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Silke Stauche

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INHALTE

Naturbeobachtung inspiriert

Foto: Spezielle Zoologie/ FSU Jena - Ratte mit Skelett
Foto: Spezielle Zoologie/ FSU Jena -  Ratte mit Skelett

Naturbeobachtung lieferte schon immer zahlreiche und faszinierende Ideen für die Technik.
In Milliarden von Jahren haben sich Lebewesen dauernd an sich ändernde Umwelten angepasst. Dabei haben sie immer neue "Konstruktionen" produziert, die von der Evolution auf Eignung für die aktuelle Situation getestet wurden.

Verstehen wir die so ausgewählten Lösungen, haben wir erstklassige Anregungen für Konstruktionsprinzipien in der Technik.

Die Natur als Inspirationsquelle für die Ingenieurwissenschaften zu nutzen, wird in Zukunft eine noch stärkere Rolle spielen - denn in ihr finden sich erstaunliche Ergebnisse, anregendes Design und überraschende Problemlösungen.

Bionik im Ingenieurstudium ...

Foto: Tetra GmbH/ Ilmenau - RatNic in vergleichbarer Situation
Foto: Tetra GmbH/ Ilmenau - RatNic in vergleichbarer Situation

...wird eingesetzt, um sinnvolle Vergleiche zwischen den Funktionsweisen eines Lebewesens und dem Bau und der Funktion einer Maschine zu finden und umzusetzen.

Dazu werden Modelle hergestellt - wie es schon der Flugpionier Otto Lilienthal gemacht hat - oder es wird der interessante Vorgang auf dem Computer simuliert.

Mit Begriffen aus der Technik können auch Teile von Lebewesen verständlich beschrieben werden, wie die Flügel als Tragflächen mit einem für den Auftrieb wirksamen Querschnittsprofil.     

eigene Forschung

Klettverschluss

Foto: TU Ilmenau - rasenartige Struktur aus Siliziumnadeln - neuartiger Klettverschluss nach dem Prinzip der "Black Silicon Technology"
Foto: TU Ilmenau - rasenartige Struktur aus Siliziumnadeln - neuartiger Klettverschluss nach dem Prinzip der "Black Silicon Technology"

Die TU Ilmenau hat ein neuartiges Prinzip des Klettverschlusses selbst entwickelt

Mike Stubenrauch und das Kollegium haben die "Black Silicon-Technologie" entwickelt - sie basiert auf der besonderen Oberflächenstruktur von Silizium (grau-schwarzes Halbleitermetall).

Die Oberfläche wird aufgeraut, so dass eine rasenartige Struktur aus Siliziumnadeln entstehen - diese verhaken sich ineinander und sorgen so - ganz ohne Klebstoffe - für eine stabile Verbindung.
Die 50 bis 100 Nanometer raue Struktur der Nadelseitenwände "klettet" z.B. kleinste Chips in (Computer-)Geräte.

Infos

Kletterroboter

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Quelle:

Whegs

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Quelle:

Schwimmroboter

leer

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Quelle:

Zilien

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Quelle:

Mundwerkzeuge

Foto: wikipedia/S.E. Thorpe - Mundwerkzeug
Foto: wikipedia/S.E. Thorpe - Mundwerkzeug
Foto: TU Ilmenau/Salim - Mikrogreifer der Firma Festo zur Montage von Elektronikbausteinen
Foto: TU Ilmenau/Salim - Mikrogreifer der Firma Festo zur Montage von Elektronikbausteinen

Technik wird immer kleiner:

Die Welt der kleinen Lebewesen hat viele Besonderheiten, die mit ihrer Winzigkeit zusammenhängen.
Gemeinsamkeiten, die dabei gefunden werden, helfen zum Beispiel bei der Gestaltung von Gelenken und Greifern in Mikrometergröße, wie man sie auch bei Insekten findet.

Mikrogreifer kommen bei Spinnen, Gliedertieren oder anderen Kleinstinsekten vor. Mit ihren Mundwerkzeugen können sie z.B. Nahrung greifen und festhalten.

Die TU Ilmenau hat zusammen mit der Firma Festo so einen Mikrogreifer nach Vorbild Natur entwickelt.

Dieser finden seinen Einsatz z.B. in der modernen Chirurgie bei Operationen im Körper, denn dafür werden winzige „Hände“ gebraucht - nur im Science-Fiction-Film können die Ärzte so verkleinert werden, dass sie selbst in die Blutbahn passen.
Beispielsweise greifen sie wie eine Zange zu, indem sie einfach zukneifen und "ziehen" das kranke Gewebe aus dem Körper.

Libellenflügel

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Quelle:

Adaptive Gewebe

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Quelle:

Tasthaare

Foto: wikipedia/Sackboy - Schnurrhaare einer Hauskatze
Foto: wikipedia/Sackboy - Schnurrhaare einer Hauskatze

Katzen nie am Schnurrbart ziehen!

Viele Tiere haben feinere Sinne – so sind auch die Tasthaare ein wichtiges Orientierungsmittel und besonders Katzen können sich mit ihnen im Dunkeln sehr gut orientieren. Diese empfindlichen mechanischen Sensoren sind jedoch auch sehr stabil und können sich nach einem Verbiegen sofort wieder „auf Empfang“ einstellen.

Bei Robotern, aber auch bei Automobilen, wäre das als Schutz vor Kollisionen sehr hilfreich.

Forschung anderswo

Klettverschluss

Foto: wikipedia/Christian Fischer - Kletten sind Vorbilder für viele Einsatzmöglichkeiten
Foto: wikipedia/Christian Fischer - Kletten sind Vorbilder für viele Einsatzmöglichkeiten

Die Früchte der Klette haften sich mit Widerhaken an Kleidung oder ans Fell der Tiere. So entstand schon 1941die Idee zum Klettverschluss in der Bekleidungsindustrie.

Aber die Einsatzmöglichkeiten werden immer vielfältiger und auch die Leistungsstärke und das Material wird immer weiter verbessert.

  • Raumfahrt - Da sich im Weltraum alles im schwerelosen Raum befindet, fliegen alle nicht befestigten Teile an Bord quer durch den Raum. Das unkontrollierte Herumfliegen kann durch Klettverschluss vermieden werden - jedes Teil an Bord hat eine Klettseite. Das passende Gegenstück ist an Bord an mehreren Stellen zu finden, damit z.B. auch Experimente an verschiedenen Stellen durchgeführt werden können.
  • Unterhaltungsindustrie - Klett hält zum Beispiel auch Plakate und Displays an Regalen oder Wänden und sind damit immer häufiger einfach, sauber und zuverlässig befestigt.

    Infos

Quelle1: Kai Hirschmann: "Nutzen der Weltraumforschungfür unseren Alltag", http://www.helles-koepfchen.de/artikel/485.html, 8.5.2012
Quelle2: Markus Gehring: "Klettverschluss - Innovation des 20. Jahrhunderts", http://www.glajj.com/wissenschaft-technik/klettverschluss-innovation-des-20-jahrhunderts-3578.html, 8.5.2012

Eisvogel

Foto: wikipedia/FokusNatur - Eisvogelschnabel als Vorbild für Hochgeschwindigkeitszug
Foto: wikipedia/FokusNatur - Eisvogelschnabel als Vorbild für Hochgeschwindigkeitszug

In Japan musste das Vorderteil eines Hochgeschwindigkeitszugs verändert werden. Der Zug fuhr mit 300km/h in einen Tunnel und erzeugte dabei ohrenbetäubenden Lärm.

Diese plötzlich veränderten Luftwiderstände (Druckwellen) wurden in der Natur gesucht und beim Schnabel des Eisvogels aufgespürt.

Aus der Luft mit geringem Luftwiderstand taucht er ins Wasser ein mit größerem Widerstand und hinterläßt dabei nur wenige Spritzer.

Nach Umformung des Zugvorderteils verringert der Umbau jetzt den Lärmpegel und den Stromverbrauch des Zuges.

Infos


Quelle: Shaun Pett: "Vorbild Natur", Reader's Digest, Februar 2012, S. 61

Schmetterlingsflügel

Foto: wikipedia/bilboq - Blauer Morphofalter als Vorbild für Smartphones
Foto: wikipedia/bilboq - Blauer Morphofalter als Vorbild für Smartphones

In Zentral- und südamerikanischen Regenwäldern lebt ein Falter, der schillerndste Blaufärbungen der Flügel hervorbringt. Dieses Blau entsteht ohne Farbpigmente in den Flügelschuppen - nach Zerreiben der Flügel bleibt nur ein graubraunes Pulver übrig.

Die Färbung des Morphofalters entsteht durch optische Täuschung. Die Oberfläche der Schuppen ist strukturell unterschiedlich zu anderen Faltern - in den Schuppen befinden sich Rillen, die bestimmte Farben reflektieren.

Anwendung findet sich in Bildschirmen von Smartphones und auch in Kleidung aus Polyester- und Nylonfasern. Sie alle können alle Farben des Regenbogens widerspiegeln - ohne aber selbst gefärbt zu sein.

Infos     mehr Infos


Quelle1: Blauer Morphofalter; http://de.wikipedia.org/wiki/Blauer_Morphofalter; 1.8.2012
Quelle2: Axel Wagner: "Der Schillerndste seiner Art", http://www.planet-wissen.de/natur_technik/insekten_und_spinnentiere/schmetterling/portraet_morphof.jsp, 8.5.2012
Quelle3:
Shaun Pett: "Vorbild Natur", Reader's Digest, Februar 2012, S. 65

Heuschrecken

Foto: wikipedia/taxocat - Wanderheuschrecke als Vorbild für moderne Kollisionswarnung
Foto: wikipedia/taxocat - Wanderheuschrecke als Vorbild für moderne Kollisionswarnung

Heuschrecken fallen oft in Scharen über Felder her und fressen diese kahl ohne sich gegenseitig zu kollidieren. Dabei stoßen die Tiere auf kleinem Raum auf Millionen ihrer Artgenossen.

Dank eines neuronal-visuellen Systems reagieren sie schnell, zuverlässig und das bei extremer Geräuschkulisse.

Die Automobilindustrie nutzt diese Präventionsmuster für mehr Sicherheit im Straßenverkehr - und Kollisionswarnung und Notfallbremsung bei Fußgängererkennung.

Infos


Quelle1: Shaun Pett: "Vorbild Natur", Reader's Digest, Februar 2012, S. 64
Quelle2: Dörte Saße: "Von Heuschrecken zu Minifliegern: Geriffelte, biegsame Flügel höchst effizient", Wissenschaft aktuell, http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Von_Heuschrecken_zu_Minifliegern__Geriffelte__biegsame_Fluegel_hoechst_effizient1771015586329.html, 8.5.2012

Hai

Foto: wikipedia/Stefan Kuehn - Placoidschuppen verteilen sich vom Gebiss als kleiner werdende Hautzähnchen über den ganzen Körper
Foto: wikipedia/Stefan Kuehn - Placoidschuppen verteilen sich vom Gebiss als kleiner werdende Hautzähnchen über den ganzen Körper
Foto: wikipedia/Rafal Konkolewski - Korrosion auf Schiffsrümpfen (Fouling)
Foto: wikipedia/Rafal Konkolewski - Korrosion auf Schiffsrümpfen (Fouling)

Haie haben eine faszinierende Haut, denn ihr Körper wird nicht wie bei anderen Meerestieren (Walen) von Algen oder Parasiten befallen.

Das liegt an der Oberflächenbeschafftenheit der Haut, besser gesagt der Schuppen (Placoidschuppen).
Auf der weichen und beweglichen Unterhaut ist sie mit unendlichen kleinen "Zähnchen" besetzt, die sich bei Druck sogar gegeneinander verschieben und somit keine Haftung für Schmutz bieten - ähnlich wie Sandpapier.

Dieses Vorbild nutzen verschiedene Anwendungsgebiete:

  • Nachgeahmt wird die feine Rillung in Längsachse zum Beispiel im Schiffsbau. Mit einer speziell entwickelten giftfreien Silikon-Farbe kann man das sogenannte Fouling an Schiffsrümpfen -
    z.B. an riesigen Containerschiffen um 85 Prozent vermindern und dadurch Treibstoff eingesparen.
  • Das Haiprofil wird bei Griffen von Klinikbetten oder an Bedienteilen von Geräten als Ummantelung eingesetzt und reduziert im Klinikbereich die Ansteckung und Infektionen. 

Infos     mehr Infos (PDF)


Quelle1: Shaun Pett: "Vorbild Natur", Reader's Digest, Februar 2012, S. 62
Quelle2: "Künstliche Schuppen gegen Algenbewuchs", http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-2539-2005-03-16.html, 8.5.2012
Quelle3: "Fouling (Schiffbau)", http://de.wikipedia.org/wiki/Fouling_(Schiffbau), 8.05.2012
Quelle4: Martina Rueter: "Intelligente Beschichtungen", http://martina-rueter.suite101.de/intelligente-beschichtungen-a45925, 8.5.2012
Quelle5: "Wie ein Hai im Wasser", Technik und Werkstoffe, http://www.bueroscharf.de/data/downloads/de/126_Mabla_1010_Haifischlack.pdf, 8.5.2012

Fledermäuse

Foto: wikipedia/Manuel Werner - Fledermaus
Foto: wikipedia/Manuel Werner - Fledermaus

Das „Radar“ der Nachtgeister
Eine allgemein bekannte Ähnlichkeit in der Funktionsweise hat die Orientierung von Fledermäusen und Flugzeugen.
Der Ultraschall, den diese Tiere aussenden, kann auch mit Mikrosensoren erzeugt und das Echo wieder aufgenommen werden. Mit komplizierten Mikrofonanlagen, die wiederum die Technik den Biologen bereitstellt, kann man das Geheimnis herausfinden, wie Fledermäuse auch kleine Mücken wahrnehmen und dabei nicht die Orientierung im Flug verlieren.

Die Aufklärung von Lebensvorgängen mittels modernem Technikwissen nennt man dann „Technische Biologie“. Sie gibt den Biologen wiederum die Anregung, ihre Objekte „einmal von der anderen Seite zu sehen“ und Lebensvorgänge im Vergleich mit der Technik besser zu verstehen.  

Buckelwal

Foto: wikipedia/Wanetta Ayers - Vorderflossen des Buckelwals als Vorbild
Foto: wikipedia/Wanetta Ayers - Vorderflossen des Buckelwals als Vorbild
Foto: wikipedia/Ulli1105 - Die WhalePower Corporation entwickelt leistungsstärkere Rotorblätter
Foto: wikipedia/Ulli1105 - Die WhalePower Corporation entwickelt leistungsstärkere Rotorblätter

Die Brustflosse des Buckelwals nutzt eine einzigartige Technik, die den riesigen Koloss energiearm und gleichzeitig leistugsstark durch die Meere manövriert. Durch diese einzigartige Anatomie sind die Tiere schnell und sehr wendig.

Denn die Flosse ist an der vorderen Seite nicht glatt, wie man meinen könnte, um einen geringen Strömungswiderstand zu haben.
Die Brustflosse hat kleine Beulen auf der Flosse, die das Wasser schneller durchfliessen lässt und somit gleichzeitig Hub und Leistung verbessern.

Diese Technik macht man sich heute in Ventilatorflügeln zu Nutze. Sie können 25 Prozent mehr Luft bewegen und benötigen dabei viel weniger Strom als bisher.

Ventilatorflügel kommen in Windrädern zur Stromerzeugung vor oder werden zur Belüftung in Klimanalagen und Computern genutzt.
Auch Hubschrauber nutzen die neuen Rotorblätter, um auch bei hohen Geschwindigkeiten manövrierbar zu bleiben.

Infos          mehr Infos          noch mehr Infos          


Quelle1: Shaun Pett: "Vorbild Natur", Reader's Digest, Februar 2012, S. 60
Quelle2: Wucherpfennig, J.; Dr. Richter, Kai; Dr. Mai, Holger: "Buckelwal als Vorbild - Hubschrauber sollen wendiger werden", http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10280/385_read-2595/, 8.5.2012
Quelle3: OD: "Bessere Rotorblätter vom Buckelwal abgeschaut", http://www.pro-physik.de/details/news/1454989/Bessere_Rotorblaetter_vom_Buckelwal_abgeschaut.html, 8.5.2012

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