Bionik 3 Milliarden Jahre Entwicklungszeit nutzen

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1 Bionik 3 Milliarden Jahre Entwicklungszeit nutzen Dr. Olga Speck Kompetenznetz Biomimetik Plant Biomechanics Group Freiburg Bionik-Wirtschaftsforum - Osnabrück, Leitfragen Was sollen wir mit Bionik? Wer kann Bionik wo einsetzen? Was können wir mit Bionik erreichen? (technology push) Welche marktrelevanten Aufgaben können mit Hilfe der Bionik erreicht werden? (market pull) Wo ist eine bionische Lösung besser als andere Lösungen? 1

2 Übersicht Bionik Biotechnologie Facetten der Bionik Prozesse des bionischen Arbeitens Chancen und Grenzen der Bionik Erfolgsbeispiele Bionik Biomimetik Bionik: oder Kunstwort Biomimetik aus Biologie und Technik 1960 bionics von oder Jack biomimetics E. Steele (bionics) 2

3 Bionik Biotechnologie Bionik / Biomimetik Lebewesen dienen als Ideengeber für technische Umsetzungen, sind aber nicht in die Herstellung bionischer Produkte eingebunden. Biotechnologie mikro-, molekularbiologische und biochemische Inhalte Nutzung von Lebewesen für die Produktion von gewünschten oder den Abbau von unerwünschten Substanzen Facetten der Bionik Schroedel-Verlag VDI-Definition (1993) Bionik als Wissenschaftsdisziplin befasst sich systematisch mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktionsprinzipien biologischer Systeme Querschnittswissenschaft 3

4 Bionik-Klassiker Der Traum vom Fliegen Was kann wohl Närrischeres und Lächerlicheres erdacht werden, als wenn man in der Luft fliegen, fahren oder schwimmen will. Andrea Agricola, ca Bionische Lösung Der Traum vom Fliegen Biologisches Vorbild: Vogel Biologisches Vorbild: Samen von Macrozanonia Technische Umsetzung: Flugapparat Erfinder: Leonardo da Vinci ( ) Technische Umsetzung: Nurflügler (1906) Erfinder: Igo Etrich ( ) 4

5 Bionische Lösungen Klettverschluss (Velcro ) Biologisches Vorbild: Klettfrüchte Technische Umsetzung: Klettverschluss (1948) Erfinder: George de Mestral ( ) Bionisches Arbeiten Bottom up Prozess Technischer Pflanzenhalm 5

6 Biologisches Vorbild Pfahlrohr (Arundo donax) Süßgras bis zu 6 m hohe Bestände Klarinettenrohr Windschutz, Flechtwerk, Matten, Angelruten, Futterpflanzen Modellpflanze Pfahlrohr Funktionsanatomie & Biomechanik Halm Spannung [MPa] µm Z R Dehnung [%] Rhizom Zugversuch Rhizom 6

7 Prinzipverständnis -Schwingungsverhalten 1,5 1,0 0,6 m 1,0 m 1,6 m 2,0 m 2,5 m 3,1 m 3,6 m 4,0 m 1,5 1,0 Auslenkung [m] 0,5 0,0 Auslenkung [m] 0,5 0,0-0,5 Zeit [s] -0,5 Zeit [s] -1, , (a) Pflanze mit Blättern (b) Pflanze nachdem die Blätter und die Spitze entfernt wurden Abstraktion Gradientenmaterial 7

8 Flechtpultrusions-Anlage ITV Denkendorf ITV Denkendorf ITV Denkendorf Bionisches Produkt Technischer Pflanzenhalm 8

9 Technischer Pflanzenhalm Innovation ITV Denkendorf Bionisches Arbeiten Top down Prozess Selbstreparierende Membranen 9

10 Technisches Problem Luftausstrom Tensairity Luscher Architectes SA Zug (Kabel) Druck (Stab) Stabilisation (Luft) prospective concepts ag & Airlight Ltd Kann die Natur helfen? 1 2 Biologisches Funktionsprinzip F b Technisches Funktionsprinzip F t Smart Material : Pflanze Schaum Funktion: Rissverschluss F b = F t stopp F nein b ähnlich F t? ja 3 4 stopp nein Biologische Randbedingungen R b Technische Randbedingungen R t R b ähnlich R t? ja Biologisches Gütekriterium G b Technisches Gütekriterium G t stopp G nein b ähnlich G t? ja Nutzung der evolutiven Lösung Smart Material : Pflanze Schaum Randbedingung: offenporig R b R t Smart Material : Pflanze Schaum Randbedingung: geschlossenporig R b =R t Smart Material : Pflanze Schaum Gütekriterium: schnelle Selbstreparatur G b =G t Ingo Rechenberg TU Berlin, Vorlesung Die 7 Denkschritte in der Bionik 10

11 Biologische Vorbilder Analogien & Prinzipien reparierter Riss Aristolochia macrophylla (Pfeifenwinde) 2 jähriger Stängel 3 mm Selbstreparierende Materialien Abstraktion & technische Umsetzung Die Übertragung der pflanzlichen Wundheilung im Labormaßstab: Bionische Beschichtung: PU-Schaum polymerisiert unter 2 bar Überdruck Selbstreparatur: sofort nach Verletzung Reparaturfaktoren: Verringerung der Geschwindigkeit des Druckabfalls um 2 3 Größenordnungen 11

12 Bionisches Arbeiten im Vergleich Top down Prozess Niedrigere Erfindungshöhe Kurze Entwicklungszeit Bottom up Prozess Größere Erfindungshöhe Lange Entwicklungszeit Chancen und Grenzen der Bionik Bionik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. kopiert nicht biologische Vorbilder. ist ein zusätzliches Entwicklungstool. bietet Anregungen aber keine Patentrezepte. ist nicht per se ökologisch. kann missbraucht werden. 12

13 Erfolgsbeispiele Auswahl Bauteiloptimierung Klettverschluss (Velcro ) Lotus Effect Knut Braun Bionic Car Evolutionsstrategien Universitätsbauamt Freiburg Leichtbauwerke 13