05_BfR Berlin_092013_Teil_1.pptx - GV

Bionik – von Leonardo bis ins 21. Jahrhundert
42. Seminar des BfR über Versuchstiere und Tierversuche , Berlin, 10. und 11. September 2013
Knut Braun, D.V.M., CEO Internationales Bionik-Zentrum, München/Saarbrücken
1. Na (ab 70er Jahre):
„Lernen von der Natur für eigenständiges
ingenieurmäßiges Gestalten“
2. VDI (1993)
„Wissenschaftliche Disziplin
befasst sich mit der technischen Umsetzung
und Anwendung von Konstruktions-,
Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien
biologischer Systeme.“
Zur Vorgehensweise
in der Bionik
Market Pull – Top-Down
Technology Push – Bottom-Up
1. Problem definieren
1.  biol. Grundlagenforschung: Biomechanik
+ Funktionsmorphologie biol. Systeme
2. in der Natur Analogien suchen
2. erkennen + beschreiben eines zu Grunde
liegenden Prinzips
3. Vorbilder aus der Natur analysieren
3. Abstraktion eines Prinzips; Loslösung vom
biol. Vorbild, Übersetzen in nicht-fachspezifische Sprache
4. mit Erkenntnissen aus der Natur
Ideen für das zu lösende Problem
suchen
4. mögliche technische Anwendung suchen
5. in Kooperation mit Ingenieuren, Designern,
Technikern usw. eine technische Anwendung entwickeln
Leonardo da Vinci
(1452 – 1519)
Universalgelehrter +
der erste „Bioniker“
• frühe Arbeiten über Vogelflug
• klassisches Werk „Sul volo
degli uccelli“ (Florenz, 1505)
Leonardos Entwurf
eines Fallschirms
ca. 1484
Wiesenbocksbart (Trapogon pratensis)
Sir George Cayley + die
Entwicklung des Fallschirms (1829)
Wilhelm Bauer ( 1822 – 1875 )
und der eiserne Seehund
Wilhelm Bauer sucht während
der Erhebung von SchleswigHolstein gegen Dänemark
1849 ein Verfahren, um sich
im Wasser unbemerkt dem
Feind zu nähern. Inspirieren
lässt er sich dabei vom lautlosen Abtauchen von Seehunden
Der Klettverschluss
von de Mestral, 1948
In the early 1940's, Swiss inventor George de Mestral went on a walk with his dog...
Upon his return home, he noticed that his dog's coat and his pants were covered with
cockleburrs. His inventor's curiosity led him to study the burrs under a microscope,
where he discovered their natural hook-like shape.
This was to become the basis for a unique, two-sided fastener - one side with stiff
"hooks" like the burrs and the other side with the soft "loops" like the fabric of his
pants. The result was VELCRO® brand hook and loop fasteners, named for the
French words "velour" and "crochet."
Der Riblet-Effekt
  Reif + Bechert seit 1972
  1990 Testfolie von 3M
  1992 erster Testflug A310
REM-Aufnahme der 3M Folie + von Schuppen des
Mako
© Dr. A. Wisser
Riblets auf dem Airbus A380-800
max. Startgewicht
Treibstoffgewicht
Nutzlast: 550 Passagiere
560 t
204 t
88 t
Wandreibung: 50% des Gesamtwiderstands
ca. 6% Verminderung der Wandreibung kann erreicht werden
ca. 70% der Flugzeugoberfläche können beklebt werden
2% weniger Treibstoff werden verbraucht
1/3 der DOC werden durch Treibstoffkosten verursacht
0,7% geringere DOC
außerdem
2% Treibstoff 4t Gewicht werden gespart
4,5% mehr Nutzlast
Der Lotuseffekt®
„Regentropfen bleiben auf
gewissen Blättern kugelrund und klar stehen, ohne
zu zerfließen, welches wir
wohl billig irgend einem
ausgedünsteten Wesen zuschreiben.“
J. W. von Goethe
Schmutz wird nur
verlagert
Schmutz wird durch
Wasser vollständig
entfernt
Patent 1995 EP 0772514
Lotuseffekt-Anwendungen seit 1999
• Lotusan
• Dachziegel (ERLUS)
• Spezialgläser (FERRO)
• Tegotop 105
• TREND (Dr. Oetker)
• Wheel protectant (Chlorox)
1999
2004
2004
2008
2010
Anwendungen in der Medizin
Klassisch: Stiel-Rohr-Verankerung, keine
Orientierung am physiologischen Aufbau
des Knochensystems
Bionische Endoprothese
nach Copf
Der für die Tragfähigkeit entscheidende
Spongiosaraum bleibt soweit erhalten,
dass sich unter Ausnutzung der natürlichen Regenerations- und Adaptionsfähigkeit eine neu orientierte Spongiosastruktur aufbauen kann.
schnelles Verwachsen mit dem
verbliebenen Knochen
Zecken als Lehrmeister für eine
neue Dübelgeneration
„Die Bioniker“
  gegründet 2010
  Bionic Award 2010
  Fischer BioFix 2011
Verankerung
von Dübeln in
Dämmplatten,
Styropor, Gipskartonplatten
Biologische Stoßdämpfer
Stachelschweine schützen sich bei
Stürzen vor Verletzungen durch ihre
Stacheln. Die Stacheln vereinen
Biegefestigkeit,
Dämpfungseigenschaften und
Leichtbau. Sie sind in eine Schicht aus
Hautmuskulatur eingebettet
Bambushalme sind Faserverbundwerkstoffe. Leitbündel und Fasern sind in
Parenchymgewebe eingebettet. An den
Grenzflächen zum Parenchym entstehen Scherspannungen, die zur Dämpfung schwingender Halme beitragen.
Vom Igel zur
bionischen
Schockpalette
Das Problem:
das Dämpfen von Stößen ist für den
Transport empfindlicher Güter existenziell.
Mögliche Vorbilder aus der Natur:
  Igel
  Stachelschwein
  Bambus
Wanderfalken als Vorbild
für einen „Nurflügler“
Wanderfalken (Falco peregrinus) erreichen im Sturzflug eine
Geschwindigkeit von bis zu 360 km pro Stunde und sind
trotzdem in der Lage, kurz vor der Bodenberührung eine
Vollbremsung zu vollziehen. Dabei entsteht eine Belastung für
den Körper, die dem 8 – 9fachen des Eigengewichts entspricht.
Aufgrund der Untersuchungen der Wissenschaftler in
Freiberg und Bonn sollen Flugzeugkonstrukteure neue
Denkanstöße erhalten.
Quelle: Institut für Mechanik und Fluiddynamik, TU Freiberg, 2013
Einsatzmöglichkeiten der Bionik bei
Airbus
Biologisches Prinzip: Vogelknochen
Biologisches Prinzip: Bambus
Technische Umsetzung: Bionisch inspirierte
Struktur (© Airbus)
Technische Umsetzung: Bionische Halterung
(© Airbus, 2013)
Swarming – Logistik lernt von Ameisen
• Ameisen kennzeichnen Wege via
Pheromonen
• Nachfolgende Tiere verstärken
die Duftmarke + sichern so die
optimale Route
• Verteil-Parallele Algorithmen +
Optimierungsverfahren ermöglichten die Erstellung eines mathematischen Entscheidungsmodells
• Pheromone werden durch gewichtete Wahrscheinlichkeiten ersetzt
• In konkretem Fall CO2 um 20%
Quelle: Prof. J. Homberger, HFT Stuttgart
Steve Jobs, 2011
“I think the biggest innovations of the 21st
century will be at the intersection of biology
and technology. A new era is beginning.”
„Bevor du ein Problem selber zu lösen versuchst, schau in der Natur nach, ob sich
dort schon etwas entwickelt hat.“
Prof. Fredmund Malik
Hungrig auf neue Erkenntnisse
der Bionik ???
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