BIOKON – Das Bionik-Kompetenznetz

Best Practices

„I think the biggest innovations of the 21st century will be at the intersection of biology and technology. A new era is beginning.”
Steve Jobs, Apple Gründer

Die Innovationskraft der Bionik entspringt aus dem nahezu grenzenlosen Pool an biologischen Vorbildern für spezifische Antworten auf technische Fragestellungen. In beeindruckender Vielfalt schafft die Natur Inspirationen für technische Entwicklungen, die Marktrelevanz in den unterschiedlichsten Branchen haben.

Hier haben wir Erfolgsbeispiele der Bionik zusammengestellt, die wir nach dem Schema (1) Bionik-Innovation, (2) Technische Anwendung, (3) Bionisches Funktionsprinzip und (4) Vorbild aus der Natur aufbereitet haben – unterstützt von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt im Rahmen der Förderung unseres Bionik-Unternehmensforums.

Willkommen bei den Innovationen an der Schnittstelle von Biologie und Technik.

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Forschung // 24. February 2012

Buckelwal macht Hubschrauber wendiger

Forscher schauten Design vom Meeresäuger ab

Moderne Hubschrauber könnten durch ein von Buckelwalen abgeschautes Merkmal schneller und manövrierfähiger werden. Denn den Meeressäugern verhelfen einige typische Buckel an ihren Vorderflossen zu ihrem Geschick unter Wasser. Forscher haben diese Strukturen jetzt auf Hubschrauberrotoren übertragen und so deren Flugverhalten verbessert.

Dem Rotor verdankt der Hubschrauber seine besondere Fähigkeit, senkrecht starten und landen zu können. Er bringt aber gleichzeitig aerodynamische Nachteile mit sich. An dem Blatt des Hauptrotors eines Hubschraubers, das sich gerade nach hinten bewegt, reißt im schnellen Vorwärts- oder Manöverflug die Luftströmung ab – es kommt zum so genannten Dynamic Stall. Dadurch entstehen Wirbel, Auftrieb geht verloren und große Kräfte wirken auf den Rotor. Der Luftwiderstand erhöht sich und die Steuerstangen am Rotorkopf sind enormen Belastungen ausgesetzt.

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Forschung // 24. February 2012

Schmetterling liefert Vorbild für Infrarotsensor

Nanoschuppen reagieren auf Wärme mit Farbveränderung.

Ein Schmetterling hat US-amerikanische Forscher zu einer neuen Art von Infrarotdetektor inspiriert. Dessen nanostrukturierte Flügel reagieren auf Wärmestrahlung mit einer Farbänderung. Indem man das Prinzip nachahme oder sogar noch verbessere, ließen sich Sensoren bauen, die schneller, kleiner und empfindlicher seien als die heutigen Detektoren, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Photonics.

Tierisches Vorbild von Andrew Pris und seinen Kollegen vom General Electric Global Research Center in New York ist der südamerikanische Morpho-Schmetterling. Seine Flügel schimmern metallisch grün-blau, diese Farbe kommt durch viele übereinanderliegende Strukturlamellen zustande, die das einfallende Licht mehrmals reflektieren. Aber Morpho kann noch mehr: Unsere Experimente zeigen, dass die komplexe Gestalt des Morpho-Schmetterlingsflügel optisch auf Temperatur reagiert, schreiben die Wissenschaftler.

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Forschung // 24. February 2012

Wann Fasern und Federn Tropfen abperlen lassen

Detailanalyse des Benetzungsverhaltens erklärt Schutzeffekt und bietet Potenzial für technische Anwendungen.

Vogelfedern lassen Wassertropfen schnell und effizient abperlen. Doch dieser Schutzeffekt hat seine Grenzen. Um diese zu bestimmen, analysierten nun französische und amerikanische Forscher das Benetzungsverhalten von Tropfen auf feinen Fasern im Detail. Je nach Größe der Tropfen und Struktur der Fasern stößt ein Federkleid das Wasser mehr oder weniger gut ab. Die Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, bietet auch neue Ansätze für optimierte Haarsprays und funktionelle Mikrostrukturen von Materialien.

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Forschung // 24. February 2012

Bio-inspirierte Architektur und Konstruktion

Sonderausgabe der Zeitschrift Bioinspiration & Biomimetics (Volume 7
Number 1, March 2012):

Editorial: Has biomimetics arrived in architecture?
Petra Gruber and George Jeronimidis (Guest Editors)

Beyond assemblies: system convergence and multi-materiality.
Tom Wiscombe

Design and construction principles in nature and architecture.
Jan Knippers and Thomas Speck

Biomimetic design processes in architecture: morphogenetic and evolutionary computational design.
Achim Menges

Numerical simulations of odorant detection by biologically inspired sensor arrays.
R Schuech, M T Stacey, M F Barad and M A R Koehl

Improved single- and multi-contact life-time testing of dental restorative materials using key characteristics of the human masticatory system and a force/position-controlled robotic dental wear simulator.
D Raabe, A Harrison, A Ireland, K Alemzadeh, J Sandy, S Dogramadzi, C Melhuish and S Burgess

Studying nanostructured nipple arrays of moth eye facets helps to design better thin film solar cells.
Rahul Dewan, Stefan Fischer, V Benno Meyer-Rochow, Yasemin Özdemir, Saeed Hamraz and Dietmar Knipp

An oscillator network exhibiting a long-lasting response to an external signal.
Takuro Moriyama and Daisuke Kurabayashi

A decentralized control scheme for an effective coordination of phasic and tonic control in a snake-like robot.
Takahide Sato, Takeshi Kano and Akio Ishiguro

Stance leg control: variation of leg parameters supports stable hopping.
Sebastian Riese and Andre Seyfarth

Pressure-actuated cellular structures.
M Pagitz, E Lamacchia and J M A M Hol

Kinematic control of aerodynamic forces on an inclined flapping wing with asymmetric strokes.
Hyungmin Park and Haecheon Choi

Emergence of self-organized amoeboid movement in a multi-agent approximation of Physarum polycephalum.
Jeff Jones and Andrew Adamatzky

A bio-robotic platform for integrating internal and external mechanics during muscle-powered swimming.
Christopher T Richards and Christofer J Clemente

Micro/nanofabrication for a realistic beetle wing with a superhydrophobic surface.
Jin Hwan Ko, Jihoon Kim, Jongin Hong, Yonghoon Yoo, Youngjong Lee, Tai Lie Jin, Hoon Cheol Park, Nam Seo Goo and Doyoung Byun

Effects of shape and stroke parameters on the propulsion performance of an axisymmetric swimmer.
Jifeng Peng and Silas Alben

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Forschung // 17. February 2012

Pflanzen als Vorbild für Roboter

Raumstationen und andere künstliche Gebilde im All, die wie Pflanzen wachsen – das ist eine Vision, für deren Umsetzung das ”Advanced Concepts Team” der Europäischen Weltraumorganisation ESA Ideen sucht. Lassen sich Roboter bauen, die der Strategie von Rankgewächsen oder Pflanzensamen folgen? Jeweils 25.000 Euro stehen für Machbarkeitsstudien zur Verfügung.

Ranken wachsen in die Höhe, indem sie sich um Objekte in ihrer Umgebung schlingen. Das bringt sie näher zu ihrer primären Energiequelle, dem Sonnenlicht, ohne dass sie Energie für die Bildung einer eigenen stabilen Struktur aus Stamm und Ästen aufwenden müssen. Die Vorgehensweise ist dabei rein reflexartig und stützt sich ausschließlich auf den Tastsinn: Die Sprossachsen der Ranke wachsen zunächst spiralförmig und erkunden auf diese Weise einen möglichst großen Raum. Wenn sie dabei auf einen Gegenstand treffen, schlingen sie sich um diesen herum.

Die Ingenieure bei der ESA sind besonders beeindruckt, dass Rankpflanzen mit dieser simplen Strategie Gegenstände unbekannter Gestalt sicher greifen können. Sie sehen dafür mehrere Einsatzmöglichkeiten im Weltall: Die Länge von Kabelverbindungen könnte so kontrolliert werden, Roboter mit Rankmanipulatoren könnten Weltraummüll einsammeln, Satelliten betanken oder sich nach und nach zu komplexeren Strukturen zusammenfügen.

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Presse // 17. February 2012

Der Trick mit dem Knick

Mit Scharnieren kennt Jan Knippers sich aus. Als junger Ingenieur war er mit der Konstruktion der Kieler Hörnbrücke betraut, die sich mitsamt Fahrbahn, Gehweg und den seitlichen Geländern zusammenfaltet, wenn ein Schiff passieren will. Hunderte Scharniere mussten dafür aufeinander abgestimmt werden. ”Wir hatten vor Ort unsere liebe Not, bis endlich alles funktionierte”, erinnert sich Knippers, der heute Architektur an der Universität Stuttgart lehrt.

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Presse // 17. February 2012

Noiseblocker arbeitet an bionischem Lüfter


Gemäß der allseits beliebten Gerüchteküche plant Noiseblocker in naher Zukunft seinen nächsten Streich und arbeitet demnach an den ersten sogenannten bionischen Lüftern. Bei bisherigen Lüftern der Oberklasse waren nicht mehr potenzielle Nebengeräusche des Lagers für die Geräuschemissionen verantwortlich, sondern vielmehr der Luftstrom selbst der Verursacher. Mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) hätte man angeblich ein revolutionäres Design auf den Weg gebracht, das herkömmlichen konventionellen Lösungen um ein Vielfaches überlegen sein soll. Gerade die einzelnen Lüfterblätter sollen in Anlehnung an die Bionik vollkommen überarbeitet worden sein.

Die Bionik hat dabei zum Ziel, durch gezielte Beobachtung der Natur neue Forschungsmodelle auf den Weg zu bringen. Im vorliegenden Fall soll dabei insbesondere die Pinguinforschung ein Vorbild gewesen sein. Die Kegelform der Polarbewohner ermöglicht einen signifikant niedrigeren Strömungswiderstand unter Wasser und energiereiche, unkontrollierte Verwirbelungen werden auf ein Minimum reduziert. Bezogen auf die neuen Lüftermodelle, soll der Luftstrom als Lautstärkeindikator daher der Vergangenheit angehören.

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Forschung // 25. January 2012

Der Trick mit dem Knick: Paradiesvogelblume dient als Vorbild

… Dass die Paradiesvogelblume dafür einst Pate stand, sieht man den fertigen Lamellen allerdings nicht an. Flectofin, so haben die Stuttgarter Ingenieure ihre Sonnenschutzlamelle getauft, ist weiß, flach und gerade. Die matte Kunststoffoberfläche suggeriert eher klinische Reinheit als fragile Schönheit. …

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Presse // 4. January 2012

Stahlbeton – eine bionische Erfindung

Das Stützgewebe der Blätter von Optuntien – einem Kakteengewächs – war das natürliche Vorbild für den modernen Stahlbeton.

Die Erfindung des Stahlbetons hat viele Bauten überhaupt erst möglich gemacht: Autobahnen und Schallschutzmauern, Brücken und Tunnel, Türme und Masten, Häuser und Hochhäuser (Plattenbauten) und zahlreiche Fertigbauteile, wie Platten und Behälter.

Quelle: ”Bionik – Lernen von der Natur”, Werner Nachtigall, C.H. Beck-Verlag, S.17+18, ISBN: 978-3-406-53636-6

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Forschung // 29. December 2011

Lichtempfindliche Rezeptoren reagieren auf UV-Strahlung

Die Haut kann nicht nur fühlen, sondern in gewisser Hinsicht auch sehen, haben US-Forscher entdeckt: Um UV-Licht aufzuspüren, nutzt sie das gleiche System, das auch die Augen fürs Sehen in der Dunkelheit verwenden. Damit kann sie bereits innerhalb von Sekunden feststellen, ob die empfindlichen Hautzellen der energiereichen UV-Strahlung ausgesetzt sind oder nicht. Bei Bedarf kann sie dann sofort entsprechende Schutzmaßnahmen einleiten – wie etwa die Produktion des dunklen Farbstoffs Melanin. Bisher war lediglich bekannt gewesen, dass dieses Pigment als Reaktion auf Schäden an der Erbsubstanz DNA gebildet wird, ein Vorgang, der jedoch mindestens zwölf Stunden dauert. Der neu entdeckte Mechanismus greife dagegen unerwartet schnell, berichtet das Team um Elena Oancea von der Brown University in Providence.

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Forschung // 29. December 2011

Fledermäuse können in Sekundenbruchteilen ihre Ohren verformen

Die Fledermaus wird ihrem geheimnisvollen Ruf wieder einmal gerecht: Für den optimalen Empfang der Echos ihres berühmten Ultraschall-Navigationssystems können die Tiere die Form ihrer Ohrmuscheln binnen einer Zehntelsekunde extrem verändern. Zum Vergleich: Der Wimpernschlag eines Menschen dauert etwa dreimal so lange. Die spektakulären Ohrbewegungen konnten Biologen nun an Fledermäusen aus der Familie der Hufeisennasen dokumentieren, von denen auch zwei Arten in Deutschland vorkommen. ”Fledermäuse verschaffen sich durch die blitzschnelle Verformung der Ohren unterschiedliche Höreindrucke, die ihnen zusätzlich feine Informationen über die Umwelt liefern – das ermöglicht die perfekte Navigation und Insektenjagd in völliger Dunkelheit”, erklärt Rolf Müller von der Virginia Tech University in Blacksburgh.

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