Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“

Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik

Die 7 Denkschritte der Bionik

Nachträge

Wasserläufer (Gerris lacustris.)

Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?

1,5 m/s

Auch Spinnen können übers Wasser laufen

Robostrider (MIT)

Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge

Wirbelbild der Fortbewegung

B. Chan, D. Hu

Original

Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität

Wasserläufer

Beinhaare mit Nano-Rillen

Nano-Rillen

200 nm20 μmXuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing

2 cm

20 m

Biologisches Vorbild Technische Nachahmung

Entwurf einer Wasserlaufmaschine

Bionik ist Quatsch ?

Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert

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 !

oKoK

GK

Oberflächenkraft

Gewichtskraft Zahl-Eötvös 23

OG

gg

KK

Wasserläuferfuß

m/N07,0Wasser

Eingedellte Wasseroberfläche

Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung

Dynamische Ähnlichkeitskennzahlen:

Cauchy-Zahl/

CaEv (Trägheitskräfte – Elastische Kräfte)

Froude-Zahl gv2

Fr (Trägheitskräfte – Gewichtskräfte)

Eötvös-Zahl 2

Eo g (Gewichtkräfte – Oberflächenspannung)

Reynolds-Zahl /Re v (Trägheitskräfte – Reibungskräfte)

(Trägheitskräfte – Oberflächenspannung)Weber-Zahl

2We v

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

l2

l

l1

v rvmK2Träg

FyvK d

dReib

)( 22

1Reib vK

/1 121

ReibTräg

v

KK

Konstant bei geometrischer

Ähnlichkeit v

KK

ReibTrägRe

Reynoldszahl

Strömungsmedium:

Dichte

Zähigkeit

y

v = 0

Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl

wasser = 1·10-6 m2/s

luft = 15·10-6 m2/s

1

232

Träg)(

vK

Zentripetal-Kraft

Newtonsche Schubspannung

Kinematische Zähigkeit

Strömungsteilchen

Grö

ße

Strömungsphysik (Reynoldszahl)

Andere Strömungsphysikandere Lösungen !

Federflügler 0,25 mm

Libelle

Airbus 380

Verkehrsflugzeug B-747

Re = 2 ·10

8

Segelflugzeug ASH-25

Re = 2 ·10

6

Flugmodell Zahnstocher

Re = 8 ·10

4

Saalflugmodell

Re = 4 ·10

3Mikro 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.

Vogel Weißstorch

Re = 1 ·10

5

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

Verkehrsflugzeug

Segelflugzeug

A2-Flugmodell

Saalflugmodell

ab

cd

a Adlerb Bussardc Habichtd Sperber

ReReynoldszahl

und Flügelprofil

Die unterschiedliche Strömungsphysik führt zu unterschiedlichen optimalen Flügelprofilen

Die 7 Denkschritte in der Bionik

2

3

4

5

6

7

1

Nutzung der evolutiven Lösung

Biologisches Funktionsprinzip Fb

stopp

stopp

stopp

ja

ja

ja

nein

nein

nein

Fb ähnlich Ft ?

Technisches Funktionsprinzip Ft

Biologische Randbedingungen Rb

Technische Randbedingungen Rt

Rb ähnlich Rt ?

Gb ähnlich Gt ?

Biologisches Gütekriterium Gb

Technisches Gütekriterium Gt

FuRaGü soll eine

schwache Regel sein

Man sollte bei einer bionischen Innovation prüfen, ob wirklich eine Evolutions-Leistung in die Technik übertragen wurde

Fb = Schmetterlingsschuppen

Ft = Dachziegel

Pseudo-Bionik:

Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik

Fb Ft

Fb ≠ Ft

Rb = Flügelprofil Vogel

Rt = Flügelprofil Flugzeug

Pseudo-Bionik:

Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik

Rb

Rt

Rb ≠ RtNACA 662-615

Storch

Adler

Flugzeug

Wegen Reynoldszahl

Gb = Mohnkapsel

Gt = Salzstreuer

Pseudo-Bionik:

Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik

Gb Gt

Gb ≠ Gt

Trivial-Bionik 1

Trivial-Bionik 2

Trivial-Bionik 3

Trivial-Bionik 4

Trivial-Bionik 5

Trivial-Bionik 6

Trivial-Bionik 7

Trivial-Bionik 8

Schiff-Bugwulst

Delfin-Schnauze

Die Unterwassernase erzeugtein zweites Wellensystem,das die Bugwelle durch Interferenz verkleinert.

Kieselalge Autofelge

Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten

50 μm

Trivial-Bionik 10

Clau

s M

atth

eck

Clau

s M

atth

eck

1. Nachtrag:

Weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution

Imitation von

Tieren Zoomimese

Pflanzen oder Pflanzenteilen Phytomimese

Leblosen Gegenständen Allomimese

Mimese

Dornzikaden an einem Rosenstamm

Interpretation der Formgebung einer Dorne als

Optimierungsproblem

x

Zikade

Dorn

Minimum2istsoll )(

xyy

Problem der Kurvenanpassung

soll

yistyUr-

Dieses

Optimierungsproblem hat

die Evolution gelöst !

Die Thailändische Langkopfzirpe

Hier ist der Kopf !

Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter

(Phalera bucephala)

Mondvogel

Lonomia Motte

Kopf Rechte Flügelspitze

Linke Flügelspitze

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.

Verborgen im Saharasand

Foto

: Ing

o R

eche

nber

g

Wo ?

Biomimetik (modern) = Bionik ?

Zum Schein so tun als ob …

Äußerlichkeit nachahmen

Täuschen

Quadkopter

Biomimetik Design

Holz Parkett

Laminat Fußboden

Biomimeti

k So tun als ob

Optimalkonstruktion Facettenauge

Konstruktion eines Facettenauges

Stubenfliege

=1,22 d

/2

Rayleighsches Kriterium

Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel 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 nicht größer als /2 sein (Rayleighsches Kriterium):

Min

2/2D

d

2 d 22,12

Optimalkonstruktion Facettenauge

Beugung

D

/2

A B

Zwergwespen

TropischeRiesenbienen

1 2 3

30

40

20

10

d m

D mm1/2

=2,44 d

d

=4 dD

dopt= 0,61 D

Konstruktive Grenze

OptischeGrenze

Je mehr Facetten umso feiner die Auflösung. d klein

1.

2. Aber bei d klein wird Licht gebeugt, und das Abbild wird wieder unscharf

Es gibt einen optimalen Kompromiss

Unimodale und multimodale Optimierung

unimodal

multimodal

Multimodale Optimierung in der Natur

Komplexauge

Linsenauge

Zwei Lösungen der Evolution

KomplexaugenKameraaugen

Einfache Lichtwahrnehmung

Vorstufen derKomplexaugen

Augen mitengem Loch

Becheraugen mit Pigment

Becheraugen mitreflektierendem Pigment

Super-positions-augen

Augen mitengem Loch

Pfeilschwanz-krebs

Zwischenformen

Appositions-augenNeurale

Superposition

Augen mitGlaskörper

Augen mitSpiegeln

Nautilus

Linsenaugeder Kopffüßer

FischaugenSpinnen

Tapetum-Bergrücken

RuderfußkrebseDetritus

mit Hornhaut ausgestatteteAugen der Landwirbeltiere

Multimodalität der Augen-Evolution

Unimodale Optimierung in der Natur

BeutelmausDie parallele Maus in der Evolution

Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)

Beuteligel

Beutelratte Beutelhund

Beutelmaulwurf

Unimodale Evolution (Optimierung)

Beutelbär

Australien

In

Beutelmensch

Sandfisch

Sandschleiche

Sandboa

Parallelevolution - Grundlage der Bionik

2. Nachtrag:

Wasserpumpe ohne beweglich Teile

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

Lange O.L . (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147, 595-651

7.7.5660

55

45

50

30

10

40

35

12 14 16 18 20 h

T em

pera

tur [

C]

°

Blatt abgeschnitten

Temperatur unverletztes Blatt

Temperatur abgeschnittenes Blatt

H2O

H2O

Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe

Spaltöffnung

9 m

WasserhäutchenOberflächenspannung

150 m

Astragalus trigonus

Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

Restfeuchte im Ton

Vorbild Natur

Nachbildung Technik

Pro Tag geerntetes Reinstwasser: Bis zu 30 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche

Rückgewinnung der KondensationswärmeNachgebildete

Spaltöffnungen

Nachgebildetes Pflanzenblatt

Aus dem Wüstenboden

Bionik-Pumpe mit Rückgewinnung der Kondensationswärme

VakuumdämmungSolarabsorber

Spezialglas

Endewww.bionik.tu-berlin.de

Treffen zum PraktikumWeddingAckerstraße 76 1. Stock „Bionik“Freitag 10 Uhr