BLAIMSCHEIN Sarah FINK Kerstin MAZANEC Sonja

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1 BLAIMSCHEIN Sarah FINK Kerstin MAZANEC Sonja

2 1. BIONIK TEILGEBIETE DER BIONIK KONSTRUKTIONSBIONIK SENSORBIONIK STRUKTURBIONIK VORGEHENSWEISE DER BIONIK BIONIK ALS TOP-DOWN-PROZESS BIONIK ALS BOTTOM-UP-PROZESS (ABSTRAKTIONS-BIONIK) BIONIK ANGEWANDT ALS BEISPIEL DIE BMW GROUP, MÜNCHEN NATÜRLICHE HOHLRAUMGEBILDE... 6 INNENHOCHDRUCK UMFORMVERFAHREN POLYMERE (Z.B. INNENGEWEBE VON KNOCHEN)... 6 SPRITZGUSS-INTEGRALSCHÄUMEN FISCHE, DELPHINE, PINGUINE... 7 STRÖMUNGSOPTIMIERUNG PFERDEKÖRPER... 7 GESAMTGEWICHT VERSUS TRAGENDE STRUKTUR BIONIK MIT BLICK IN DIE ZUKUNFT... 8 QUELLEN:... 9

3 1. Bionik Bionik ist die Nutzung des Erfahrungsschatzes der Natur sowohl für bessere Produkte und Dienstleistungen als auch für besseres Management von sozialen Systemen. Verbindet man die Technik mit der Biologie, so erhält man Bionik. Doch dies ist nicht nur ein Wortspiel, sondern bringt zum Ausdruck, wie für technische Anwendungen Prinzipien verwendet werden können, die aus der Biologie abgeleitet werden. Allgemein beschäftigt sich die Bionik mit der Entschlüsselung der Erfindungen der belebten Natur und deren innovativen Umsetzung in die Technik. Im englischen Sprachraum versteht man unter bionics die Konstruktion von künstlichen Körperteilen bzw. die Kombination von Biologie und Elektronik/Technik. Der englische Begriff setzt sich aus mehreren Bereichen zusammen, welche im deutschen als Bionische Prothetik bezeichnet werden: Artificial Vision : In Zukunft wird die Entwicklung von Prothesen für behinderte Menschen eine wesentliche Rolle im Bereich der Medizin spielen. Bionic Limbs : Muskelähnliche Stellglieder für Extremitätenstümpfe. Hi-Fi Cochlear Implants : Ein erfolgreiches Beispiel für bionics sind cochlear implants. Das sind Elektroden, die in das Ohr implantiert werden, um Nerven im Gehörgang zu stimulieren und somit tauben Menschen ihr Hörvermögen wieder zu geben. Bionic Person : Die Expertenmeinungen gehen diesbezüglich auseinander. Der Experte Dr. William Jenkins zweifelt am bionischen Menschen, ist jedoch der Ansicht, dass diese Implantat-Technik eine solide und zukunftsträchtige Basis bildet. Dr. Donald R. Humphrey ist davon überzeugt, dass schon im Jahr 2050 die erste Bionic Person existieren wird. 2. Teilgebiete der Bionik Allgemein gelten diese Punkte als Teilgebiete der Bionik: Strukturbionik Gerätebionik Baubionik Athropobionik Konstruktionsbionik Sesorbionik Klimabionik Neurobionik Bewegungsbionik Verfahrensbionik Evolutionsbionik 2.1. Konstruktionsbionik In der Konstruktionsbionik werden Mechanismen der technischen und der biologischen Welt miteinander verglichen.

4 Die Aufgabe dieser Unterwissenschaft ist zu untersuchen, wie Konstruktionselemente (z.b. Pumpkonstruktionen: Speichelpumpen, Herz) zu funktionierenden Gesamtkonstruktionen zusammenarbeiten. In der Natur müssen Konstruktionen oft eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen können. Das männliche Geschlechtsorgan dient gleichzeitig dem Urinieren wie der Fortpflanzung, die Nase analysiert gleichzeitig Gerüche, filtert die Atemluft und dient der Sauerstoffaufnahme. Für die Rationalität einer technischen Konstruktion und nicht zuletzt der Preisfrage wegen sind Konstrukte, die viele Aufgaben erfüllen können (Pumpen, die saugen und Pumpen können), sehr wichtig. Das Klett - Prinzip, das einige Pflanzen zum Samentransport oder einige Wurmarten zur Fortbewegung nutzen, wurde vor etwa 30 Jahren dazu verwendet, Fototaschen mit verschiebbaren Innenfächern zu konstruieren. Heute verwendet man den Klettverschluss für Schuhe, Taschenverschlüsse, Bandagen, etc. 2.2 Sensorbionik Die Sensorbionik beschäftigt sich mit der Aufgabe, physikalische und chemische Reize zu messen und für unseren Verstand begreiflich zu machen. Auch Ortung und Orientierung gehören zu diesem Bereich. Im Körper des Menschen kreisen Stoffe in hoher Verdünnung, die für heutige Analysen kaum wahrnehmbar sind. Die Sensorbionik bedient sich beispielsweise einem Insekt, dessen Fühler extrem empfindlich auf den gewünschten Stoff reagieren, und wertet dann die entstehenden elektrischen Signale aus. Die Fledermaus ist ein nachtaktives Tier, das seine Nahrung (Insekten) mit einem Sonarsystem ortet. Das System ist dem des Radars ähnlich, funktioniert aber einfacher und ist auch einfacher nachzubauen, z.b. für Abstandsmessungen für Rückfahrtswarneinrichtungen in Lastwagen, Vermessungsgeräte für den Hausbau, usw. 2.3 Strukturbionik Strukturbionik ist der Überbegriff für die Erforschung von technisch verwertbaren Materialien und Strukturen, die man in der Natur findet. Unkonventionelle Materialien und Strukturen (zum Beispiel ein Wespennest, das interessante Strukturen und einfachste Materialien mit höchst möglicher Effizienz kombiniert) werden auf ihre Eignung für die kommerzielle Transformation geprüft. Im Jahr 1959 entdeckte ein Forscher den Bildungsprozess der Diatomeenschale. Die Zelle synthetisiert kleine Fetttröpfchen, die sich an der Oberfläche anordnen und sich gegeneinander abplatten. In die Hohlräume wird Kieselsäure injiziert. Nach Abbau der Fetttröpfchen bleibt ein Kieselsäureskelett übrig, das stabil gegen Flächendrücke

5 reagiert. Ein Architekt übernahm diese Technik und presste Gummiblasen zwischen zwei Blasen. Die entstehenden Hohlräume füllte er mit Gips aus und verwendete die Konstruktion für Abdeckungen und dergleichen. 3. Vorgehensweise der Bionik Bionik als top-down-prozess 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 Otto Lilienthal und die Gebrüder Wright beobachteten den Flug großer Vögel, bevor sie ihre Prototypen bauten Bionik als bottom-up-prozess (Abstraktions-Bionik) 1. biologische Grundlagenforschung: Biomechanik und Funktionsmorpholgie von biologischen Systemen 2. erkennen und beschreiben eines zu Grunde liegenden Prinzips 3. Abstraktion dieses Prinzips (Loslösung vom biologischen Vorbild und Übersetzung in nicht-fachspezifische Sprache) 4. mögliche technische Anwendungen suchen 5. in Kooperation mit Ingenieuren, Technikern, Designern, etc. eine technische Anwendung entwickeln Strukturoptimierungen von Bauteilen - Wuchsformen von Bäumen. 4. Bionik angewandt als Beispiel die BMW Group, München In der Fahrzeug- und Motorenentwicklung der BMW Group kommt auch die innovative Entwicklungsmethode der Bionik zum Einsatz. Als zentrales Ziel der Automobilentwicklung gilt es die Komponenten möglichst leicht und ressourcenschonend, gleichzeitig aber auch möglichst stabil und belastbar zu konstruieren.

6 Prof. Dr. Burkhard Göschel, Mitglied des Vorstands der BMW AG: Bionische Denkweisen bereichern und ergänzen klassische Konstruktionsmethoden. Deshalb nutzen wir sie bei BMW gezielt. Mit ihnen lassen sich Effizienzpotentiale im Produktentstehungsprozess erschließen. Werkstoffe und Bauteile sind mit Hilfe evolutionsähnlicher Prinzipien verbesserbar. Die Beispiele hierfür sind zahlreich: Im Zuge intelligenten Leichtbaus bedeutet weniger Gewicht mehr Dynamik und weniger Verbrauch. Die Weisheit der Natur war das Leitmotiv der Weltausstellung vom bis in Aichi, in Japan, wo auch die BMW Group Ihre Innovationen präsentierte: Natürliche Hohlraumgebilde Innenhochdruck Umformverfahren In der Natur findet man vielerorts, bei Pflanzen oder Tieren hochgewachsene, hochkomplexe Hohlraumgebilde, die leicht, flexibel und gleichzeitig widerstandsfähig sind. Das entspricht genau den Eigenschaften, die auch im Automobilbau gefragt sind. Die Hohlstruktur von Vogelfederholmen oder die kunstvoll geschwungenen Körperstrukturen von Krebs- und Spinnentieren sind natürliche Vorbilder mit interessantem Funktionsprofil. Sie sind robust, leicht und zugleich flexibel. Sie bestehen oft nur aus einem einzigen Stück und können auch somit bei Bedarf viel Energie absorbieren, wodurch sie ideal auf ihren Einsatzzweck in der Natur ausgerichtet sind. Solche Funktionsprofile haben BMW Spezialisten mit Hilfe der ausgefeilten Verfahrenstechnik Innenhochdruck-Umformung für die Fahrwerksgestaltung effizient erschlossen. Bei Hinterachsen wird das Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU) angewandt. Dabei werden metallische Rohre zunächst gebogen und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt. An beiden Rohrenden wird dann unter hohem Druck Hydraulikfluid oder Luft eingepresst, so dass das Metall die Kontur des Werkzeugs annimmt. In den Rohren entsteht dabei der enorme Druck von bis zu bar. Diese Fertigungstechnik ermöglicht Bauteilgeometrien, die den im Unterboden vorhandenen Bauraum hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit der Achsen optimal nutzt und dabei noch Gewicht spart. IHU-Teile in dieser komplexen Form werden bisher nur bei BMW gefertigt. (Quelle: BMW Group 2005) Polymere (z.b. Innengewebe von Knochen) Spritzguss-Integralschäumen Das schwammige Innengewebe von Knochen, welches sehr leicht ist, hohe Belastungen standhält und eine entsprechende Elastizität mit sich bringt diente den BMW Experten zur Entwicklung einer völlig neuen Verfahrenstechnik, das sogenannte Spritzguss-Integralschäumen. Die BMW Ingenieure des Landshuter

7 Innovations- und Technologiezentrums (LITZ) suchten ein Material für das Armaturenbrett des aktuellen BMW 3er dass gleichzeitig energieabsorbierend, ergonomisch und ökonomisch ist. Beim Spritzguss-Integralschäumen werden der Kunststoffschmelze Treibmittel zugesetzt, die bei Hitze definiert Gas freisetzen, vergleichbar mit der Wirkung von Hefe als Treibmittel im Kuchen. Wenn die Werkzeugform gefüllt ist und die Oberflächen des Bauteils erstarrt sind, wird die Form um einen exakt definierten Hub geöffnet. Der Effekt: der Druck im noch flüssigen Inneren des Bauteils fällt und das Gas kann die Kunststoffschmelze aufschäumen. Ergebnis: Rund 20 Prozent weniger Gewicht. (Quelle: BMW Group, 2005) Fische, Delphine, Pinguine Strömungsoptimierung Die Tierwelt wurde auch hier wieder als Beispiel für die Gestaltung der Strömungsoptimierung der BMW Automobile herangezogen. Für den BMW-Rennwagen, sprich Wasserstoff-Rekordfahrzeug H 2 R konnte man durch die Betrachtung der widerstandsarmen Delphinkörper wie auch dem Pinguin und der Gestaltung von Flügeln neue Spitzengeschwindigkeiten erreichen. Wie bei diesen natürlichen Meistern der Stromlinienform konnte auch beim H 2 R ein Abriss der Strömung verhindert sowie eine wirbelfreie, turbulenzarme Umströmung für die Erreichung minimalen Widerstands gewährleistet werden. Mit dem Wasserstoff-Rekordfahrzeug H 2 R haben die Ingenieure von BMW einen Meilenstein in der Automobilgeschichte gesetzt. Der Zwölfzylindermotor mit sechs Litern Hubraum leistet über 210 kw/285 PS im Wasserstoffbetrieb. Damit beschleunigt der Prototyp in ca. sechs Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 und erreicht eine von der FIA bestätigte Spitzengeschwindigkeit von 300,175 km/h. Diese Höchstgeschwindigkeit wurde nicht zuletzt durch eine extrem optimierte Aerodynamik ermöglicht. Der gerundete Bug sowie das stark eingezogene Fahrzeugheck ermöglichen zusammen mit der äußerst geringen Stirnfläche des Fahrzeugs einen hervorragenden Luftwiderstandsbeiwert von c w =0.21. Im Vergleich dazu hat eine aerodynamisch ebenfalls perfektionierte BMW 7er Limousine trotz großer Abmessungen auch nur einen Luftwiderstandskoeffizienten von c w =0.29, eine Kugel liegt bereits bei dem enormen Wert von c w =0.5. (Quelle: BMW Group, 2005) Pferdekörper Gesamtgewicht versus tragende Struktur Weiters haben sich die BMW Group Spezialisten im Bereich der Metallverwendung auf natürliche Lebewesen, wie das Pferd als Anstoß zur Erforschung von Leichtbaustrukturen für die weitere Entwicklung der Karosserie-Struktur zur näheren

8 Betrachtung herangezogen. Die Metall-Experten der BMW Group erforschen derzeit verschiedene Skelette von Säugetieren, die im Laufe von mehreren hundert Millionen Jahren über die Evolution ideal gestaltet wurden. Die Struktur der Karosserie eines Fahrzeuges trägt auch viele andere Teile des Automobils, ähnlich dem Skelett eines Säugetiers. Beim BMW 3er nimmt die Karosserie rund 20 Prozent des Totalgewichts ein. Das Skelett eines Menschen schlägt in diesem Verhältnisansatz mit bis zu 18 Prozent zu Buche. Beim Pferd wurde dieser Quotient perfektioniert: nur zwischen sieben bis zehn Prozent bezogen auf das Gesamtgewicht wiegen die Knochen, der Rest überwiegend Antrieb und Energiehaushalt. Nicht zuletzt deshalb werden Pferde ihrem Ruf als effizientes Arbeits- und Lasttier seit vielen Hunderten von Jahren gerecht. Das Geheimnis hinter diesem effizienten Gewichtsquotienten liegt in der Knochenstruktur und Dichte begründet. (Quelle: BMW Group, 2005) 5. Bionik mit Blick in die Zukunft Aufgrund von innovativen, faszinierenden und umweltfreundlich-technischen Anwendungen wird Bionik als Technologie der Zukunft bezeichnet. Die Geheimnisse und Mysterien der Natur sind noch lange nicht ausgeschöpft und bergen noch so manche unerforschte Gebiete. Die Bionik bietet schon jetzt ein beeindruckendes Produktspektrum, das in unterschiedlichsten Marktsegmenten Eingang gefunden hat, und wird auch in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Bionik ist ein zukunftsorientierter, effizienter Bestandteil der Forschung und Entwicklung, die hilft das Leben zu erleichtern und zu verbessern.

9 Quellen: Stummer, Günther und Köck, Skript ABWL Innovations- und Technologie- Management, September 2005 Werner Nachtigall: Bionik, Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschafter Werner Nachtigall, Kurt Blüchel: Das große Buch der Bionik BMW Group 2005