TUM für Bionik · 2. 1. Grußwort. Bionik ist die Übernahme biologischer Bauprinzipien und...
14
Bionik TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
Transcript of TUM für Bionik · 2. 1. Grußwort. Bionik ist die Übernahme biologischer Bauprinzipien und...
26 27
Bionik
TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
2 1
Grußwort
Bionik ist die Übernahme biologischer Bauprinzipien und Strategien für die Gestaltung technischer Produkte und Abläufe. Es ist aber auch eine Sichtweise, nämlich mit der Verzahnung biologischer Erkenntnisse und ingenieurwissenschaft-licher Forschung eine neue, umwelt-freundlichere und biologieorientierte Technik zu schaffen. Dies erfordert Forschung und Entwicklung auf beiden Seiten, aber insbesondere auch die Nutzung vorhandenen und neuen Wissens im Sinne ingenieurwissen-schaftlicher Umsetzung.
Bionische Umsetzung kann nicht eine 1:1–Umsetzung biologischer Erkennt-nisse sein, jedenfalls nicht in der Regel. Die Biologie hat im Verlauf einer Jahr-millionen dauernden Evolution hervor-ragende Systeme mit ebenso außer-gewöhnlichen Komponenten geschaffen. Vieles ist dabei der heute existierenden Technologie weit überlegen. Vieles hat aber auch die Technik zu bieten, etwa die Möglichkeiten solcher fundamentalen Artefakte wie Rad und Silizium. Es wird bei der Bionik also darauf ankommen, überzeugende biologische Konzepte und Prinzipien mit ebenso überzeugenden Technologien zu etwas Neuem zu integrieren. Von Interesse sind dabei vorrangig die hinter den biologischen Systemen stehenden Auslegungs- prinzipien und Organisationsaspekte.
Bionik ist in besonderem Maße inter-disziplinär und umfasst alle Gebiete der Biologie, der Medizin, der Mathematik, der Physik und Chemie auf der einen, und die meisten Gebiete der Ingenieur-wissenschaften vom Maschinenbau über das Bauingenieurwesen, der Elektro-technik bis hin zur Informatik auf der anderen Seite. Die Verwirklichung einer Bionik in Forschung und Lehre an einer Universität kann diese extrem große Interdisziplinarität nicht realisieren, man wird eine Auswahl nach Kriterien der vorhandenen Fakultäten und Fächer, der angestrebten Schwerpunkte der Universität als Ganzes und nicht zuletzt der möglichen materiellen Ressourcen vornehmen müssen. Eine solche ko-ordinierende und integrierende Aufgabe übernimmt das TUM Leonardo da Vinci Zentrum für Bionik. Die vorliegende Broschüre ist ein erster Schritt, um zunächst einmal die Aktivitäten der TUM sichtbar zu machen. Wie man unschwer erkennt, reichen sie alle weit in die Zukunft und sind von nachhaltigem, technischem Interesse.
TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
Univ. Prof. i. R. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h., Dr. h.c. mult. Friedrich PfeifferLehrstuhl für Angewandte MechanikTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 152-00fax + 49 89 289 152-13
Friedrich Pfeiffer
Inhaltsverzeichnis
1 Grußwort2 / 3 Lehrstuhl für Produktentwicklung4 / 5 Lehrstuhl für Angewandte Mechanik6 / 7 Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen8 / 9 Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik10 / 11 Fachgebiet für Audio-Signalverarbeitung12 / 13 Lehrstuhl für Theoretische Biophysik14 / 15 Lehrstuhl für Statik16 / 17 Lehrstuhl für Energieeffizientes und Nachhaltiges Planen und Bauen18 / 19 Fachgebiet für Technologie und Design von Hüllkonstruktionen20 / 21 Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik22 / 23 Lehrstuhl für Zoologie24 Impressum25 Standorte und Bildnachweise
2 3
Erfolgreiche Produkte sind die Grundlage für jeden Unternehmenserfolg!
Der Lehrstuhl für Produktentwicklung (damals Lehrstuhl für Konstruktion) wurde 1965 auf Initiative der Professoren Gustav Niemann und Donald Welborn eingerichtet. Heute befindet sich der Lehrstuhl für Produktentwicklung unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann und ist fester Bestandteil der Fakultät für Maschinen-wesen der Technischen Universität München. Im Fokus von Lehre und For-schung steht die Konstruktionsmethodik. Ziel der Forschung ist die Unterstützung der Entwicklung wettbewerbsfähiger Produkte und die Optimierung von Produkt- entwicklungsprozessen hinsichtlich Zeit, Qualität, Kosten und Flexibilität. Um praxisnahe Ausbildung der Studenten zu gewährleisten, kooperiert der Lehrstuhl eng mit Partnern aus der Industrie und forscht an konkreten Produktbeispielen.
Im Bereich Bionik ist der Lehrstuhl für Produktentwicklung derzeit an zwei Lehrveranstaltungen beteiligt. In der „Ringvorlesung Bionik“ präsentieren unterschiedliche Lehrstühle verschiedener Universitäten ihre aktuelle Forschung im Bereich Bionik. In der fakultätsüber-greifenden Veranstaltung „adaptiv – Bionische Lösungsprinzipien für Gebäude- hüllen“, entwickeln und implementieren multidisziplinäre Studententeams aus Ingenieuren und Architekten methodisch ein Konzept für biologisch inspirierte Gebäudehüllen.
Einer der Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhles ist die interdisziplinäre Zu-sammenarbeit zwischen Ingenieuren und Biologen um den Wissenstransfer von der Natur in die Technik zu verbessern. Die unterschiedliche Herangehensweise und „Sprache“ in Biologie und Technik stellt in Kooperationsprojekten häufig eine Barriere dar. Zur Überwindung dieser Barriere wird am Lehrstuhl für Produkt-entwicklung eine modellbasierte Kommu-nikationsplattform entwickelt, die den In-formationstransfer zwischen Biologie und Technik vereinfachen soll. Zur Evaluation von Methoden und Werkzeugen führt der Lehrstuhl für Produktentwicklung eine große Zahl von bionischen Entwicklungs-projekten durch.
Ein Beispiel dafür ist das Projekt I-FIN:Das Konzept der I-FIN, einer bionisch optimierten Surfbrettfinne, wurde im Rahmen einer Studienarbeit entwickelt. Funktionale Verbesserungen sind in einem Prototyp realisiert. Eine erhöhte Manövrierfähigkeit sowie eine erhöhte Reaktionsfähigkeit werden durch flexible Materialien und reaktive Mechanismen er-reicht. Die entscheidenden Mechanismen der I-FIN basieren auf Eigenschaften von Hai- und Lachsfischfinnen. Ein weiterer bionischer Effekt ist der spannungsoptimierte Übergang vom Surfbrett zur Finne, der auf der Spannungs- verteilung bei Stamm- Ast-Übergängen bei Bäumen beruht.
Lehrstuhl für ProduktentwicklungProf. Dr.-Ing. Udo LindemannTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 151-31 / -51fax + 49 89 289 151-44
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für ProduktentwicklungProfessor Dr.-Ing. Udo Lindemann
Successful Products are the basis for success in business!
The Institute for Product Development (at that time Institute for Design Engineering) was established in 1965 through the initiative of Professor Gustav Niemann and Professor Donald Welborn. Today the Institute of Product Development is under the direction of Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann and is an inherent part of the Faculty of Mechanical Engineering at the research area in Garching near Munich.
The objective of our research is the development and adaptation of product development methods. Aim of the fundamental research is to support the development of competitive products and optimization of the product development process concerning cost, time, quality and flexibility. In order to achieve an industry-oriented education for the students, the research takes place in close cooperation with partners in the industry and on real product examples.
In the field of biomimetics the Institute of Product Development is on the one hand involved in the lecture series “Bionic” – an overall series from various Institutes – and on the other hand the course “adaptive”, where a multidisciplinary team develops and implements a concept for biomimetical inspired building covers.
One of the focus research areas at the Institute is the multidisciplinary
cooperation between engineers and biologists. The different approaches and “languages” in biology and engineering often cause problems in cooperation projects. To overcome these problems, the Institute of Product Development is developing a model based communica-tion platform that will make the transfer of information easier.
For the evaluation of methods and tools the Institute of Product Development arranges a large number of biomimetical development projects. One example of this is the student project I-FIN: a bionic optimized surf board. The fin stabilizes the board and avoids it slipping away. During surfing the fin can, due to water pressure forces, twist during turning and afterwards snap back in its original position. Aim of the development was to use the already existing water pressure forces to modify the form of the fin and therefore support the driving behavior. Step one in the development was to define the main functions and problems of a conventional surfboard fin and their potential of being optimized / improved. From the numerous solutions found in nature, the three most relevant ones were picked out: the dorsal fin of trouts and sharks, as well as the junction of branches in a tree. In the end, they were combined into the concept of the I-FIN.
Projekt I-FIN, Felix Wunner
4 5
Am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik (AM) wird seit seiner Gründung 1966 auf dem Gebiet der Dynamik, Regelung und Optimierung mechatronischer Systeme geforscht. Schwerpunkte der Forschung bilden die Theorie der Mehrkörpersysteme, insbesondere mit einseitigen Kontakten, die nichtlineare Maschinendynamik, die Mechatronik und die Robotik.
Auf dem Gebiet der Bionik arbeitet der AM vor allem an Laufmaschinen, wobei mit dem sechsbeinigen Roboter Max zunächst insektenartige Maschinen im Vordergrund standen. Die Laufregelung von Max ist eng an die durch den Neurobiologen Prof. Cruse für Stabheu-schrecken gefundenen Verhaltensregeln angelehnt. Aufbauend darauf wurden zunächst der achtbeinige Rohrkrabbler Moritz und dann der Zweibeiner Johnnie entworfen. Durch die am Lehrstuhl entwickelte, leistungsfähige Mechanik, Antriebstechnik und Sensorik kann Johnnie in Kombination mit der Echtzeit-Planung und Stabilisierung der Be-wegungen stabil mit bis zu 2,4 km/h gehen und auch Treppen steigen.
Die neueste Laufmaschine Lola ist 180 cm groß, wiegt zirka 60 kg und verfügt über 25 angetriebene Gelenke. Hervorzuheben sind die Beine mit 7 Gelenken, darunter einem angetriebenen Zehengelenk, das Becken mit zwei Gelenken und die An-triebe von Knien und Sprunggelenken über gekoppelte Mechanismen. Neben
Sensoren zur direkten Messung der absoluten Gelenkposition verfügt der Roboter über ein hochgenaues Inertiales Messsystem (IMS) im Oberkörper und Kraft-Momenten-Sensoren in den Füßen. Das IMS dient dem Roboter als „Gleich-gewichtssinn“, um sich mit Hilfe der gemessenen Fußkräfte aufrecht zu halten. Die Regelung basiert in weiten Teilen auf der mechanischen Analyse des Gangs und ermöglicht durch verbesserte Algorithmen zusammen mit einem optimierten mechatronischen System schnelles Gehen mit bis zu 3,6 km/h. Zugleich konnte in Zusammenarbeit mit dem Neurobiologen Prof. Büschges die Steuerung des Gangablaufs verbessert werden. Dadurch ist stabiles Gehen über unbekannte Hindernisse mit Höhen von bis zu 4 cm möglich. In aktuellen Arbeiten versuchen wir durch verbesserte Planungs- und Regelungs-algorithmen einen noch robusteren, schnelleren und ästhetischeren Gang zu ermöglichen.
Lehrstuhl für Angewandte MechanikProf. Dr. ir. Daniel RixenTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 151-99fax + 49 89 289 151-13
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Angewandte MechanikProfessor dr. ir. Daniel Rixen
Since it was founded in 1966, dynamics, control and optimization of mechatronic systems have been part of the research agenda at the Institute of Applied Mechanics. The theory of multibody systems, especially with unilateral contacts, nonlinear machine dynamics, mechatronics and robotics are core research areas at the institute.
Walking machines are our main research area connected to bionics. The first pro-ject in this area led to the development of the insect-like hexapod robot Max. Its control system was modeled on the behavioral rules for stick insects found by the neurobiologist Prof. Cruse. Based on this experience, the institute developed the eight legged pipe crawling robot Moritz and the bipedal, humanoid robot Johnnie. The combination of powerful actuation, lightweight design and custom-built sensors with real-time planning and stabilizing control allowed the robot to walk at up to 2.4 km/h and to climb stairs.
Our newest walking machine is the humanoid robot Lola. The robot is 180 cm tall, weighs 60 kg and has 25 actively driven joints. Unique points in the mechanical design are the redundant joints such as active toes and two joints in the pelvis. Knee and ankle joints are driven by coupled nonlinear mechanisms, improving the dynamics. Lola is equipped with joint position sensors, a highly accurate inertial measurement unit (IMU)
and force / torque sensors in the feet. The IMU gives the robot a “sense of balance”, which allows it to walk stably by applying adequate foot forces to the ground. The controller is mainly based on the mechanical analysis of walking. Improved planning and control algorithms allow Lola to walk stably at up to 3.6 km/h. In joint work with the neurobiologist Prof. Büschges we have improved Lola’s gait coordination. This has improved robustness and allows Lola to walk over unknown obstacles of up to 4 cm height.
We are currently working on better planning and control methods which will lead to a more robust, faster and more aesthetic gait for Lola.
Moritz
Max Knieantrieb von Lola
Johnnie
6 7
Zu den Arbeitsgebieten des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen gehören die beiden großen fertigungs-technischen Schwerpunkte Urform- technik und Umformtechnik. Am Lehr-stuhl wurden Klettverschlüsse aus Feder-stahl entwickelt, die gegen Chemikalien beständig sind und auch bei 800 °C noch einem Zug von bis zu 35 Tonnen pro Quadratmeter standhalten.
Als der Schweizer Erfinder George de Mestral nach einem Jagdausflug vor über 60 Jahren mühsam die vielen Kletten aus dem Fell seines Hundes zupfen musste, kam ihm eine geniale Idee: Nach dem Vorbild der Natur konstruierte er einen Verschluss aus vielen kleinen Schlingen und Haken, den Klettverschluss. Der Vorteil einer Klettverbindung ist, dass sie einfach zu schließen und wieder zu öffnen ist. Das Haken-Ösen-Prinzip kommt deshalb vielseitig zum Einsatz und hat sich auf breiter Front in Industrie und Haushalt durchgesetzt. Gängige Klett-verbindungen aus Kunststoff sind jedoch nicht besonders beständig gegenüber Hitze und aggressiven Chemikalien.
Der Lehrstuhl entwickelte deshalb im Rahmen eines Verbundprojektes des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in enger Kooperation mit Partnern aus der Industrie eine me-tallische Lösung. Als Werkstoff wählten die Forscher einen Federstahl, der hohe elastische Verformbarkeit mit hoher Festigkeit vereint. Am Computer ent-
warfen sie verschiedene dreidimensionale Modelle für das optimale Ineinander-greifen der Elemente. Vielversprechende Kandidaten bauten sie als Prototypen nach und unterzogen sie umfangreichen Tests. Dabei studierten sie ihre Bindungs-stärke und ihr Verhalten bei extremen Temperaturen, um die Grenzen ihrer Belastbarkeit auszuloten.
Mögliche Einsatzfelder für Metaklett sind alle Bereiche, die auf leicht wieder lösbare aber stabile Verbindungen angewiesen sind, beispielweise die Gebäudetechnikindustrie, insbesondere der Klima- und Lüftungsbau sowie der Fahrzeugbau. „Metaklett eignet sich für vielfältige Anwendungen, bei denen die Kombination aus einfacher Herstellung und hoher Belastbarkeit der Verbindung entscheidend ist,“ begründete die Jury des Stahl-Innovationspreises die Aus-zeichnung des Projekts. Bei diesem nur alle drei Jahre vergebenen Preis konnte sich der metallische Klettverschluss in der Kategorie „Stahl in Forschung und Entwicklung“ gegen über 100 Mitbewer-ber durchsetzen und wurde am 30. Juni 2009 mit dem dritten Platz gekürt. Weitere Informationen sind auf der Seite www.metaklett.de zu finden.
Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen Prof. Dr.-Ing. Wolfram VolkTechnische Universität MünchenWalther-Meißner-Str. 4D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 137-91fax + 49 89 289 137-38
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Umformtechnik und GießereiwesenProfessor Dr.-Ing. Wolfram Volk
The fields of research at the Institute of Metal Forming and Casting the two main focuses of production engineering – primary shaping and metal forming. Hook and loop fasteners made of spring steel have been developed at the Institute. These fasteners are resistant to chemicals and can withstand a tensile load of up to 35 tonnes per square meter at temperatures as high as 800 °C.
Over 60 years ago when the Swiss engineer and inventor George de Mestral was painstakingly removing burrs from his dog’s coat after a hunting excursion, he stumbled on an ingenious idea. Based on the model he had observed in nature, he constructed a fastener from numerous small hooks and loops, which he sub- sequently named “velcro.“ The advantage of a hook and loop fastener is that it is easy to close and open again. Because of this, the hook and loop principle is put to a very wide range of uses and has become commonplace features of both industry and households. However, they have one snag: they are too weak for many applications. Standard synthetic hook and loop fasteners are not very resistant to heat and aggressive chemicals.
For this, as part of a joint project with the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in close cooperation with partners from industry, the Institute has developed a metallic solution. The researchers opted to use spring steel,
which unites high ductility with high strength, as the material for their fastener. They created various three-dimensional models for the optimum interlocking of the fastener elements on the computer. They then built the most promising candidates as prototypes and subjected them to comprehensive tests. The researchers studied its adhesive strength and reaction to extreme temperatures to establish the limits of its resilience.
Metaklett is suitable for use in all areas that require easily opened but stable fasteners, for example air-conditioning and ventilation systems in building services engineering and automotive construction. As the Jury of the German Stahl-Innovationspreis (Steel Innovation Award) noted in its appraisal of the project: “Metaklett is suitable for a wide variety of applications, in which the combination of simple production and a high level of resilience in the fastener is crucial.” The metal hook and loop fastener succeeded in overcoming over 100 competing projects on June 30, 2009, to take third place in this award process, which only takes place every three years. More information can be found on the website www.metaklett.de.
Detailansicht Metaklett
Haken- und Ösenelemente
Belastungssimulation
Klette
8 9
Der cellristor® vereint die Fortschritte in Mikroelektronik und Biotechnologie in einem biohybriden Sensorsystem aus lebenden Zellen und elektronischen Bauelementen.
Der Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizi-nische Elektronik wurde im Jahr 2000 mit Unterstützung der Heinz Nixdorf Stiftung unter Berufung von Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf an der Fakultät Elektro-technik und Informationstechnik neu ge-gründet. Hier werden fachübergreifend in Lehre und Forschung Mikroelektronik und biomedizinische Technik zu neuen synergetischen Entwicklungen in der bio-medizinischen Sensorik vereint. Die enge Zusammenarbeit mit ausgegründeten Start-Ups des Lehrstuhls und langjährige Kooperationen mit mittelständischen Industriepartnern bieten Studierenden und Doktoranden die Möglichkeit, multi-disziplinär an der praxisnahen Realisierung neuer Diagnose- und Therapiesensorik, z. B. für patientenindividuelle Tumor- Chemosensitivitätstests mitzuarbeiten.
In den - im erweiterten Sinne der Bionik - auf die Verknüpfung von elektronischen Bauelementen und biologischen Zellen und Geweben ausgerichteten Vorlesungen und Praktika werden die Studierenden in die biologischen Grundlagen von Aufbau, Funktion und Kommunikation lebender Zellen ebenso eingeführt wie in die elektronisch / elektrochemisch gestützte Sensorik zur Erfassung der Vitalitäts- signale dieser Zellen.
Die Fortschritte in Mikroelektronik und Biotechnologie haben es in den letzten Jahren ermöglicht, stabile Konstrukte aus lebenden Zellen und elektronisch aktiven Bauelementen zu realisieren. Dabei wird die biologische Empfindlichkeit spezifischer Zellen in elektrisch auslesbare Signale transferiert. Analog zum Transistor (transfer resistor) wird ein solches bio-hybrides Sensorsystem als cellristor® definiert.
Derartige biohybride Systeme eignen sich sowohl für die Lösung umweltanalytischer Fragestellungen als auch im Bereich personalisierter Medizin (Medikamenten-auswahl) und pharmazeutischer Wirkstoff- suche.
Die physikalische Basis eines cellristors® kann vielfältig sein und unterschiedlichste Messprinzipien nutzen. Schichtwider- stände, Dioden, Transistoren (z. B. ISFETs), planare Kapazitäten und Elektrodensys-teme aus technischen Sensorstrukturen können genauso eingesetzt werden wie entsprechende Komponenten aus der Polymerelektronik.
Die technische Realisierung eines cellristors® beinhaltet den Organismus selbst (z. Bsp. tierische Zelle, Hefe, Alge) und die physikalische Struktur des Sensors mit Kontaktierung. Das Lebens-erhaltungssystem für die lebenden Zellen wird durch geeignete, zunehmend mikro- systemtechnische Aufbau- und Ver- bindungstechniken realisiert.
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische ElektronikProfessor Dr. rer. nat. Bernhard Wolf
The cellristor® combines engineering progress in microelectronics and biotechnologies in biohybride sensor systems consisting of living cells and electronic devices.
The Heinz Nixdorf-Chair for Medical Electronics was founded in 2000 under the sponsorship of the Heinz Nixdorf Foundation at the Faculty of Electrical Engineering and Information Technology. Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf was appointed to this newly founded chair.
Here, in teaching and research micro-electronics and biomedical technology are interdisciplinary combined for new synergetic developments in biomedical sensor technology. Close teamwork with our spin-offs and long-standing cooperation with industrial partners offer our students and postgraduates ex-tensive possibilities for multidisciplinary activities in the practical development of new sensors for diagnostics and therapy, e.g. for patient individualized cancer chemotherapy tests.
Expanding the tenor of “bionics” to linking electronic devices and biological cells and tissues in both lectures and hands-on trainings, the students are introduced to the biological basics of structure, function and communication of living cells as well as to electronic / electrochemical sensor devices for monitoring their vitality signals.
Substantial progress in microelectronics and biotechnologies in the last years has enabled the realization of stable constructs combining living cells and active electronic devices. By this means, the biological sensitivity of specific cells is transferred to electric signals. In analogy to the word “transistor” (transfer resistor) such a biohybrid decive is defined as cellristor®.
These biohybrid systems are suited for solutions of environmental problems as well as for personalized medical treat-ment or pharma screening.
Cellristors® can be based on a manifold of physical devices and different measurement principles. Sheet resistors, diodes, transistors (e.g. ISFETs), planar capacitors and electrode systems forming technical sensor structures can be applied as well as corresponding components of polymer electronics.
The technical realization of a cellristor® includes the biological organism (e.g. animal cells, yeast, algae …) and the physical sensor with its packaging. The life support system for the living cells is increasingly implemented by advanced microsystem technology.
Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische ElektronikProf. Dr. rer. nat. Bernhard WolfTechnische Universität MünchenArcisstr. 21D – 80290 München
fon + 49 89 289 229-47fax + 49 89 289 229-50
Multiparametrischer Bionsensorchip
Intelligente Multiwellplatte
Gedruckter Sensorchip
Tumorzellen auf FET-Sensor
10 11
Audio information processing inspired by human hearing
The Bernstein Professorship for Audio Information Processing held by Prof. Dr.-Ing. Bernhard Seeber continues the long tradition of research and teaching in acoustics and psychoacoustics at the TU München, which was started by Professor Zwicker in 1967. Psychoacoustic research at the institute investigates the mechanisms of sound perception in humans using objective methods. Models to describe auditory perception are developed and applied to solve problems in acoustics and room acoustics, to develop novel algorithms of hearing aids and neuronal hearing devices (cochlear implants), to create modern audio re- production techniques and to optimize sound quality, e.g. of cars. Hence, psychoacoustics can be seen as a father of current-day bionics.
Excellent conditions for inter-disciplinary research in bionics exist through the integration of the professorship in the Department of Electrical Engineering and Information Technology, in the Bernstein Center for Computational Neuroscience Munich, and in the competence center Bio-X – Electronics for Life Sciences. The bionic approach is taught in a range of courses covering the basics of acoustics to details of the human auditory system. Based on models of the auditory system methods for human-centered audio information processing for
technical applications are taught.
Research focusses on algorithms for hearing aids and cochlear implants. Cochlear implants are neuronal auditory prostheses which provide hearing to the deaf. The implant creates electrical pulses which stimulate the auditory nerve. Biological processing in the auditory system is mimicked in the pulse train delivered by the implant which the brain interprets as sound. The research aims to improve hearing with cochlear implants in situations with multiple sounds and in rooms. Two implants, one in each ear, provide a key advantage for speech understanding, locating the sound source and listening effort. Nevertheless, hearing with cochlear implants remains strongly inferior to normal hearing. Thus, we investigate the mechanisms which help normal hearing persons perform well in difficult listening situations in order to understand the key information and better code it in the pulse pattern delivered by cochlear implants. One example is our new algorithm to improve directional hearing in rooms which codes spatial information in sound onsets in a novel way.
Audio-Informationsverarbeitung inspiriert vom menschlichen Hören
Die Bernstein Professur für Audio-Signal-verarbeitung und das gleichnamige Fachgebiet von Prof. Dr.-Ing. Bernhard U. Seeber setzen die langjährige Tradition in der Forschung und Lehre zur Akustik und Psychoakustik an der TU München fort, die von Prof. Zwicker im Jahr 1967 begründet wurde. Die psychoakustische Forschung am Fachgebiet untersucht die Wahrnehmung von Schallen durch den Menschen mit objektiven Methoden, um numerische Modelle zur Beschreibung des Hörsystems zu entwickeln und diese für verschiedenste Anwendungen in der Akustik und Raumakustik, für Hörgeräte, für neuronale Hörprothesen (Cochlea Implantate), für moderne Audio-Wieder-gabetechniken und für die Optimierung der Geräuschqualität beispielsweise von Fahrzeugen nutzbar zu machen. Die Psychoakustik kann somit als ein Vater der heutigen Bionik angesehen werden.
Für interdisziplinäre Aktivitäten zur Bionik liegen am Fachgebiet durch seine Inte-gration in die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, in das Bernstein Center for Computational Neuroscience Munich und in das „Kompetenzzentrum Bio-X – Elektronik für die Lebenswis-senschaften“ exzellente Voraussetzun-gen vor. Der bionische Ansatz spiegelt sich auch in der Lehre wider, die neben Grundlagen der Akustik und Audio- kommunikation auch das menschliche
Hörsystem tiefgehend behandelt. Auf-bauend auf Modellen des Hörsystems werden Ansätze für eine auf den Menschen optimierte Audio-Signalverarbeitung unterrichtet.
Der Forschungsschwerpunkt am Fach-gebiet sind Algorithmen für Hörgeräte und Cochlea Implantate. Cochlea Implantate sind neuronale Hörprothesen, die tauben Menschen das Hören ermöglichen. Das Implantat generiert elektrische Pulse nach biologischem Vorbild und stimuliert damit den Hörnerv – das Gehirn interpretiert die Pulse als Schall. Die Forschung zielt darauf ab, die Hörleistung mit Cochlea Implantaten in Situationen mit mehreren Schallen und in Räumen zu verbessern. In solchen Situationen bringen zwei Implantate, eines in jedem Ohr, deutliche Vorteile für das Sprachverstehen, das Hören der Schallrichtung und die Hör-anstrengung. Dennoch nehmen diese Patienten Schalle deutlich schlechter als gesunde Personen wahr. Daher untersuchen wir die Mechanismen, die normalhörenden Personen in schwierigen Hörsituationen helfen, um informations-tragende Merkmale besser im Pulsmuster von Cochlea Implantaten zu kodieren. Ein Beispiel dafür ist unser neuartiger Algo-rithmus zur Verbesserung des Richtungs-hörens in Räumen durch eine gezielte Kodierung von Richtungsinformation an Schalleinsätzen.
Simulierte elektrische Pulse eines Cochlea Implantats für das Wort „Teak“
Versuchsapparatur zur realistischen Simulation von Hörumgebungen
Audio Information ProcessingProf. Dr.-Ing. Bernhard U. SeeberTechnische Universität MünchenArcisstr. 21D – 80333 München
fon + 49 89 289 28-282fax + 49 89 289 28-535
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachgebiet für Audio-SignalverarbeitungProfessor Dr.-Ing. Bernhard U. Seeber
Entwicklung von Algorithmen für Cochlea Implantate
Kunstkopf für ohrbezogene Schall-aufnahmen
12 13
Snookie: Ein autonomes Unterwasser-fahrzeug mit künstlichem Seitenlinien-system
Der Lehrstuhl für theoretische Biophysik T35 am Physik Department der TU München beschäftigt sich mit der neuronalen Informationsverarbeitung verschiedenster sensorischer Systeme, wie z.B. dem Infrarotsystem von Schlangen, dem auditorischen System von Eidechsen und Vögeln, oder den Strömungssensor- Systemen von Fischen und Insekten.
Wir versuchen aus dem Verständnis des Abbildes der Umwelt durch das jeweilige Medium auf das sensorische System, der Biophysik der Sensoren und der Informationsverarbeitung durch das zuständige neuronale Netzwerk auf allgemeine Prinzipien zu schließen, die sich in abstrahierter Form als Algorithmen technisch nutzen lassen.
Ein Beispiel hierfür ist das Seitenlinien-system von Fischen und der Roboterfisch Snookie. Fische sind auch ohne jegliche Sicht in der Lage, Hindernissen auszu-weichen und vor Räubern zu fliehen. Sie nehmen ihre Umwelt mit einem zu-sätzlichen Sinnesorgan wahr, dem Seitenliniensystem, das entlang des Fischkörpers verläuft. Die Anwesenheit eines Objektes in naher Umgebung ver-ändert das Strömungsfeld um den Fisch und erzeugt ein „hydrodynamisches Ab-bild“ der Umgebung auf der Oberfläche des Fischs. Das Seitenliniensystem misst
die Wasserbewegung auf der Haut des Fisches. Verhaltensexperimente mit der blinden Form des mexikanischen Höhlen-fisches (Astyanax mexicanus) und einigen anderen Arten zeigen, dass Fische über die reine Detektion von Objekten hinaus in der Lage sind, Formen, Größe und Bewegung zu unterscheiden.
Der autonome Unterwasser-Roboter Snookie wurde entworfen, um mit solch einem künstlichen Strömungssensor-System ausgestattet zu werden. Das Strömungssensor-System besteht aus einer Anordnung von so genannten heißen Thermistoren, die auf der Oberfläche der Schnauze die Geschwindigkeit des vorbei strömenden Wassers messen. Snookie soll den Nutzen und die Anwendbarkeit von künstlichen Seitenliniensystemen in der Unterwasser-Robotik demonstrieren. Notwendig dazu sind zum Einen große Beweglichkeit und Kontrolle der Bewegung des Roboters, zum Anderen ein Beweis der Tauglichkeit des Sensorkonzepts. Snookie soll darüber hinaus als experi-mentelles Werkzeug zum Testen von Strömungs- und Wandrekonstruktions-Algorithmen eingesetzt werden. Abbildungen zeigen das Strömungsfeld um einen Fisch, das aus der Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch das Seitenliniensystem auf der Oberfläche des Fischs rekonstruiert wurde.
Fakultät für Physik
Lehrstuhl für Theoretische BiophysikProfessor Dr. J. Leo van Hemmen
Snookie: An Autonomous Underwater Vehicle with Artificial Lateral-Line System
The chair for theoretical biophysics T35 at the Physics Department of the TU München is engaged in the neuronal information processing of various sensory systems, e.g. the infrared vision system of snakes, the auditory system of lizards and birds, or the flow sensory system of insects and fish.
We try to derive and abstract general principles from the understanding of, first, the mapping environment through the particular medium onto the sensory system, second, the biophysics of the sensors, and third, the information processing by the responsible neuronal network, which may be used in technical systems.
An example therefore is the lateral line system of fish and the robot fish Snookie.Fish are able to locate obstacles and avoid them under poor visual conditions, or even if completely blind. The objects are perceived with the lateral line organ, responding to the movement of the water relative to the fish‘s skin. The presence of objects leads to an alteration of the flow field around the fish, which creates a “hydrodynamic image“ of the surroundings on the fish‘s body. They experience their environment by an additional sensing organ, the lateral-line system, which is distributed along the fish‘s body.
Behavioural studies on the blind cave form of Astyanax mexicanus, the gold fish (Carassius auratus) and some other species show that these fish are not only able to detect objects but also to discriminate shape, size, and motion, if the fish and the object are moving relative to each other. Many species prove that solely the perception of the immediate environment through flow fields allows to make vital decisions.
The autonomous underwater robot Snookie is designed to carry such an artificial lateral line system, consisting of an array of so called hot thermistors, measuring the flow velocity at the surface of the snout. The purpose Snookie is to open flow sensing for underwater robotics by demonstrating the feasibility of the flow sensory concept, the necessary dynamical and control capabilities, and to serve as experimental device to test flow reconstruction algorithms.Figures show flow fields around a fish reconstructed from measurements of flow velocity on the surface of the fish by the lateral line system.
Lehrstuhl für Theoretische BiophysikProf. Dr. J. Leo van HemmenTechnische Universität MünchenJames-Franck-Str. 1D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 123-62fax + 49 89 289 146-56
Geschwindigkeitsfeld, das einen sich vorwärts bewegenden Fisch in der Nähe eines stationären Objektes (oben) und eines komplizerten stationären Objektes (unten) umgibt.
Snookie unter Wasser in Aktion
Von schwimmendem Fisch rekonstru-iertes, dreidimensionales Geschwindig-keitsfeld, das ihn umgibt und das er auf der Basis des vom Seitenlinien-System wahrgenommenen zweidimensionalen Abbildes rekonstruieren muss
14 15
Lehrstuhl für StatikProf. Dr.-Ing. Kai-Uwe BletzingerTechnische Universität MünchenArcisstraße 21D – 80333 München
fon + 49 89 289 224-22fax + 49 89 289 224-21
Der Lehrstuhl für Statik beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden für die Beurteilung und Auslegung mechanisch beanspruchter Tragwerke, wobei leichte und weitgespannte Membran- und Schalentragwerke im Mittelpunkt stehen. Die Natur dieser Tragwerke bedingt, dass Belastung, Beanspruchung und Form-gebung stark wechselwirken. Gerade für leichte Tragwerke ist die Interaktion mit umströmenden Fluiden (Wind, Wasser) für Formgebung, -änderung und ggf. -adaption besonders wichtig. So be-schäftigt sich der Lehrstuhl seit Jahren erfolgreich mit der Formoptimierung und Formfindung von Schalen und Membran-tragwerken, sowie mit Methoden zur Beurteilung der Fluid-Struktur-Wechsel-wirkung solcher Tragwerke.
Die am Lehrstuhl entwickelten numeri-schen Optimierungsmethoden führen zu optimalen Formen von Tragwerken, deren Struktur und Prinzipien in der belebten und unbelebten Natur wiedergefunden werden können. Dies betrifft Themen wie die charakteristische Form von Minimal-flächen oder die optimale Auslegung der Faltenbalge elastischer Gelenke, wie man sie im Tierreich wiederfindet. Die Geo-metrie optimaler Faltenmuster weist ver-blüffende Ähnlichkeit mit z. B. Muscheln auf. Neuartige Bauweisen erlauben die Gestaltung sog. hybrider Tragwerke, wobei dünne elastische Balken mit vorgespannten Membranen kombiniert werden. Die Geometrie dieser Tragwerke kann durch elastische Verformungen den
äußeren Bedingungen angepasst werden, wie man es z. B. von Fledermäusen kennt. Eine andere Anwendung ist die Optimal-ausrichtung der Fasern von Komposit-werkstoffen. Die entstehenden Strukturen finden ihre Entsprechung in der Natur bei Pflanzen oder Kieselalgen.Der Lehrstuhl für Statik verfolgt in der Bionik eine Strategie, die von Frei Otto als „der umgekehrte Weg“ bezeichnet wurde. Man versteht darunter, die Gestalt opti-mierter Tragwerke nicht einfach aus der Gestalt von Vorbildern der Natur zu ent-lehnen oder zu begründen. Der Gedanke ist vielmehr, die form- und gestaltbildenden Prinzipien der Natur zu erforschen und als Zielkriterien auch für technische Strukturen zu verwenden.
Eine aktuelle Fragestellung am Lehrstuhl ist die optimale Auslegung der Topologie und Anordnung der Paneele von Fertig-teilschalen aus Faserbeton. Ziel ist, die Schwächung der gesamten Schale infolge der Fugen zwischen den Paneelen zu minimieren bei gleichzeitiger Berück- sichtigung von ästhetischer Gestaltung und Fertigung. Dieselben Optimierungs-kriterien können beispielsweise bei Schildkrötenpanzern gefunden werden.
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Lehrstuhl für StatikProfessor Dr.-Ing. Kai-Uwe Bletzinger
The Chair of Structural Analysis works in the development of methods for the assessment and design of structures. Within this field of research, lightweight and widespan membrane and shell- structures are in the center of interest. The nature of these structures leads to close interaction of loading, stresses and shape definition. Especially for lightweight structures the interaction with the flow of wind and water is of crucial importance for the determination, change and – if applicable – adaption of these structures’ shape. Thus the Chair has successfully been involved in the shape optimization and form finding of shells and membrane structures, as well as with the methods for the assessment of Fluid Structure Interaction of such structures.
The numerical optimization methods developed at the Chair of Structural Analysis lead towards optimal structural shapes. The principles of these structures may be rediscovered in the living and inanimate nature. As examples one may cite the characteristic shape of minimal surfaces or the optimal design of bellows for elastic hinges, as they can be found within the fauna. The geometry of optimal stiffeners shows stunningly close similarities e.g. to sea shell structures. New methods of construction allow for the development of so-called hybrid structures, where slender elastic beams are combined with a prestressed membrane. The geometry of these structures may be adapted to various
external conditions by the use of elastic deformation, as it can be observed with bat wings. Another application would be the optimization of fiber orientation in composite materials. The resulting structures find their counter-parts in fibers of plants or diatoms.
Concerning bionic research, the Chair of Structural Analysis follows the strategy that Frei Otto once has described as the “inverse approach”. This approach doesn’t aim on directly copying the shape of optimized structures from the shape of examples in nature. The leading thought is rather to investigate the form- and shape determining principles of nature and use these as optimization criteria for technical structures.
A current topic of research at the Chair is the optimal design of topology and ordering of precast panels made of fiber reinforced concrete. The main goal is to minimize the weakening of the shell due to the joints between the panels while still considering esthetical and production aspects. The same optimization criteria may be found in tortoise shells.
Faseroptimierung und Pflanzenfasern Betonsegmentschale und Schildkrötenpanzer
Faltenbalg ermöglicht Bewegungen
Sickenoptimierung auf Steifigkeit
16 17
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Lehrstuhl für Energieeffizientes und Nachhaltiges Planen und BauenProfessor Dr.-Ing. Werner Lang
Lehrstuhl für engergieeffizientes und nachhaltiges Planen und BauenProf. Dr.-Ing. Werner LangTechnische Universität MünchenArcisstraße 21D – 80333 München
fon + 49 89 289 239-90fax + 49 89 289 239-91
Bionik Tower, LAVA Architects; Fensterpflanze, fenestraria aurantiaca
RMIT Design Hub, Sean Godsell Architects; Blauer Pfeilgiftfrosch, Dendrobates tinctorius
Fakultät für Architektur
The Institute is a joint appointment between the Faculty of Architecture and the Faculty of Civil, Geo and Environmen-tal Engineering. It fosters interdisciplinary research in civil engineering and has made energy efficient design and building a compulsory module of the study pro-gramme. These faculties have offered an interdisciplinary, cross-faculty Master’s programme in energy-efficient and sustainable building under the direction of the Institute of Energy Efficient and Sustainable Design and Building since 2011. The Institute is furthermore part of the Centre for Sustainable Building, pursuing interdisciplinary research ap-proaches with all relevant TUM faculties.
The transfer of information between nature and technology and the associa-ted potential technological applications offer a wide range of possibilities both for systemic and energy-related optimization of buildings. The building shell plays a crucial role in comfortable indoor climate and is a key factor in determining a building’s energy consumption due to its potential in terms of design and energy performance. Against this background, the Institute of Energy Efficient and Sustainable Design and Building is working hard to unleash the potential of biomimicry to optimize and enhance the functional spectrum of the building shell.
One dissertation is analyzing the parameters and hierarchies of organisms for their relevance to building-specific aspects, also investigating how future buildings will be capable of operating in a self-regulating, adaptive and symbiotic way, interacting between the outdoor conditions and the intended indoor climate.
A taxonomic analysis of the building shell is being employed to select 15 functions relevant to energy efficiency and material from roughly 30 identified functions. Four functional groups are being examined in more detail: variable air, daylight, thermal energy and humidity control.
Building upon this functional classification, biological phenomena are assigned on a selective basis. The main focus is on the study of biological skins and shells and their potential uses and applications in the field of the building shell. Based on the analysis and comparison of the functional properties of natural systems, potential applications of selected organismic building shells in the building sector are presented.
Der Lehrstuhl ist ein „joint appointment“ zwischen der Fakultät für Architektur und der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt. Er fördert die interdisziplinäre Forschung im Bauwesen und integriert energieeffizientes Planen und Bauen als verpflichtendes Modul in das Studium. Seit 2011 bieten diese Fakultäten unter Federführung des Lehrstuhls ENPB einen interdisziplinären fakultätsübergreifenden Masterstudiengang für energieeffizientes und nachhaltiges Bauen an. Der Lehr-stuhl ist auch Teil des Zentrums für nachhaltiges Bauen, wo interdisziplinäre Forschungsansätze mit allen relevanten Fakultäten der TUM verfolgt werden.
Der Informationstransfer zwischen Natur und Technik und die sich hieraus ergebenden potentiellen technologischen Anwendungen bieten umfangreiche Möglichkeiten für die systemische sowie energetische Optimierung von Gebäuden. Aufgrund ihres gestalterischen und energetischen Potentials ist die Gebäude-hülle entscheidend für ein behagliches Innenraumklima und bestimmt den Energieverbrauch von Gebäuden maßgeblich.Vor diesem Hintergrund wird am Lehr-stuhl ENPB intensiv an der Nutzung des Potentials von Bionik für die Optimierung und Erweiterung des funktionalen Spektrums der Gebäudehülle gearbeitet.
Im Rahmen einer Dissertation werden Parameter und Hierarchien von
Organismen im Hinblick auf deren Relevanz bezüglich gebäudespezifi-scher Aspekte analysiert. Es wird dabei untersucht, in welcher Form Gebäude künftig in der Lage sein werden, selbst-regulierend, adaptiv und symbiotisch im Wechselspiel zwischen den Konditionen des Gebäudeaußenraums und dem gewünschten Innenraumklima zu agieren.
Anhand einer taxonomischen Analyse der Gebäudehülle werden aus rund 30 identifizierten Funktionen 15 energetisch- und materialrelevante Funktionen aus-gewählt. Vier Funktionsgruppen werden näher untersucht: variable Luft-, Tages-licht-, Wärmeenergie- und Feuchtigkeits-steuerung.
Aufbauend auf dieser funktionalen Ein-teilung erfolgt eine selektive Zuweisung biologischer Phänomene. Inhaltlich steht hierbei das Studium natürlicher Häute und Hüllen und deren Einsatz- und Anwendungspotential im Bereich der Gebäudehülle im Vordergrund. Basierend auf der Analyse und der vergleichenden Untersuchung der funktionalen Eigen-schaften natürlicher Systeme erfolgt eine Darstellung der Anwendungspotentiale im Bausektor ausgewählter organismischer Gebäudehüllen.
18 19
The external appearance of buildings and their aesthetic impact in the public sphere as an important architectural design element is primarily determined by their facades. As an interface between the existing external conditions and the requirements inside the building, defined by the respective usage, they are crucially responsible in their technical and con-structive formation relevant for the energy balance of a building. In connection with the topics of resource conservation, energy saving, and renewable energy use, and against the background of climate protection targets, the building envelope is becoming increasingly important.
The increasing complexity of building envelopes, and the related issues of energy supply, infrastructure, materials, technology, stress resistance, is an integral part of research and teaching of the subject area. Therefore, close cooperation with building physics, building climate control, mechanical engineering and materials science is characteristic of the operation of the department.
Just as changing our natural environment is in a constant process of self-adaptive change, architecture can adapt itself to climatic requirements. Using nature as a model, the Department for Technology and Design of Building Envelopes is de-veloping building envelopes, analogously to natural shell systems, which are
adaptive and responsive both diurnally and annually.
Students Gautrand David and Julian Eberhart developed a sun protection system that can react autonomously to changing environmental conditions. The work was part of the event, „Adaptive“, organized by Prof. Dr. -Ing. Tina Wolf and Philip Molter. An independent control mechanism arose from an in-depth iterative process between analysis of an existing natural model and its technical implementation that takes advantage of the thermal expansion of a specific material. The tulip blossom that opens and closes through differing inner and outer expansion, is a direct model for a modern building envelope, which with a minimum of technical effort attempts to provide a high level of adaptive efficiency. Transposition to technical application, in other words an intelligent building envelope, means translating this operation into a shading system that is effective in preventing the overheating of a building. A sunscreen was prototyped through a geometrically customized design and material selection, which can conduct diffuse light and thus low-energy radiation into the building at the same time.
Das äußere Erscheinungsbild von Bauten und deren ästhetische Wirkung im öffentlichen Raum als wichtiges architektonisches Gestaltungsmittel wird im Wesentlichen durch deren Fassaden bestimmt. Als Schnittstelle zwischen den vorhandenen Außenbedingungen und den Anforderungen im Gebäudeinneren, definiert durch die jeweilige Nutzung, sind sie in ihrer technischen und konstruktiven Ausbildung maßgeblich für den Energie-haushalt eines Gebäudes verantwortlich. Im Zusammenhang mit den Themen Ressourcen schonen, Energie einsparen und erneuerbare Energie nutzen gewinnt die Gebäudehülle vor dem Hintergrund notwendiger Klimaschutzziele immer mehr an Bedeutung.
Die zunehmende Komplexität von Ge-bäudehüllen und die damit verbundenen Fragen der Energieversorgung, der Infra-struktur, der Werkstoffe, der Technologie, Beanspruchbarkeit, ist fester Bestandteil von Forschung und Lehre des Fachgebiets. Daher ist eine enge Kooperation mit Bauphysik, Bauklimatik, Maschinenbau und Materialwissenschaft kennzeichnend für die Arbeitsweise des Fachgebiets.
So wie sich unsere natürliche Umwelt in einem konstanten Prozess selbsttätig verändert, kann sich auch Architektur klimatischen Anforderungen anpassen. Mit der Natur als Vorbild entwickelt das Fachgebiet für Technologie und Design von Hüllkonstruktionen Gebäudehüllen,
die sich analog zu natürlichen Hüll- systemen sowohl über den Tag betrachtet als auch über das Jahr gesehen adaptiv und responsiv verhalten.
Die Studierenden David Gautrand und Julian Eberhart entwickelten ein Sonnen-schutzsystem, das selbstständig auf veränderte Umgebungsbedingungen
reagieren kann. Die Arbeit entstand im Rahmen der Veranstaltung „adaptiv“ bei Prof. Dr.-Ing. Tina Wolf und Philipp Molter. In einem vertieften iterativen Prozess zwischen Analyse eines bestehenden natürlichen Vorbildes und dessen techni-scher Umsetzung entstand ein autarker Steuerungsmechanismus, der sich die thermische Ausdehnung eines spezifischen Materials zu Nutze macht. Die Tulpenblüte, die sich durch differierendes Wachstum der Außen- und Innenseite öffnet und schließt, ist direktes Vorbild für eine moderne Gebäudehülle, die versucht mit einem geringen Anteil von technischem Aufwand ein hohes Maß an anpassungs-fähiger Effizienz zu schaffen. Für die Über- setzung in die technische Anwendung, also eine intelligente Gebäudehülle heißt das, diese Funktionsweise in ein Ver-schattungssystem zu übersetzen, das ein Verhindern der Aufheizung eines Ge-bäudes bewirkt. Durch eine geometrisch angepasste Konstruktion und Material-auswahl wurde so ein Sonnenschutz proto- typisch entwickelt, der gleichzeitig diffuses Licht und damit energiearme Strahlung ins Innere des Gebäudes leiten kann.
Fachgebiet für Technologie und Design von HüllkonstruktionenProf. Dr.-Ing. Tina WolfTechnische Universität MünchenArcisstr. 21D – 80333 München
fon + 49 89 289 28-699
Fakultät für Architektur
Fachgebiet für Technologie und Design von HüllkonstruktionenProfessor Dr.-Ing. Tina Wolf
Weiterentwicklung des Verschattungs-elementes
Erster Prototyp des Verschattungs-elementes
20 21
Natürliche Barrierematerialien im Vergleich zu synthetischen Polymeren
Der Lehrstuhl für Lebensmittelver- packungstechnik beschäftigt sich einer-seits mit den Verpackungsmaterialien, andererseits der Anlagentechnik für Verpackungslinien und der zugehörigen Informationstechnologie. Der bionische Bezug der Forschung des Lehrstuhlsbetrifft Naturstoffe im Vergleich zu synthetischen Verpackungsmaterialien.Es werden natürliche Vorbilder für Folien-materialien mit hohen Sperreigenschaften gegenüber Gasen und Wasserdampf untersucht. Ziel ist die Identifikation natürlicher Substanzen, die in diesen Eigenschaften konventionellen Kunst-stoffen nahekommen, um hoch funk- tionale Verpackungsmaterialien auf Basis von Naturstoffen herstellen zu können. In der Pflanzenwelt ist die Kutikula, die aus speziellen Wachsen besteht und die Barrierefunktion trägt, ein solches Vor-bild. Bilder dieser Strukturen sind rechts oben gezeigt.
Die Messung der Gas- und Wasser-dampfdurchlässigkeit solch fragiler Strukturen ist allerdings mit erheblichen experimentellen Problemen verbunden. Seit längerem steht eine selbst entwickelte apparative Ausrüstung zur Verfügung, um an kleinen Proben den Durchgang von Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zu bestimmen. Als Problem erweist sich allerdings noch, dass sich Kutikeln, insbesondere die in ihnen
enthaltenen Wachsschichten, nicht vollständig defektfrei präparieren lassen, so dass die gemessenen Werte des Gas- und Wasserdampftransports höher liegen und man somit die guten Barriere-eigenschaften dieser Materialien noch unterschätzt.
Die gezeigten Permeationskoeffizienten für Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid müssten bei intakten Schichten daher noch niedriger liegen, womit einige Kutikeln ähnlich niedrige Durchlässig-keiten wie die zum Vergleich ebenfalls gezeigten konventionellen Polymere besäßen. Im Vergleich zu Biopolymeren, wie sie derzeit versuchsweise für Verpackungen eingesetzt werden, besitzen sie sogar erheblich bessere Barriereeigenschaften.
Derzeitige Arbeiten beschäftigen sich mit der Isolation der Kutikula-Wachse und der Herstellung defektfreier Schichten, um eine endgültige Charakterisierung ihrer Permeationseigenschaften zu ermöglichen.
Natural barrier materials versus synthetic polymers
The research areas of the Chair of Food Packaging Technology cover two main fields: Packaging materials on one side, on the other side plant technology for packaging lines and the related information technology. Bionic topics are investigated in studies of natural substances in relation to synthetic packaging materials. Of special interest are natural examples for materials with high barrier properties against gases and water vapour. Our target is to identify natural substances that exhibit barrier properties close to conventional plastic materials and to find ways to use them as highly functional packaging materials on the basis of renewable resources. In the natural flora, the cuticle may serve as a good example, consisting of special waxes which exhibit such a barrier function. Images of related cuticle structures are shown on the right.
For such fragile structures, however, extreme experimental difficulties are observed when measuring their permeability for gases and water vapour. For this purpose, own developed equipment has been installed to measure the permeation of oxygen, carbon dioxide and water vapour on small samples. Currently, the main problem is that samples from cuticles and cuticle waxes cannot be prepared without small defects. As a result, the measured permeability values for gases and water vapour are still
higher than one would expect for intact materials. Thus, their barrier properties will be underestimated.
As a consequence, the results shown for the permeability for oxygen, carbon dioxide and water vapour would be even better for intact layers. Therefore, we can expect barrier properties of some cuticular materials that are in the same range as the conventional polymers shown for comparison. Compared to so-called biopolymers which are presently investigated for their use in packaging, the barrier properties of cuticles are substantially better.
Our current work deals with the isolation of cuticle waxes and the preparation of defect-free layers to allow for a final assessment of the permeation properties.
Lehrstuhl für Lebensmittel-verpackungstechnikProf. Dr. Horst-Christian LangowskiTechnische Universität MünchenWeihenstephaner Steig 22D – 85354 Freising
fon + 49 89 8161 71-3437fax + 49 89 8161 71-4515
Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
Lehrstuhl für LebensmittelverpackungstechnikProfessor Dr. rer. nat. Horst-Christian Langowski
Permeationskoeffizienten bei 296 K, jeweils für konventionelle Kunststoffe, verfügbare thermoplastische Bio-polymere und pflanzliche Kutikeln
Kutikula der Physalis-frucht in der Aufsicht und als Querschnitt (rechte Seite)
Wasserdampfdurchlässigkeit in g (m2 d) bei 23° C, 85 % –> 0 % relativer Feuchte und 100 μm Materialstärke
100
10
1
0,1
0,01
0,001
PE-LD PP
PE-HD
PVC-U PET
EVOH 27 %
Stärk
eblen
dsPCL
Cellulo
seder
ivate
Molk
enpro
tein
PLA
Paprik
a
Physa
lis
Tom
ate
Oleand
erEfeu
Permeationskoeffizient für O2 bei 23° C und 75 % relativer Feuchte in (cm3 (STP) 100 μm) / (m2 d bar)
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
PE-LD PP
PE-HD
PVC-U PET
EVOH 27 %
Stärk
eblen
dsPCL
Cellulo
seder
ivate
PLA
Molk
enpro
tein
Paprik
a
Physa
lis
Tom
ate
Oleand
erEfeu
Permeationskoeffizient für CO2 bei 23° C und 75 % relativer Feuchte in (cm3 (STP) 100 μm) / (m2 d bar)
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
PE-LD PP
PE-HD
PVC-U PET
EVOH 27 %
Stärk
eblen
dsPCL
Cellulo
seder
ivate
PLA
Paprik
a
Physa
lis
Tom
ate
Oleand
erEfeu
22 23
Lehrstuhl für ZoologieProf. Dr. rer. nat. Harald LukschTechnische Universität MünchenLiesel-Beckmann-Str. 4D – 85354 Freising
fon + 49 89 161 712-801fax + 49 89 161 712-802
Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
Lehrstuhl für ZoologieProfessor Dr. rer. nat. Harald Luksch
Der Lehrstuhl für Zoologie widmet sich als Teil des Departments für Tierwissen-schaften am Wissenschaftszentrum Weihenstephan der neurobiologischen Grundlagenforschung an Wirbeltieren und Invertebraten. Der Schwerpunkt des Lehrstuhls ist die grundlegende Unter- suchung der neuronalen Mechanismen, die der Wahrnehmung und multimodalen Integration von Umweltreizen zu Grunde liegen. Im Sinne der bionischen Forschung verfolgen die Projekte am Lehrstuhl für Zoologie einen klassischen „Bottom-Up“-Ansatz. Die Grundlagenforschung dient hier der Aufdeckung und Entschlüsselung der neuronalen Schaltkreise. In folgenden Schritten werden die modellierten neuro-nalen Netze in Algorithmen umgewandelt und stehen dann zur Implementierung in technische Systeme zur Verfügung.
Zur Umsetzung dieses Ansatzes verfolgen die Forschungsprojekte einen stark vergleichenden Ansatz, wodurch eine Vielzahl verschiedener Sinnessysteme (visuelles System, Infrarotwahrnehmung, Auditorik, Ultraschallnavigation und Mechanosensorik) und Organismen (Haushuhn, Schlangen, Fledermäuse und Wanzen) untersucht werden. Das zentrale Bindeglied der Projekte bildet das Tectum opticum (Superior colliculus beim Säugetier) im Mittelhirn. Diese neuronale Struktur stellt das multimodale Zentrum dar, welches die Informationen der verschiedenen Sinnessysteme integriert. Zur Untersuchung der relevanten Parameter für die multimodale
Integration, werden unsere Modell- organismen daher mit zwei unterschied-lichen Sinnesmodalitäten konfrontiert. So werden im Verhaltensexperiment und durch Neurophysiologische Methoden die Reaktion von Fledermäusen und Hühnern auf die Kombination von akus-tischen und visuellen Reizen untersucht. Der gleiche Ansatz wird bei der Unter- suchung der Integration des Infrarotsinns der Klapperschlangen in das optische System verfolgt, indem der akustische Reiz durch einen Infrarotreiz ersetzt wird.
Im Bereich der Bionik bietet der Lehrstuhl zudem mehrere Lehrveranstaltungen Bionik an. Die Veranstaltung „Bionik“ be- steht aus einer Vorlesung mit begleitenden Übungen und ist Teil des Studiengangs Ingenieurswissenschaften (Bachelor of Science) an der Munich School of engi-neering (MSE). Ziel der Lehrveranstaltung ist es, den angehenden Ingenieure die Konzepte der bionischen Forschung näher zu bringen und sie durch Einblicke in die Grundlagen der Biologie auf zu-künftige Kooperationsprojekte zwischen Biologen und Technikern vorzubereiten. In dem Seminar „Aktuelle Themen der Neurobiologie: Neurobionik“ werden aktuelle neurobionische Forschungs-arbeiten vorgestellt und diskutiert. Um den Studenten zudem einen praktischen Zugang zu der Bionik zu ermöglichen, werden in Rahmen des „Botanisch Zoologischen Praktikums für Lehramt NB Master“ verschiedene Experimente mit bionischer Fragestellung durchgeführt.
As a part of the Research Department for Animal Sciences at the Center of Life and Food Sciences Weihenstephan, the Chair of Zoology concentrates on neurobiolo-gical basic research on vertebrates as well as invertebrates. In particular our focus is on the fundamental investigati-on of neuronal mechanisms underlying perception and multimodal integration of environmental stimuli. For the purpose of bionic research, projects at the Chair of Zoology pursue a traditional „bottom-up“ approach. Basic research provides a basis for uncovering and decoding of neuronal circuits. In subsequent steps suitable networks can be transferred into algorithms for implementation in technical applications.
Current research projects investigate the integration of different sensory systems (visual system, infrared sensing, auditory system, ultrasound echolocation, mechanosensation) in various organisms (domestic chicken, snakes, bats, crickets and heteroptera). The central link of our projects is the midbrain optic tectum (superior colliculus in mammals). This neuronal structure is known as a multi-modal center that integrates incoming in-formation from different sensory systems. The principles of this integration and the general algorithms that can be derived, are currently investigated by a combina-tion of behavioral and neurophysiological experiments. Moreover, a collaborative research project with the Chair for theo-retical Biophysics studies the detection
of flow fields in crickets. This project already provides concrete applications for flow field detection in technical systems.
In the field of biomimetics the Chair of Zoology offers various teaching modules. In the curriculum of the bachelor study Science of Engineering at the Munich School of Engineering (MSE) a special lecture „Bionik“ with accompanying exercises is taught. The aim of this course is to introduce the students into the concepts of biomimetic research and prepare them for future collaborative projects with biologists. In the seminar “Aktuelle Themen der Neurobiologie: Neurobionik current research articles on the topic of neuro-biomimetics are discussed. To give students a more practical insight into the field, experiments with a biomimetic objective will be carried out in the practical course “Botanisch Zoologisches Praktium für Lehramt NB Master”.
24 25
Impressum
HerausgeberTUM Leonardo da Vinci–Zentrum für BionikUniv. Prof. i. R. Dr.-Ing., Dr.-Ing E.h., Dr. h.c. mult. Friedrich PfeifferLehrstuhl für Angewandte MechanikTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 152-00
Redaktion und LayoutM.Sc. Christopher MünzbergLinda Gustafsson-Ende, Nicola TabertshoferEva Körner
Lehrstuhl für ProduktentwicklungTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon + 49 89 289 151-51
DruckRapp Druck GmbHKufsteiner Str. 101D – 83126 Flintsbach am Inn
Veröffentlicht im August 2014
Übersicht der beteiligten TUM-Forschungsstandorte
Bildnachweise
1 Lehrstuhl für Angewandte Mechanik; 2 © Felix Wunner, © EpicStockMedia - iStockphoto.com, © Perig - shutterstock.com; 3 © cbpix - Fotolia.com; 4 / 5 Lehrstuhl für Angewandte Mechanik; 6 © Peter Röhl / pixelio.de, Dr. Christoph Hein / utg; 7 © Josef Mair / utg; 8 Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik; 9 © vitanovski - iStockphoto.com; 10 © Bernhard Seeber; 11 © MED-EL; 12 © T35 / ITR, © Sebastian Urban / T35; 13 © H. Zell / WIKIMEDIA COMMONS; 14 © Lehrstuhl für Statik, © sergojpg - Fotolia.com, © skibreck - iStockphoto.com, © acilo - iStockphoto.com, © GlobalP - iStockphoto.com; 15 © Kirsanov Valeriy Vladimirovich - shutterstock.com; 16 © Earl Carter, Dieter Kraß, LAVA Chris Bosse, Monika Sabat; 17 © reptiles4all - shutterstock.com; 18 Carla Baumann, David Gautrand / Julian Eberhart; 19 © tulip - flickr.com; 20 Lehrstuhl für Lebensmittel- verpackungstechnik, Fraunhofer IVV; 21 © yvdavid - Fotolia.com, Fraunhofer IVV; 22 © PD Dr. Uwe Firzlaff, Dr. Michael Gebhardt, Dr. Tobias Kohl; 23 Prof. Dr. Harald Luksch (© Eric Isselee - shutterstock.com, © Pakhnyushcha - shutterstock.com); 25 Lehrstuhl für Produktentwicklung
Robotik- und Mechatronikzentrum,DLR Oberpfaffenhofen
StammgeländeTU München
WissenschaftszentrumWeihenstephan
ForschungszentrumGarching
Klinikum„Rechts der Isar“
