Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik I
Wundersame Technologien in der Natur
Geschichte der Bionik und die Leistung der
Evolution
2
Zahl der Tier- und Pflanzenarten Beschrieben 1,5
Millionen Geschätzt S 15 Millionen
Ergebnisse der Evolution
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(No Transcript)
4
Ein Wunder der Evolution
5
Wundersame Technologien in der Natur 1
Lassospinne in Cowboy-Manier
6
Wundersame Technologien in der Natur 2
Tiefsee-Anglerfisch mit Leuchtköder
7
Wundersame Technologien in der Natur 3
Bombardierkäfer mit Flammenwerfer
Wasserstoffperoxid Hydrochinon Enzym Wasser
Sauerstoff
8
Wundersame Technologien in der Natur 4
Ein Schützenfisch zielt auf seine Beute
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Wundersame Technologien in der Natur 5
Die Spritzgurke, eine Wasserpistole
10
Wundersame Technologien in der Natur 6
Deckelblatt als Regenschutz
Rutschbahn mit Nektar
Die Kannenpflanze
Wässrige Lösung mit Verdauungsenzymen
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Wundersame Technologien in der Natur 7
Fangreuse der Köcherfliegen Larve
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Wundersame Technologien in der Natur 8
Fallgruben des Ameisenlöwen
13
Wundersame Technologien in der Natur 9
Scarabeus sacer bei der Rollarbeit
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Wundersame Technologien in der Natur 10
Wasserspinne in ihrer Taucherglocke
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Wundersame Technologien in der Natur 11
Pistolenkrebs mit Wasser-Colt
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Wundersame Technologien in der Natur 12
Jesus-Echse beim Überwasser-Sprint
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Aus der Geschichte der Bionik
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Der erste Bioniker
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Federast
Federstrahl
Fahne
Schaft
Spule
Das Wunder der Vogelfeder
Bogenstrahl
Federast
Hakenstrahl
Schaft
Hakenfortsatz
Es ist schwer die Feder technisch zu kopieren !
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Die Fledermaus Einfach zu kopierendes
fliegendes Vorbild
21
Leonardo da Vinci (1452-1519)
Leonardo da Vinci
Entwürfe für eine Flugmaschine
(1497 - 1500)
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Clément Ader (1841-1925)
Vor der Prüfungskommission 14. Oktober 1897
Der Avion III von CLÉMENT ADER macht nur kleine
Hüpfer
Kann nicht fliegen Es fehlt das Höhenleitwerk
zur Längs-Stabilisierung !
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S
Auftriebswanderung am gewölbten Profil führt zur
Instabilität des singulären Flügels
24
Keine Auftriebswanderung am ebenen Profil
Ein ebenes Profil fliegt eigenstabil !
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Zwei Bionik-Schriften
Hermann Dingler Bewegung der pflanzlichen
Flugorgane (1889)
Friedrich Ahlborn Die Stabilität der Flugorgane
(1897)
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Profil ebene Platte fliegt längsstabil
!
Flugsamen von Macrozanonia macrocarpa
als Modell für ein Nurflügelflugzeug von Igo
Etrich
27
Igo Etrich (1879-1967)
Zanonia-Gleiter von Igo Etrich 1906
Zanonia-Form
Etrich Taube
Tauben-Schwanz
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Otto Lilienthal (1848-1896)
Otto Lilienthals systematische Studien zum
Vogelflug
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Die Entdeckung der gerundeten Profilnase
. . . 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 Luftwiderstandsverhältniss
e besitze, . . .
Aus Otto Lilienthal Der Vogelflug als Grundlage
der Fliegekunst
30
Im Sommer 1891 erreicht Lilienthal mit seinem
Flugzeug Nr. 3 in Derwitz (Potsdam) Flugweiten
bis zu 25 m.
Rekonstruktion des Derwitz-Apparats von Otto
Lilienthal
Text
31
Das Höhenleitwerk - Das A und O der Fliegekunst
32
Otto Lilienthal 16. August 1894 Der Gleiter
imitiert die Flügelaufspreizung eines Storches
Entwicklung des Flugzeugs Größte bionische
Pioniertat
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1801 stellte der Physiker Thomas Young die
Hypothese auf, dass unser Auge alle Farbempfindung
en aus drei Grundfarben zusammensetzt
Young-Helmholtz Dreifarbentheorie
Thomas Young (1773-1829)
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Friedrich Gottlob Keller (1816-1895)
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
Text
35
Große Klette (Arcticum lappa)
George de Mestral (1907-1990
Patent für einen
technischen Klettverschluss 1951
Text
36
Über weiche und harte Bionik
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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.
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Der Londoner Kristallpalast von 1851
und das Blatt der Victoria amazonica
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Buckminster Fuller
Radiolarien
Architekturbionik
USA-Pavillon Expo 67
40
Architekturbionik
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Weiche Bionik
Bionik als Kreativitätstechnik
Harte Bionik
Angewandte Evolutionsbiologie
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Winning Team
A2-Modellflug-Weltmeisterschaft 1954
Ingo Rechenberg
Beispiel für evolutionistische Bionik
43
Oskar Czepa
(Weltmeister 1951)
mit seinem A2-Flugmodell Zahnstocher
Regeln für die A2-Klasse
Gewicht gt 410 g Fläche 32-34 dm2
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Formel für die Sinkgeschwindigkeit eines
Flugmodells
g Erdbeschleunigung
Nicht zu beeinflussen
r Luftdichte
G Gewicht
Durch Bestimmungen gegeben
F Flügelfläche
cw Widerstandsbeiwert
ca Aufriebsbeiwert
Aerodynamische Güte
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Für Vogel und A2-Modell gilt die gleiche
Strömungsphysik
Gleiche Reynoldszahl !
!
Flugmodell Zahnstocher mit Vogelprofil -
A2-Weltmeister 1951
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Harte Bionik
1. Evolutionsdenken
2. Kapieren vor Kopieren
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Bioniker
Die bionische Lösung verlässt die Fabrik
Die platte Naturkopie ist nicht das Ziel der
Bionik !
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Mikro Air Vehikel (MAV)
Vorbild Libelle
oder
49
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.
50
Käfer - Vorbild für moderne Sitze ???
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Rätselhaftes Insekt mit Pinselschwanz aus dem
brasilianischen Urwald
Foto Klaus Fiedler
Unverstanden und deshalb nicht technisch
nachbaubar
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Das A und O der Bionik Kapieren
vor Kopieren
LEONARDO DA VINCI
Der auf den Arbeitstisch LEONARDOs gebeamte PC
ist ohne Wert
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Raoul Heinrich Francé (1874 1943)
Evolutionsbiologische Aufgabe der Mohnkapsel
Den Samen möglichst weit zu streuen !
und sein bionischer Salzstreuer (Patent Nr. 723
730)
Text
54
Fliegende Samen
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Wie gut arbeitet die biologische Evolution ?
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Evolution einer Augenlinse
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Verformbarer Glaskörper als Evolutionsobjekt
58
Evolutionsstrategische Optimierung eines
Freiträgers mit minimalem Gewicht
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Evolutionsstrategische Optimierung einer
Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht
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Brücken- Konstruktionen
Fischbauchbrücke
Bogenbrücke
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Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus
dem Jahr 1514
Magisches Quadrat
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Ende
www.bionik.tu-berlin.de
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Lilienthal - der lange Weg zu Erfolg
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.
64
Aus Die Pflanze als Erfinder
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.
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Die Erfindung des Klettbandes
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
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Zur Erfindung des Holzschliffpapiers
Papier wurde seit dem Mittelalter bis zum 19.
Jahrhundert aufgrund einer alten chinesischen
Erfindung aus Lumpen hergestellt. Um das Jahr
1840 las der Webermeister Friedrich Gottlob
Keller, dass die Papierindustrie in einen
verzweifelten Rohstoffmangel geraten 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 zusammenkleben? Im Jahre
1845 konnte Keller an eine Papiermühle zu
Alt-Chemnitz eine von ihm nach Wespenart
hergestellte Holzfasermasse liefern. Aus
Wespenpapier wurde dann erstmals das
Frankenberger Kreisblatt gedruckt.