Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik I“

Wundersame Technologien in der Natur

Geschichte der Bionik und die Leistung der Evolution

Ergebnisse der Evolution

Zahl der Tier- und Pflanzenarten

Beschrieben: 1,5 MillionenGeschätzt Σ = 15 Millionen

Ein Wunder der Evolution

Lassospinne in Cowboy-Manier

Wundersame Technologien in der Natur 1

Tiefsee-Anglerfisch mit Leuchtköder

Wundersame Technologien in der Natur 2

Wundersame Technologien in der Natur 3

Bombardierkäfer mit Flammenwerfer

Wasserstoffperoxid + Hydrochinon + Enzym = Wasser + Sauerstoff

Wundersame Technologien in der Natur 4

Ein Schützenfisch zielt auf seine Beute

Die Spritzgurke, eine Wasserpistole

Wundersame Technologien in der Natur 5

Wundersame Technologien in der Natur 6

Deckelblatt als Regenschutz

Rutschbahn mit Nektar

Wässrige Lösung mit Verdauungsenzymen

Die Kannenpflanze

Wundersame Technologien in der Natur 7

Fangreuse der Köcherfliegen Larve

Wundersame Technologien in der Natur 8

Fallgruben des Ameisenlöwen

Scarabeus sacer bei der Rollarbeit

Wundersame Technologien in der Natur 9

Wasserspinne in ihrer Taucherglocke

Wundersame Technologien in der Natur 10

Pistolenkrebs mit Wasser-Colt

Wundersame Technologien in der Natur 11

Jesus-Echse beim Überwasser-Sprint

Wundersame Technologien in der Natur 12

Aus der Geschichte der Bionik

Der erste Bioniker

Dädalus und Ikarus

Dädalus 88 (23.4.1988 Flug Kreta→Santorin)

Es ist schwer die Feder technisch zu kopieren !

Das Wunder

der Vogelfeder

Federast

Federstrahl

Bogenstrahl

Federast

Hakenstrahl

HakenfortsatzSchaft

Spule

Schaft

Fahne

Die Fledermaus:

Einfach zu kopierendes fliegendes Vorbild

Leonardo da Vinci

Leonardo da Vinci (1452-1519)

Entwürfe für eine Flugmaschine

(1497 - 1500)

Der Avion III von CLÉMENT ADER macht nur kleine Hüpfer

Kann nicht fliegen: Es fehlt das Höhenleitwerk zur Längs-Stabilisierung !

Vor der Prüfungskommission – 14. Oktober 1897

Clément Ader (1841-1925)

Auftriebswanderung am gewölbten Profil

führt zur Instabilität des singulären Flügels

S

S

S

Keine Auftriebswanderung am ebenen Profil

S

S

S

Ein ebenes Profil fliegt eigenstabil !

Friedrich Ahlborn: Die Stabilität der Flugorgane (1897)

Hermann Dingler: Bewegung der pflanzlichen Flugorgane (1889)

Zwei „Bionik-Schriften“

Flugsamen von Macrozanonia macrocarpa

als Modell für ein Nurflügelflugzeug von Igo Etrich

Profil ebene Platte:

fliegt längsstabil !

Igo Etrich (1879-1967)

Zanonia-Gleiter von Igo Etrich 1906

Etrich Taube

Zanonia-Form

Tauben-Schwanz

Otto Lilienthals

systematische Studien

zum Vogelflug

Otto Lilienthal (1848-1896)

. . . Wider Erwarten zeigte sich aber auch dann noch kein Nachteil, wenn die Flügelverdickung abgerundet an der Vorderkante lag, wie bei Fig. 43. Es hatte sogar den Anschein, als ob diese Form besonders günstige Luftwiderstandsverhältnisse besitze, . . .

Aus Otto Lilienthal: „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst“

Die Entdeckung der gerundeten Profilnase

Rekonstruktion des Derwitz-Apparats von Otto Lilienthal

Im Sommer 1891 erreicht Lilienthal mit seinem Flugzeug Nr. 3 in Derwitz (Potsdam) Flugweiten bis zu 25 m.

Text

Das Höhenleitwerk - Das A und O der Fliegekunst

Otto Lilienthal 16. August 1894

Der Gleiter imitiert die Flügelaufspreizung eines Storches

Entwicklung des Flugzeugs: Größte bionische Pioniertat

1801 stellte der Physiker Thomas Young

die Hypothese auf, dass unser Auge alle

Farbempfindungen aus drei Grundfarben

zusammensetzt

Monitor

Thomas Young (1773-1829)Young-Helmholtz Dreifarbentheorie

400 500 600 700

Nor

mie

rte E

mpf

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ichk

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Wellenlänge / nm

Auge

Farbfilm

3-Chip Kamera

Die Erfindung des Holzfaserpapiers durch Friedrich Gottlob Keller

1845 wurde das Frankenberger Kreisblatt auf „Wespenpapier“ gedruckt

Die aufmerksame Betrachtung der Natur war es, die dem Webermeister Gottfried Keller in Sachsen dazu führte, das geschliffene Holz zu erfinden. Wespen waren seine Lehrmeister, die ihn auf den Gedanken brachten, ähnlich wie diese zernagte Holzfasern zum Bau ihres Nestes verwandten, durch Schleifen von Holz gutes Papiermaterial zu erhalten.

Aus dem Buch „Reich der Erfindungen“ von 1901

Friedrich Gottlob Keller (1816-1895)

Text

Große Klette (Arcticum lappa)

Patent für einen technischen Klettverschluss 1951

George de Mestral (1907-1990

Velcro ® („velours“ und „crochet“ )

Text

Über weiche

und harte Bionik

Victoria amazonica

Der Gärtner und Hobbyarchitekt Sir Joseph Paxton nutzte seine bota-nischen Kenntnisse über das Bauprinzip der Victoria amazonica zum Entwurf des „Crystal Palace“ für die Weltausstellung 1851 in London.

Der Londoner Kristallpalast von 1851

und das Blatt der Victoria amazonica

Radiolarien

USA-Pavillon – Expo ’67

Archite

kturbio

nik

Buckminster Fuller

Architekturbionik

Weiche Bionik

Bionik als Kreativitätstechnik

Harte Bionik

Angewandte Evolutionsbiologie

Winning Team

A2-Modellflug-Weltmeisterschaft 1954

Beispiel für evolutionistische Bionik

Ingo Rechenberg

Oskar Czepa(Weltmeister 1951)

mit seinem A2-Flugmodell „Zahnstocher“

Regeln für die A2-Klasse:

Gewicht > 410 g

Fläche 32-34 dm2

Formel für die Sinkgeschwindigkeit eines Flugmodells:

3

22

a

w

cc

FGgvSink

ca = Aufriebsbeiwert

g = Erdbeschleunigung = Luftdichte

G = GewichtF = Flügelfläche

cw = Widerstandsbeiwert

Nicht zu beeinflussen

Durch Bestimmungen gegeben

Aerodynamische Güte

Flugmodell „Zahnstocher“ mit Vogelprofil - A2-Weltmeister 1951

!

Für Vogel und A2-Modell gilt die gleiche Strömungsphysik

Gleiche Reynoldszahl !

Harte Bionik:

2. Kapieren vor Kopieren

1. Evolutionsdenken

Die platte Naturkopie ist nicht das Ziel der Bionik !

Die bionische Lösung verlässt die Fabrik

Bioniker

Schlagbewegung

oder

Rotation

Mikro Air Vehikel (MAV)

Vorbild Libelle

2. Weltkrieg: Ewak, eine Insel im Pazifik. Ureingeborene sehen in Flugzeugen des dortigen US-Stützpunktes Göttervögel. Sie bauen Imitate aus Stroh und schlagen Landebahnen in den Urwald.

Auch unsere Kultur kopiert überlegene Techniken, nicht von Aliens, sondern von der Natur, auch dann, wenn es keinen Sinn macht und sie missverstanden wurden.

Käfer - Vorbild für moderne Sitze ???

Fot

o: K

laus

Fie

dler

Rätselhaftes Insekt mit Pinselschwanz aus dem brasilianischen Urwald

Unverstanden und deshalb nicht technisch nachbaubar

LEONARDO DA VINCI

Das A und O der Bionik:

Kapieren vor Kopieren

Der auf den Arbeitstisch LEONARDOs „gebeamte“ PC ist ohne Wert

Raoul Heinrich Francé (1874 – 1943)

und sein bionischer Salzstreuer (Patent Nr. 723 730)

Evolutionsbiologische Aufgabe der Mohnkapsel:Den Samen möglichst weit zu streuen !

Die Biotechnik ist der Gipfel der Technik überhaupt

Text

Fliegende Samen

Wie gut arbeitet die biologische Evolution ?

EvolutionEvolution einer Augenlinse einer Augenlinse

Fdk

qk

Verformbarer Glaskörper als Evolutionsobjekt

0 2 kk kk k ddq MinundMin

Evolutionsstrategische Optimierung eines

Freiträgers mit minimalem Gewicht

Evolutionsstrategische Optimierung einer

Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

Bogenbrücke

Fischbauchbrücke

Brücken-

Konstruktionen

Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514

Magisches Quadrat

Ende

www.bionik.tu-berlin.de

Das Flugzeug 1 – noch ohne stabilisierenden Schwanz – dient nur für Stehübungen im Wind. Mit dem

Flugzeug 2 werden Laufübungen gegen den Wind durchgeführt. Und mit dem Flugzeug 3 führt Lilienthal

Sprungübungen im Garten seiner Villa von einem 2 m hohen Sprungbrett durch. Der Schritt vom Sprung

zum Flug findet schließlich in Derwitz bei Potsdam statt. Hier erreicht Lilienthal im Sommer 1891 mit dem

Flugzeug 3 Flugweiten bis zu 25 m. Im Sommer 1893 wird dann mit dem Flugzeug 6 in den Rhinower

Bergen bei Stölln bereits die Rekordweite von 250 m erreicht, die Lilienthal bis zu seinem tragischen

Absturz am 9. August 1896 nicht mehr überbieten konnte.

Lilienthal - der lange Weg zu Erfolg

„Ich trat eines Morgens in mein Laboratorium, nachdenklich und mißmutig, denn ich war mit meinen Arbeiten wieder einmal stecken geblieben und konnte nicht weiter. Ich studierte um jene Zeit das Leben des Ackerbodens. Längst war festgestellt, daß die tote, schwarze Erde nicht tot sei, sondern durchsetzt und erfüllt von Myriaden kleinster Lebewesen, die alle einen bestimmten Einfluß auf das Gedeihen der Brotfrucht haben, Und es lag nahe, anzunehmen, daß es gelingen würde, vielfältige Frucht zu ernten, wenn es zuvor gelänge, die nützlichen Erdbewohner zu vermehren. Der einfachste Weg schien zu sein, den Boden mit ihnen zu impfen. Ganz gleichmäßig, jeden Quadratmillimeter mit einem Dutzend der kleinen Lebenskeime bestreuen. Das war die Aufgabe des Tages. Sie konnte ich nicht lösen, und darum war ich mißmutig und nachdenklich.Ich versuchte zuerst verschiedenes. Ich hatte schon Erde bereit, die reichlich die in Frage kommenden Kleinpflanzen enthielt. Ich schüttelte sie mit viel Wasser durch und begoß mein „Versuchsfeld“ mit dieser „Aufschwemmung“ aus einer kleinen Kanne. Dann untersuchte ich das Ergebnis; alles war ungleich verteilt.

Ich versuchte, den Boden gleichmäßig zu überschwemmen. Es mißlang. Es wurde mir klar, man müsse die „Impferde“ in einem halbtrockenen Zustand ganz gleichmäßig ausstreuen. Das sei der einzige Weg zum Erfolg...

...Am nächsten Morgen brachte ich Streuer mit. Mehrere Modelle, so wie ich sie auftreiben konnte. Ein gewöhnliches Salzfaß, wie es auf jedem Wirtstische steht. Einen Puderstreuer für Ärzte und kleine Kinder, einen Zerstäuber, wie man ihn als Retter der Nachtruhe vorsorglich auf die Reisen nach Osten mitnimmt. Dann ging es ans Versuchen. Auf Bogen weißen und schwarzen Papiers, die mit numerierten Quadraten bedeckt waren, wurde mein Material leicht ausgestreut und dann auf den Quadraten gezählt, wie viele Körnchen sich darauf befanden.

Mit dem Zerstäuber ging es überhaupt nicht. Und Puderbüchse und Salzfaß streuten Reihen. Die Quadrate der unteren Reihe enthielten das Doppelte und Dreifache an Material, wie die der höheren Reihen, und ringsum gab es entweder weniger oder, wenn man dann nachhalf, wieder mehr davon, als man haben wollte.

Da war mein Schiff festgefahren und blieb tagelang stecken, bis ich den richtigen Weg fand... Ein beiläufiger Einfall brachte die Wendung: Die am Anfang ganz bedeutungslos erscheinende Frage, wie denn die Natur das Ausstreuen besorge. Die Pflanzen sind darauf angewiesen, und zwar wie ein wenig Nachdenken sofort sagt, auf genau dasselbe gleichmäßige Ausstreuen, das auch ich anstrebte... Moose streuen ihre Sporen aus Kapseln in die Luft. Wenn sie nicht gleichmäßig ausgestreut werden, keimen zwei oder noch mehr dicht nebeneinander und machen sich dann in jeder Weise den Lebensraum streitig.

Sofort sah ich ein, daß die Natur eine Lösung des meines Problems gefunden haben müsse. Ich brauchte sie nur nachzuahmen und war dann jeder Sorge enthoben... Und ich fand die Lösung in den Kapseln des Mohns. Jedermann kennt sie; jedermann weiß, daß die unter dem Deckel im Kreise angeordneten Löcher dazu dienen, die kleinen Mohnkörner auszustreuen, aber noch nie hat jemand daran gedacht, daß hier eine Erfindung der Pflanze gegeben sei, welche die unsrigen übertrifft. Ich weiß das deswegen so genau, weil ich es geprüft habe. Eine Mohnkapsel, gefüllt mit den Körnchen meiner Erde, streute sie viel gleichmäßiger aus, als es mir bis dahin gelungen war.

Staunend, verwirrt, voll unbestimmter Freude stand ich am Anfang eines Weges. Mit einem kühnen Entschluß wollte ich Gewißheit haben. Ich zeichnete einen Streuer für Salz, für Puder und sonst medizinische Zwecke nach dem Modell der Mohnkapsel und meldete das als Erfindung zum Musterschutz an.

Aus: „Die Pflanze als Erfinder“

1941 ging De Mestral im französischen Jura auf die Jagd. An seiner Kleidung und dem Fell seines

Hundes blieben Kletten haften, und er fragte sich, wie das möglich war. Später untersuchte er eine

Klette unter dem Mikroskop und fand heraus, dass sie aus winzigen Härchen bestand, die sich in die

gleichermaßen winzigen Schlingen und Härchen von Textilien und Fell festsetzten. Daraufhin kam er

auf die Idee, die Entdeckung für eine neue Art von Verschlüssen an Kleidungsstücken zu nutzen.

De Mestral brauchte 8 Jahre, um das Problem zu lösen, wie man die winzigen Häkchen und Schlaufen

auf einer Unterlage befestigen konnte. Er fand auch einen Weg, Velcro mit 50 Nylon-Häkchen und

Schlaufen pro Quadratzentimeter mechanisch herzustellen und gründete schließlich eine Firma

Die Erfindung des Klettbandes

Papier wurde seit dem Mittel alter bis zum 19. Jahrhundert aufgrund einer alten chinesischen Erfindung aus Lumpen hergestellt. Um das Jahr 1840 las der Weber meister FRIEDRICH GOTTLOB KELLER, dass die Papierindustrie in einen verzwei felten Rohstoff mangel gera ten war. Nun, dachte er, habe ich nicht selbst gesehen, wie Wespen sich Nester bauen, die aussehen, als wären sie aus Papier? Und habe ich nicht selbst beobachtet, dass die Wespen dieses „Papier“ aus winzigen Holzfäserchen zusam menkleben? Im Jahre 1845 konnte KELLER an eine Papiermühle zu Alt-Chemnitz eine von ihm nach Wespenart herge stellte Holzfasermasse liefern. Aus „Wespenpapier“ wurde dann erstmals das Frankenberger Kreisblatt gedruckt.

Zur Erfindung des Holzschliffpapiers