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BIOKON - Das Bionik-Kompetenznetz

AVK-Preis
Das Preisträger Team erhielt den Bronze-AVK-Innovationspreises 2017 für die bionische Fassadenverschattung Flectofold.

Aktuelles // 02. Oktober 2017

Fleischfressende Pflanze inspiriert Architektur

Für die Entwicklung der bionischen, gelenkfreien Fassadenverschattung „Flectofold“ nach dem Vorbild der fleischfressenden Wasserfalle (Aldrovanda vesiculosa) sowie der Streifenwanze (Graphosoma italicum) ist ein Konsortium verschiedener Arbeitsgruppen aus Stuttgart, Freiburg, Denkendorf und Tübingen am 18. September 2017 mit dem dritten Platz des AVK-Innovationspreises 2017 in der Kategorie „Forschung/Wissenschaft“ ausgezeichnet worden. Die AVK (Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. und AVK-TV GmbH) prämiert im Rahmen des „International Composites Congress“ in Stuttgart alljährlich herausragende Innovationen im Bereich Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) / Composites. Besonderer Wert wird dabei auf das Thema Nachhaltigkeit gelegt.

 

Der Flectofold ist eine hinsichtlich Bewegungsprinzip und Materialstruktur biologisch inspirierte gelenklose Fassadenverschattung für doppelt gekrümmte, komplexe Außenfassaden. Als biologische Ideengeber wurden die fleischfressende Wasserfalle (Aldrovanda vesiculosa) und die Streifenwanze (Graphosoma italicum) herangezogen. Inspiration für den gelenkfreien und effizienten Bewegungsmechanismus des Flectofolds war die schnelle Fangbewegung von Aldrovanda, welche anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen analysiert wurde. Die Bewegung wurde in mehreren Schritten abstrahiert und als „curved-line-folding“-Prinzip in die Technik übertragen. Hier sind zwei steife Flügel und eine steife, elliptisch geformte Mittelrippe durch eine Biegezone mit geringerer Steifigkeit verbunden. Die Durchbiegung der Mittelrippe initiiert das Auf- und Zuklappen der Flügel. Mittels computergestützten Simulationen konnte gezeigt werden, dass der Radius der Mittelrippe die für die Bewegung notwendige Aktuierungsenergie und gleichzeitig die Stabilität unter Wind- und Schneelasten bestimmt. Beim Flectofold wurde diesbezüglich auf ein ausgewogenes Verhältnis geachtet. Die funktionelle Morphologie des Wanzenflügels, welche ein gelenkloses Falten ermöglicht, wurde mittels verschiedener mikroskopischer Methoden untersucht. Die Resultate gaben Aufschluss über mögliche Gestaltungsrichtlinien für den Laminataufbau von faltbaren Faserverbundkunststoffen.

 

Der Flectofold wurde ursprünglich als Fassadenverschattungssystem insbesondere für doppelt gekrümmte Außenfassaden konzipiert. Das Funktionsprinzip lässt sich prinzipiell aber überall in der Technik einsetzen, wo bewegliche und wartungsarme Klapplamellen oder Regler benötigt werden, wie sie etwa in Lüftungsklappen, Öffnungs- oder Schließklappen oder adaptiven Klappmechanismen für Luft- und Raumfahrttechnik vorkommen. In diesem Zusammenhang ist vor allem die Bewegungsverstärkung basierend auf dem „curved-line-folding“ interessant, bei der eine relativ geringe Verformung der Mittelrippe zu einer großen Bewegung der Flügel führt. Der Flectofold wird mit einem pneumatischen, textilen Kissen, das hinter der Mittelrippe liegt, aktuiert. Durch Aufbau von lediglich 0,3 bar Luftdruck im Kissen werden im Flectofold große Bewegungen realisiert, die mit keinem anderen heutigen technischen System erreicht werden können. Herkömmliche Verschattungssysteme bestehen im Gegensatz zum Flectofold aus mehreren Einzelteilen, die über mechanische Gelenke miteinander verbunden sind. Je komplexer die Krümmungen der Außenfassaden, desto mehr Verbindungselemente sind erforderlich. Die häufigste Versagensursache solcher Systeme ist mechanischer Abrieb in den Gelenken, wodurch die Dauerfestigkeit der Systeme herabgesetzt und Wartungen notwendig sind. Der Flectofold kommt ohne Gelenke aus, so dass das gesamte System störungs- und wartungsarm betrieben werden kann.

 

Das Preisträger-Team :
Prof. Dr. Thomas Speck, Dr. Simon Poppinga & M.Sc. Anna Westermeier (Plant Biomechanics Group Freiburg/Botanischer Garten der Universität Freiburg), M.Sc. Larissa Born (ITFT Universität Stuttgart), Prof. Dr. Götz Gresser & Prof. Dr. Markus Milwich (Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf), Prof. Dr. Manfred Bischoff & M.Sc. Renate Sachse & (IBB Universität Stuttgart), Prof. Dr. Jan Knippers, M.Sc. Axel Körner, M.Sc. Anja Mader, M.Sc. Saman Saffarian & Dipl.-Ing. Gundula Schieber & (ITKE Universität Stuttgart) und Prof. Dr. Oliver Betz & M.Sc. Paavo Bergmann (Universität Tübingen).

VIP_Preis
Das Gewinner-Team (v.l.): Dr. Matthias Mail (Uni Bonn), Dr. Stefan Walheim (KIT), Dr. Martin Brede (Uni Rostock), Prof. Dr. Wilhelm Barthlott (Uni Bonn), Prof. Dr. Thomas Schimmel (KIT) und der Parlamentarische Staatssekretär Dr. Michael Meister (BMBF).
(c) Foto: Uni Bonn

Presse // 27. März 2019

Validierungspreis für neuartige Schiffstechnologien

Von schmutzabweisenden Oberflächen bis hin zu reibungsreduzierenden Lufthüllen an Schiffen: Biologische Vorbilder wie die Lotuspflanze oder der Schwimmfarn Salvinia lieferten für BIOKON-Ehrenmitglied Prof. Dr. Wilhelm Barthlott die Grundlage für die Revolutionierung neuer Materialien. Ihm wurden nun zusammen mit Mitarbeitern und Kollegen der Universität Rostock sowie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) vom Parlamentarischen Staatssekretär Dr. Michael Meister der renommierte Validierungspreis 2019 des Bundesforschungsministeriums (BMBF) verliehen. 

 

Ausgezeichnet wurden die neuesten zukunftsträchtigen Technologien in Deutschland, die an der Schwelle zur Anwendung stehen. „Das Projekt leitet eine revolutionäre Entwicklung in der Schifffahrt ein“, sagte der Vorsitzende des Gutachtergremiums Prof. Dr. Siegfried Neumann von der TU Darmstadt in seiner Laudatio bei der Verleihung, die während der Hightech Strategie-Innovationstagung VIP und VIP+ am 26.03.2019 in Berlin stattfand. Hochtechnologien aus der belebten Natur sind an der Universität Bonn das Thema der Bionik, mit dem sich der Biologe Prof. Dr. Wilhelm Barthlott seit drei Jahrzehnten beschäftigt. Seine Entdeckung des Lotus-Effektes wurde 1999 mit dem Deutschen Umweltpreis ausgezeichnet und erregt bis heute weltweit Aufsehen und hat ein großes wirtschaftliches Potential erschlossen. Wasser perlt von den Blattoberflächen der Lotuspflanze ab und nimmt dabei die Schmutzpartikel mit. Diese Selbstreinigungsfähigkeit verdankt die Lotuspflanze einer speziellen nanostrukturierten Oberfläche.

 

„Bei den neuen Arbeiten geht es um extrem wasserabstoßende Oberflächen und neue Anwendungspotentiale“, sagt Barthlott. „Es freut mich deshalb sehr, dass diese zukunftsweisenden Technologien mit dem Validierungspreis gewürdigt werden.“ Der Schwimmfarn Salvinia molesta ist extrem wasserscheu: Taucht man ihn unter und zieht in wieder heraus, perlt die Flüssigkeit sofort von ihm ab. Ein hauchdünnes Kleid aus Luft verhindert, dass die Pflanze mit Wasser in Kontakt kommt. Die Blattoberfläche von Salvinia ist so strukturiert, dass eine Luftschicht von ihr festgehalten wird. Diese Entdeckung lässt sich auch für Schiffe verwenden. Hält die Oberfläche des Schiffsrumpfes dauerhaft eine Lufthülle, ist die Reibung und damit der Spritverbrauch und Kohlendioxidausstoß der Schiffe sehr stark reduziert. Angesichts des Klimawandels und der schwindenden Vorräte an fossilen Ressourcen ist dies ein vielversprechender Ansatz: nicht nur wirtschaftlich, sondern auch extrem umweltfreundlich.

 

In den Jahren von 2002 bis 2017 hat Barthlott ununterbrochen in acht vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Projektphasen die Reibungsreduktion an Schiffshüllen (Passive Air Lubrication) grundlegend erforscht. Die Arbeiten führt Barthlott nach seiner Emeritierung im Jahr 2011 mit seinem Mitarbeiter Dr. Matthias Mail sowie Wissenschaftlern von der Universität Rostock und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) weiter.

 

„Das letzte Teilprojekt ARES - Air Retaining Surfaces - hat nun zu einem EU-Projekt mit einem Konsortium von zehn Partnern aus Industrie und Forschung aus sechs Ländern geführt“, berichtet Barthlott. Die relevanten drei Patente wurden 2007, 2008 und 2016 von der Universität Bonn angemeldet beziehungsweise sind erteilt. Die neuen Technologien werden von der Bonner Uni und der Patentagentur PROvendis auf der kommenden Hannovermesse vom 1. bis 5. April vorgestellt.

Quelle: Pressemitteilung der Universität Bonn

Cover-BIOTRAIN-Studie
Cover der Biotrain-Studie
Bild: © Fraunhofer-Gesellschaft

Presse // 22. März 2019

Biologische Transformation - wenn Technik und Biologie verschmelzen

Wir verbrauchen zu viele Ressourcen und belasten das Weltklima. Wohlstand und Umweltverträglichkeit müssen dringend wieder in Einklang gebracht werden. Der Ausweg: die Biologische Transformation. Doch was ist das? Wie wird sich die Welt und die Gesellschaft durch Biointelligente Systeme und Technologien verändern? Dazu hat die Fraunhofer-Gesellschaft eine Voruntersuchung erstellt.

 

BIOTRAIN heißt die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte und vom Projektträger Karlsruhe PTKA betreute Voruntersuchung. Die darin dokumentierte Analyse des Status quo zeigt, dass deutsche Unternehmen derzeit in vielen relevanten Bereichen der Biologischen Transformation, zwar nicht führend, aber in einer aussichtsreichen Position sind, wenn nun rasch die richtigen Maßnahmen ergriffen werden. Doch welche sollen das sein? Die nun öffentlich verfügbare Broschüre Biointelligenz, die gemeinsam von den Fraunhofer-Instituten IPA, IGB, IML, IPT, IWM, IWU verfasst wurde, gibt Aufschluss darüber und stellt die wichtigsten Ergebnisse vor. 

 

Zunächst lotet die Voruntersuchung die Position Deutschlands aus und analysiert die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken – auch im internationalen Vergleich. Im Anschluss werden die notwendigen Basistechnologien und zentralen Handlungsfelder vorgestellt sowie mögliche Entwicklungspfade und Szenarien durchgespielt. Dies leitet hin zur Entwicklung und Gestaltung einer positiven Vision für Deutschland. Konkrete Empfehlungen, insbesondere an die Politik, sind ebenfalls Thema der Broschüre. So raten die Autoren dazu, ein geeignetes politisches Rahmenwerk zur Biologischen Transformation zu schaffen und die Forschungs- und Transferaktivitäten in zehn identifizierten Handlungsfeldern zu intensivieren. Ferner sollten Bildungsprogramme angepasst und geeignete Rahmenbedingungen für etablierte Unternehmen wie Start-ups geschaffen werden.

 

Im Video: Professor Thomas Bauernhansl, einer der beiden Leiter des Fraunhofer IPA und Mitautor der Voruntersuchung.

  

Quelle: Fraunhofer-Pressemitteilung vom 07.03.2019

BIOKON_biologischeTransformation

Fotonachweis: Thinkstockphotos.de

Presse // 25. November 2018

So geht Zukunft: Mit Bionik zur „biologischen Transformation“

Die „biologische Transformation“ ist im Kommen. Dank der Errungenschaften der Bionik sind wir hier in Deutschland besser aufgestellt als in weiten Bereichen der digitalen Transformation. Der Grund: Die systematische Übertragung bewährter biologischer Problemlösungen und Optimierungsstrategien auf neuartige Produkte und Technologien liegt in der „Natur“ der Bionik und macht sie damit zum Ideengeber und Innovationsmotor mit nachhaltigem Nutzen für Technik, Wirtschaft und Gesellschaft. Dabei arbeiten Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen verschiedener Fachrichtungen seit langem und sehr erfolgreich zusammen. Interdisziplinäres, kreatives und systemisches Denken und Handeln ist in der Bionik eine von Anfang an gelebte Selbstverständlichkeit. Innovative Ideen und Entwicklungen auf diese Weise schneller und zuverlässiger in den Markt bringen zu können, wird von vielen Unternehmen in Zeiten der Globalisierung, volatiler Märkte und der digitalen Transformation als Chance begriffen. 

Während andere noch ihre Innovations- und Prozessarchitektur aufsetzen, ist die Bionik bereits einen Schritt weiter und trägt schon jetzt dazu bei, im Schulterschluss von Wissenschaft und Wirtschaft das vorhandene bionische Wissen in zählbaren Nutzen zu verwandeln. 

 

Um ihre Innovationskraft noch weiter zu bündeln, Synergien zu nutzen und den Pool an Ideen, Erfahrungen und Inspirationen auszuweiten, haben sich Hochschulen, Forschungsinstitute, Unternehmen und Einzelpersönlichkeiten, die auf dem Gebiet der Bionik arbeiten, in der Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz BIOKON zusammengeschlossen. Hier beschäftigt man sich beispielsweise mit bioinspirierten Materialien, die adaptiv oder selbstreparierend sind, mit multifunktionalen Oberflächen, Antriebsmechanismen für energieeffiziente Lokomotionskonzepte oder mit autonomen, bionischen Robotern mit hoch sensitiven Sensoren und verlässlicher Kommunikationstechnik, die als Katastrophenfrühwarnsysteme zum Einsatz kommen können. Aber auch Bereiche wie Architektur – etwa mit Blick auf klimaneutrales Bauen oder neuartige revolutionäre Konstruktionsideen –, Medizintechnik und Neurobionik mit Anwendungen in der Prothetik sind im Fokus des Interesses der Bioniker*innen. Hier liegen Multifunktionalität und Mehrfach-Innovationen stets eng beieinander, sodass weitere Entwicklungsschübe bis hin zu Sprunginnovationen forciert werden. Ohne Zweifel lohnen sich die gemeinsamen Anstrengungen von Forscher*innen und Unternehmer*innen.

 

Willkommen in der spannenden und grenzenlosen Ideenwelt der Bionik … 

 

 

Im Video – einige Beispiele für bionische Innovationen aus dem BIOKON-Kosmos.

BionicAward2018-web
Einer der drei Preisträger des Internationalen Bionic Award, Dr. Guillaume Gomar, mit Vertretern des Stifters und des VDI sowie Mitgliedern der Jury.
(Bild: S. Labisch, BIC Bremen)

Aktuelles // 06. November 2018

Internationaler Bionic Award 2018 für Forschungsarbeit zur Photovoltaik

Der International Bionic Award der Schauenburg-Stiftung geht in diesem Jahr an ein interdisziplinäres und internationales Team von drei Nachwuchswissenschaftlern. Die mit 10.000 Euro dotierte Auszeichnung erhielten Dr. Radwanul Hasan Siddique vom California Institute of Technology und M.Sc. Yidenekechaw J. Donie sowie Dr. Guillaume Gomard vom Karlsruher Institut für Technologie für ihre herausragende Forschungsarbeit zur Photovoltaik.

 

Das Forscherteam hat Nanostrukturen mit einzigartigen optischen Eigenschaften entwickelt, welche die Absorptionsrate von Solarzellen um bis zu 200 % erhöhen sollen. Ihr Vorbild dafür war ein Schmetterlingsflügel. Die Verleihung fand am 26. Oktober 2018 im Rahmen des Bionik-Kongresses „Patente aus der Natur“ in Bremen statt.

 

Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) haben eine augenscheinliche Besonderheit: Sie sind extrem dunkelschwarz. Damit kann er für eine optimale Wärmegewinnung das Sonnenlicht besonders gut absorbieren. „Noch spannender sind für uns die Mechanismen, mit denen er diese hohe Absorption erreicht. Das Optimierungspotenzial, das eine Übertragung der Nanostrukturen für die Photovoltaik hat, fiel deutlich höher aus, als wir vermutet hatten“, erklärt Teamsprecher Dr. Radwanul H. Siddique. Dem jungen Forscherteam ist es gelungen, die Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 % zu steigern. 

 

Mit dieser Idee, die das interdisziplinäre Arbeiten und konstruktive Querdenken in der Bionik par excellence verkörpert, überzeugten die Nachwuchswissenschaftler die internationale Experten-Jury. Prof. Dr. Antonia B. Kesel von der Hochschule Bremen und Vorsitzende des VDI-Fachbereichs Bionik betont: „Das Produkt ist noch nicht fertig, aber greifbar und unsere internationale Jury hat das große Potenzial der Energieeffizienz fasziniert, selbst eine Leistungssteigerung um 50 % wäre eine Sensation, denn natürlich spielen auch alle anderen Komponenten einer Photovoltaik-Anlage eine Rolle!“

 

„Neben der Photovoltaik können diese Nanostrukturen auch die Effizienz des umgekehrten Prozesses steigern, nämlich die Lichtauskopplung aus organischen Leuchtdioden (OLEDs). Auch eine Anwendung in der Medizintechnik als „Lab on a Chip“ ist denkbar. Diese breiten Anwendungsfelder haben mein besonderes Interesse geweckt“, freut sich Marc-Georg Schauenburg, Sohn des Stifters der Schauenburg-Stiftung.

 

Seit 2008 wird der Bionic Award von der Schauenburg-Stiftung gestiftet. Diese wurde 1986 von Hans-Georg Schauenburg, dem Gründer der seit über 60 Jahren in Mülheim an der Ruhr tätigen Schauenburg Gruppe, ins Leben gerufen und wird vom Stifterverband treuhänderisch verwaltet. Mit dem Preis verfolgen die Schauenburg-Stiftung und der VDI das Ziel, praxisorientierte Forschungsergebnisse und Entwicklungsarbeiten sowie Innovationen des wissenschaftlichen Nachwuchses im Bereich Bionik zu fördern. Weitere Informationen unter www.vdi.de/bionic2018.

Quelle: VDI

Dr. Rainer Erb und Jessica Rudolph

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