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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“
Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik
Die 7 Denkschritte der Bionik
Nachträge
Wasserläufer (Gerris lacustris.)
Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?
1,5 m/s
Auch Spinnen können übers Wasser laufen
Robostrider (MIT)
Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge
Wirbelbild der Fortbewegung
B. Chan, D. Hu
Original
Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität
Wasserläufer
Beinhaare mit Nano-Rillen
Nano-Rillen
200 nm20 μmXuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing
2 cm
20 m
Biologisches Vorbild Technische Nachahmung
Entwurf einer Wasserlaufmaschine
Bionik ist Quatsch ?
Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert
Es gilt:
Geometrische Ähnlichkeit zwischen biologischem Vorbild und technischer (Groß-)Ausführung ist zwar eine notwendige aber keine hinreichende Bedingung für gleiche physikalische Vorgänge.
Zusätzlich müssen auch die voneinander unabhängig wirkenden Kräfte im gleichen Verhältnis zueinander stehen (Dynamische Ähnlichkeit). Wenn diese Kräfte verschiedene physikalische Ursachen haben, kann sich bei Änderung des Maßstabes dieses Verhältnis ändern.
Änderung der Kräfte-Resultierenden !
oKoK
GK
Oberflächenkraft
Gewichtskraft Zahl-Eötvös 23
OG
gg
KK
Wasserläuferfuß
m/N07,0Wasser
Eingedellte Wasseroberfläche
Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
Dynamische Ähnlichkeitskennzahlen:
Cauchy-Zahl/
CaEv (Trägheitskräfte – Elastische Kräfte)
Froude-Zahl gv2
Fr (Trägheitskräfte – Gewichtskräfte)
Eötvös-Zahl 2
Eo g (Gewichtkräfte – Oberflächenspannung)
Reynolds-Zahl /Re v (Trägheitskräfte – Reibungskräfte)
(Trägheitskräfte – Oberflächenspannung)Weber-Zahl
2We v
Abbesche Zahl (V) Archimedes-Zahl (Ar) Arrhenius-Zahl (γ) Atwood-Zahl (At) Begasungszahl (NB) Biot-Zahl (Bi) Bodenstein-Zahl (Bo) Bond-Zahl (Bo) Brinkmann-Zahl (Br) Cauchy-Zahl (Ca) Colburn-Zahl (J) Damköhler-Zahl (Da) Dean-Zahl (De) Deborah-Zahl (De) Eckert-Zahl (Ec) Ekman-Zahl (Ek) Elsasser-Zahl Eötvös-Zahl (Eo) Ericksen-Zahl (Er) Euler-Zahl (Eu) Fourier-Zahl (Fo) Froude-Zahl (Fr)
Galilei-Zahl (Ga)Graetz-Zahl (Gz) Grashof-Zahl (Gr) Hagen-Zahl (Hg) Hatta-Zahl (Ha) Helmholtz-Zahl (He) Jakob-Zahl (Ja) Kapillarzahl Karlovitz-Zahl (Ka) Kavitationszahl Keulegan-Carpenter-Zahl (KC) Knudsen-Zahl (Kn) Laplace-Zahl (La) Lewis-Zahl (Le) Ljascenko-Zahl (Lj) Mach-Zahl (Ma) Marangoni-Zahl (Mg) Markstein-Zahl Morton-Zahl (Mo) Nahme-Zahl (Na) (auch Griffith Zahl) Newton-Zahl (Ne) Nusselt-Zahl (Nu)
Ohnesorge-Zahl (Oh) Péclet-Zahl (Pe)Phasenübergangszahl (Ph) Prater-Zahl (β) Prandtl-Zahl (Pr) Rayleigh-Zahl (Ra) Reynolds-Zahl (Re) Richardson-Zahl Rossby-Zahl (Ro) Schmidt-Zahl (Sc) Sherwood-Zahl (Sh) Siedekennzahl (Bo, boiling number) Stanton-Zahl (St) Stefan-Zahl (Ste, Kehrwert von Ph) Stokes-Zahl (St) Strouhal-Zahl (Sr) Taylor-Zahl (Ta) Thiele-Modul (φ) Thring-Zahl Weber-Zahl (We) Weisz-Modul (Φ) Weissenberg-Zahl (Ws)
Ähnlichkeitskennzahlen im Internet
l2
l
l1
v
1
232
Träg)(
vK
(Newton) dd
Reib FyvK
)( 22
1Reib vK
/1 121
ReibTräg
v
KK
Konstant bei geometrischer
Ähnlichkeit v
KK
ReibTrägRe
Reynoldszahl
Strömungsmedium:
Dichte Zähigkeit
Kinematische Zähigkeit y
v = 0
Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl
wasser = 1·10-6 m2/s
luft = 15·10-6 m2/s
Grö
ße
Strömungsphysik (Reynoldszahl)
Andere Strömungsphysikandere Lösungen !
Federflügler 0,25 mm
Libelle
Airbus 380
Verkehrsflugzeug B-747
Re = 2 ·10
8
Segelflugzeug ASH-25
Re = 2 ·10
6
Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10
4
Saalflugmodell
Re = 4 ·10
3Mikro Air Vehikel
Vogel Weißstorch
Re = 1 ·10
5
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Verkehrsflugzeug
Segelflugzeug
A2-Flugmodell
Saalflugmodell
ab
cd
a Adlerb Bussardc Habichtd Sperber
ReReynoldszahl
und Flügelprofil
Die 7 Denkschritte in der Bionik
2
3
4
5
6
7
1
Nutzung der evolutiven Lösung
Biologisches Funktionsprinzip Fb
stopp
stopp
stopp
ja
ja
ja
nein
nein
nein
Fb ähnlich Ft ?
Technisches Funktionsprinzip Ft
Biologische Randbedingungen Rb
Technische Randbedingungen Rt
Rb ähnlich Rt ?
Gb ähnlich Gt ?
Biologisches Gütekriterium Gb
Technisches Gütekriterium Gt
FuRaGü soll eine
schwache Regel sein
Fb = Schmetterlingsschuppen
Ft = Dachziegel
Pseudo-Bionik:
Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik
Fb Ft
Fb ≠ Ft
Rb = Flügelprofil Vogel
Rt = Flügelprofil Flugzeug
Pseudo-Bionik:
Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik
Rb
Rt
Rb ≠ RtNACA 662-615
Storch
Adler
Flugzeug
Wegen Reynoldszahl
Gb = Mohnkapsel
Gt = Salzstreuer
Pseudo-Bionik:
Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik
Gb Gt
Gb ≠ Gt
Trivial-Bionik 1
Trivial-Bionik 2
Trivial-Bionik 3
Trivial-Bionik 4
Trivial-Bionik 5
Trivial-Bionik 6
Trivial-Bionik 7
Trivial-Bionik 8
Schiff-Bugwulst
Delfin-Schnauze
Die Unterwassernase erzeugtein zweites Wellensystem,das die Bugwelle durch Interferenz verkleinert.
Kieselalge Autofelge
Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten
50 μm
Trivial-Bionik 10
Clau
s M
atth
eck
Clau
s M
atth
eck
1. Nachtrag:
Weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution
Imitation von
Tieren Zoomimese
Pflanzen oder Pflanzenteilen Phytomimese
Leblosen Gegenständen Allomimese
Mimese
Dornzikaden an einem Rosenstamm
Interpretation der Formgebung einer Dorne als
Optimierungsproblem
x
Zikade
Dorn
Minimum2istsoll )(
xyy
Problem der Kurvenanpassung
soll
yistyUr-
Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf !
Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter
(Phalera bucephala)
Mondvogel
Lonomia Motte
Kopf Rechte Flügelspitze
Linke Flügelspitze
Blatt-Mimese eines Baumfrosches im peruanischen Regenwald
Heikegani-Krabbe oder Samurai-Krabbe
Samurai-Maske
Eine gewagte Hypothese: Die Samurai-Krabbe ahmt einen Samurai-Krieger nach, weil Japanische Fischer Krabben, die einem Samurai-Gesicht ähnelten, stets ins Meer zurückgeworfen haben. Krabben mit mehr Samurai-Gesicht haben sich so verstärkt vermehren können.
Verborgen im Saharasand
Foto
: Ing
o R
eche
nber
g
Wo ?
Optimalkonstruktion Facettenauge
Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege
Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel haben:
Konstruktive Grenze: Um die Objekte A und B voneinander getrennt zu unterscheiden muss gelten:
Optische Grenze: Licht wird an kleinen Öffnungen gebeugt. Um A und B getrennt zu detektieren darf der Beugungswinkel nicht größer als /2 sein (Rayleighsches Kriterium):
Min
2/2D
d
2 d 22,12
=1,22 d
/2
Rayleighsches Kriterium
Optimalkonstruktion Facettenauge
Beugung
D
/2
A B
Zwergwespen
TropischeRiesenbienen
1 2 3
30
40
20
10
d m
D mm1/2
=2,44 d
d
=4 dD
dopt= 0,61 D
Konstruktive Grenze
OptischeGrenze
Unimodale und multimodale Optimierung
unimodal
multimodal
Multimodale Optimierung in der Natur
Komplexauge
Linsenauge
Zwei Lösungen der Evolution
KomplexaugenKameraaugen
Einfache Lichtwahrnehmung
Vorstufen derKomplexaugen
Augen mitengem Loch
Becheraugen mit Pigment
Becheraugen mitreflektierendem Pigment
Super-positions-augen
Augen mitengem Loch
Pfeilschwanz-krebs
Zwischenformen
Appositions-augenNeurale
Superposition
Augen mitGlaskörper
Augen mitSpiegeln
Nautilus
Linsenaugeder Kopffüßer
FischaugenSpinnen
Tapetum-Bergrücken
RuderfußkrebseDetritus
mit Hornhaut ausgestatteteAugen der Landwirbeltiere
Multimodalität der Augen-Evolution
Unimodale Optimierung in der Natur
Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)
Beuteligel
Beutelratte Beutelhund
Beutelmaulwurf
Unimodale Evolution (Optimierung)
Beutelbär
Australien
In
Beutelmensch
Das „bessere Auge“ des Octopus
Octopus: Nerven hinter der Netzhaut
Wirbeltier: Nerven vor der Netzhaut
(Fehlkonstruktion)
Sandfisch
Sandschleiche
Sandboa
Parallelevolution - Grundlage der Bionik
2. Nachtrag:
Wasserpumpe ohne beweglich Teile
Kühlung ?
70° C
Mittags: Lufttemperatur 45° C
Boden 70° C
Temperatur
Wüstenboden: 70°C
Temperatur
Koloquintenblatt: 35°C
Kalte Spiegelglasscheibe
Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration
7.7.1956
60
55
45
50
30
10
40
35
12 14 16 18 20 h
Tem
pera
tur [
C]
°
LufttemperaturHitzeresistenzgrenze
Temperaturunverletztes Blatt
Temperaturabgeschnittenes Blatt
Blatt abgeschnitten
Transpirationskühlung von Koloquintenblättern
Lange O.L . (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147, 595-651
H2O
H2O
Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe
Spaltöffnung
9 m
WasserhäutchenOberflächenspannung
150 m
Transpirationsrate (Wüste Saudi Arabien): 0,13 – 0,17 g m-2 s-1
= 0,47 - 0,61 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde
Transpirationsrate unter Wärmestress: 0,6 g m-2 s-1
= 2,2 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde
KoloquintenblattAlthawadi A. M. and Grace J. (1986). Water use by the desert cucurbit Citrullus colocynthis. Oecologia (Berlin) 70, 475 – 489
Transparente Hülle
Geerntetes
Transpirationswasser
eines Tages
BionischeTranspirationspumpe
Primitiver Nachbau
Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm
Eine Eiche mit 12 m Kronendurchmesser verdunstet pro Tag:
400 Liter Wasser !
Eine „Wüsteneiche“ mit 12m Kronendurchmesser würde unter Wärmestress
pro Tag
2500 Liter Wasser
Transparenter Ballon
transpirieren
Pro Tag geerntetes Reinstwasser: Bis zu 30 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche
Rückgewinnung der KondensationswärmeNachgebildete
Spaltöffnungen
Nachgebildetes Pflanzenblatt
Aus dem Wüstenboden
Bionik-Pumpe
VakuumdämmungSolarabsorber
Spezialglas
Astragalus trigonus
Restfeuchte im Ton
Vorbild Natur
Nachbildung Technik
Endewww.bionik.tu-berlin.de