "velour" and "crochet."

Der Riblet-Effekt   Reif + Bechert seit 1972   1990 Testfolie von 3M   1992 erster Testflug A310

REM-Aufnahme der 3M Folie + von Schuppen des Mako © Dr. A. Wisser

Riblets auf dem Airbus A380-800

max. Startgewicht 560 t Treibstoffgewicht 204 t Nutzlast: 550 Passagiere 88 t Wandreibung: 50% des Gesamtwiderstands ca. 6% Verminderung der Wandreibung kann erreicht werden ca. 70% der Flugzeugoberfläche können beklebt werden 2% weniger Treibstoff werden verbraucht

1/3 der DOC werden durch Treibstoffkosten verursacht 0,7% geringere DOC außerdem 2% Treibstoff 4t Gewicht werden gespart 4,5% mehr Nutzlast

„Regentropfen bleiben auf gewissen Blättern kugel- rund und klar stehen, ohne zu zerfließen, welches wir wohl billig irgend einem ausgedünsteten Wesen zu- schreiben.“ J. W. von Goethe

Der Lotuseffekt®

Schmutz wird nur verlagert

Schmutz wird durch Wasser vollständig entfernt

Patent 1995 EP 0772514

Lotuseffekt-Anwendungen seit 1999 • Lotusan 1999 • Dachziegel (ERLUS) 2004 • Spezialgläser (FERRO) 2004 • Tegotop 105 2008 • TREND (Dr. Oetker) • Wheel protectant (Chlorox) 2010

Anwendungen in der Medizin

Klassisch: Stiel-Rohr-Verankerung, keine Orientierung am physiologischen Aufbau des Knochensystems

Bionische Endoprothese nach Copf

Der für die Tragfähigkeit entscheidende Spongiosaraum bleibt soweit erhalten, dass sich unter Ausnutzung der natür- lichen Regenerations- und Adaptionsfä- higkeit eine neu orientierte Spongiosa- struktur aufbauen kann. schnelles Verwachsen mit dem verbliebenen Knochen

Zecken als Lehrmeister für eine neue Dübelgeneration

Verankerung von Dübeln in Dämmplatten, Styropor, Gips-kartonplatten

„Die Bioniker“   gegründet 2010   Bionic Award 2010   Fischer BioFix 2011

Biologische Stoßdämpfer

Stachelschweine schützen sich bei Stürzen vor Verletzungen durch ihre Stacheln. Die Stacheln vereinen Biegefestigkeit, Dämpfungseigenschaften und Leichtbau. Sie sind in eine Schicht aus Hautmuskulatur eingebettet

Bambushalme sind Faserverbundwerk-stoffe. Leitbündel und Fasern sind in Parenchymgewebe eingebettet. An den Grenzflächen zum Parenchym entste-hen Scherspannungen, die zur Dämp-fung schwingender Halme beitragen.

Vom Igel zur bionischen Schockpalette

Das Problem: das Dämpfen von Stößen ist für den Transport empfindlicher Güter existenziell.

Mögliche Vorbilder aus der Natur:   Igel   Stachelschwein   Bambus

Wanderfalken als Vorbild für einen „Nurflügler“

Quelle: Institut für Mechanik und Fluiddynamik, TU Freiberg, 2013

Wanderfalken (Falco peregrinus) erreichen im Sturzflug eine Geschwindigkeit von bis zu 360 km pro Stunde und sind trotzdem in der Lage, kurz vor der Bodenberührung eine Vollbremsung zu vollziehen. Dabei entsteht eine Belastung für den Körper, die dem 8 – 9fachen des Eigengewichts entspricht.

Aufgrund der Untersuchungen der Wissenschaftler in Freiberg und Bonn sollen Flugzeugkonstrukteure neue Denkanstöße erhalten.

Einsatzmöglichkeiten der Bionik bei Airbus

Biologisches Prinzip: Vogelknochen Technische Umsetzung: Bionisch inspirierte Struktur (© Airbus)

Biologisches Prinzip: Bambus Technische Umsetzung: Bionische Halterung (© Airbus, 2013)

Swarming – Logistik lernt von Ameisen

• Ameisen kennzeichnen Wege via Pheromonen • Nachfolgende Tiere verstärken die Duftmarke + sichern so die optimale Route

• Verteil-Parallele Algorithmen + Optimierungsverfahren ermöglich- ten die Erstellung eines mathema- tischen Entscheidungsmodells • Pheromone werden durch gewich- tete Wahrscheinlichkeiten ersetzt • In konkretem Fall CO2 um 20%

Quelle: Prof. J. Homberger, HFT Stuttgart

“I think the biggest innovations of the 21st century will be at the intersection of biology and technology. A new era is beginning.”

Steve Jobs, 2011

„Bevor du ein Problem selber zu lösen ver-suchst, schau in der Natur nach, ob sich dort schon etwas entwickelt hat.“

Prof. Fredmund Malik

Hungrig auf neue Erkenntnisse der Bionik ???

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Kontakt: Science Park 2 Universität des Saarlandes D – 66123 Saarbrücken Tel. +49 681 959 – 3160 Fax +49 681 959 – 3169 knut.braun@bionikzentrum.de