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Bionik TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
Bionik
TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
Inhaltsverzeichnis
Grußwort 4LdVz Aktivitäten 6
Fakultät für Architektur Professur für Entwerfen und Gebäudehülle 8 Lehrstuhl für Baurealisierung und Baurobotik 10
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt LehrstuhlfürenergieeffizientesundnachhaltigesPlanenundBauen 12 Lehrstuhl für Statik 14
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Fachgebiet für Audio-Signalverarbeitung 16 Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik 18
Fakultät für Maschinenwesen LehrstuhlfürAngewandteMechanik 20 LehrstuhlfürMikrotechnikundMedizingerätetechnik 22 LehrstuhlfürProduktentwicklung 24 LehrstuhlfürUmformtechnikundGießereiwesen 26
Fakultät für Physik LehrstuhlfürTheoretischeBiophysik 28
Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik 30 LehrstuhlfürZoologie 32
Professorenliste 34Standorte 38
Table of context
Greeting 5LdVZ Activities 7
Department of Architecture Associate Professorship of Architectural Design and Building Envelope 9 Chair of Building Realization and Robotics 11
Department of Civil, Geo and Environmental Engineering ChairofEnergyEfficientandSustainableDesignandBuilding 13 Chair of Structural Analysis 15
Department of Electrical and Computer Engineering Professorship for Audio Information Processing 17 Heinz Nixdorf Chair for Medical Electronics 19
Department of Mechanical Engineering ChairofAppliedMechanics 21 ChairofMicroTechnologyandMedicalDeviceTechnology 23 ChairofProductDevelopment 25 ChairofMetalFormingandCasting 27
Department of Physics ChairofTheoreticalBiophysics 29
TUM School of Life Sciences Weihenstephan Chair of Food Packaging Technology 31 Chair of Zoology 33
List of Professors 34Locations 38
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Grußwort
Bionik ist die Übernahme biologischer Bauprinzipien und Strategien für die Gestaltung technischer Produkte und Abläufe. Es ist aber auch eine Sichtweise, nämlich mit der Verzahnung biologischer Erkenntnisse und ingenieurwissenschaft-licher Forschung eine neue, umwelt-freundlichere und biologieorientierte Technik zu schaffen. Dies erfordert Forschung und Entwicklung auf beiden Seiten, aber insbesondere auch die Nutzung vorhandenen und neuen Wissens im Sinne ingenieurwissen- schaftlicher Umsetzung.
Bionische Umsetzung kann nicht eine 1:1–Umsetzung biologischer Erkennt- nisse sein, jedenfalls nicht in der Regel. Die Biologie hat im Verlauf einer Jahr- millionen dauernden Evolution hervor-ragende Systeme mit ebenso außer-gewöhnlichen Komponenten geschaffen. Vieles ist dabei der heute existierenden Technologie weit überlegen. Vieles hat aber auch die Technik zu bieten, etwa die Möglichkeiten solcher fundamentalen Artefakte wie das Rad und Silizium. Es wird bei der Bionik also darauf ankommen, überzeugende biologische Konzepte und Prinzipien mit ebenso überzeugenden Technologien zu etwas Neuem zu integrieren. Von Interesse sind dabei vorrangig die hinter den biologischen Systemen stehenden Auslegungs- prinzipien und Organisationsaspekte.
Bionik ist in besonderem Maße inter-disziplinär und umfasst alle Gebiete der Biologie, der Medizin, der Mathematik, der Physik und Chemie auf der einen, und die meisten Gebiete der Ingenieur-wissenschaften vom Maschinenbau über das Bauingenieurwesen, der Elektro- technik bis hin zur Informatik auf der anderen Seite. Die Verwirklichung einer Bionik in Forschung und Lehre an einer Universität kann diese extrem große Interdisziplinarität nicht realisieren, man wird eine Auswahl nach Kriterien der vorhandenen Fakultäten und Fächer, der angestrebten Schwerpunkte der Universität als Ganzes und nicht zuletzt der möglichen materiellen Ressourcen vornehmen müssen. Eine solche ko-ordinierende und integrierende Aufgabe übernimmt das TUM Leonardo da Vinci Zentrum für Bionik. Die vorliegende Broschüre ist ein erster Schritt, um zunächst einmal die Aktivitäten der TUM sichtbar zu machen. Sie zeigt nicht nur, wie breit und zukunftsorientiert die Technische Universität München in diesen Forschungsbereichen aufgestellt ist. Sie ist auch Teil einer Region, der Münchner Region, die wie keine andere in der Welt eine außergewöhnlich hohe Dichte von forschungsintensiven und bioniknahen Institutionen aufweist.
Greeting
Biomimetics tries to take over construction principles and organizational strategies of the biological world for shaping techno- logical products and structures. But it is also a way of looking at processes, namely the process of integrating bio-logicalfindingswithengineeringresearchand development for realizing a new, eco-friendly and nature-oriented technology. This requires research and development in both areas, biology and engineering, and the exploitation of existing and up-coming expertise in the sense of realizing an improved technological world.
Biomimetics cannot come out with a 1:1- realizationofbiologicalfindingsintotechnical products, not as a rule at all. During the course of millions of years of evolution, biology has created perfect systems, with respect to the environ-mental requirements and with respect to all biological components needed. So-to-say before the background, that biology knows all laws of nature, human-kindonlythoseof2016.Manybiologicalcreations are of course superior to the technological ones, but one must not under-estimate modern technology with its basic artefacts like the wheel and silicon openingnewfieldscharacterizedpre-dominantly by velocity. The challenge of biomimetics consists in integrating con- vincing biological concepts with just as convincing concepts of engineering to ge-nerate something new and unconventional.
In addition to considering the biological systems and components an important focus are biological design principles and biological organizational procedures.
Biomimetics represents a very broad interdisciplinary area including on the one hand disciplines like biology, medicine, mathematics, physics and chemistry, and on the other hand, the engineering fieldslikemechanical,electrical,civilengineering and the computer sciences. From this it is clear, that no university will be able to organize a general course of biomimetic studies. A selection and a focus on possible areas will be necessary, possible in the sense of existing faculties, of existing disciplines and personnel, of existing and future provisions. The TUM-Leonardo da Vinci center tries since some years to keep these ideas alive and to care for the consciousness of bio-mimetics. One instrument is the brochure on hand for improving the visibility of the biomimetic activities at TUM. It indicates the broad and future oriented work at our university. In addition, it is part of a region, the Munich region, which possesses an extraordinary density of institutions committed to research and developmentconcerningfieldsverynearto biomimetics.
TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
Univ. Prof. i.R. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h., Dr. h.c. mult. Friedrich PfeifferLehrstuhl für Angewandte MechanikTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289152-00fax +4989289152-13
Friedrich Pfeiffer
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LdVZ Aktivitäten
Das Leonardo da Vinci Zentrum (LdVZ) fürBionikwurde2007dankeinerInitiativedes Präsidenten der Technischen Uni-versität München (TUM), Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Wolfgang A. Herrmann, gegründet. Zu diesem Zeitpunkt gab es keine einheit-liche Koordination der Bionik-Aktivitäten der TUM. Diese wurden dezentral in den einzelnen Lehrstühlen durchgeführt. Daraus ergibt sich die bis heute gültige Zielsetzung des LdVZ: Die bionischen Aktivitäten auf Lehrstuhl- und Fakultäts- ebene sichtbar zu machen sowie den Einsatz bionischer Vorgehen in Forschung und Industrie zu fördern. Das heutige LdVZ besteht aus dem Kollegenteam der Professoren Lindemann (Lehrstuhl für Produktentwicklung), Luksch (Lehrstuhl für Zoologie), van Hemmen (Lehrstuhl für theoretische Biophysik) und Pfeiffer (Lehrstuhl für angewandte Mechanik; Vorsitz). Um die Zielsetzung zu erreichen, hat das LdVZ zahlreiche Aktivitäten in den vergangenen Jahren durchgeführt. Es wurde der Bionik Ideenwettbewerb 2008undderPosterwettbewerbderMSELehrveranstaltung organisiert. Das LdVZ förderte Kollegen bei der Erstellung von Anträgen und der Organisation von Symposien, Workshops und Tagungen, wie dem internationalen Symposium „InternallyCoupledEars“imJuli2014oder den Workshop „Multimodal & SensorimotorBionics”imJahr2011.Eineweitere große Aktivität des LdVZ ist die Öffentlichkeitsarbeit. Es wurde eine TUM
Bionik Internetpräsenz geschaffen: www. bionik.tum.de. Diese informiert über die Bionik-Aktivitäten und -partner der TUM. Ebenso wurde die LdVZ Bionik-Broschüre erstellt. Wir sind stolz mit dieserBroschürediezweiteAuflagemit13 Lehrstühlen und verbessertem Layout zu präsentieren.
Einer der größten Erfolge des LdVZ ist der Aufbau der Ringvorlesung „Bionik“, dieseit2011stattfindet.Indieserbe-richten nationale sowie internationale Forscher über aktuelle Forschungen. Aktuellnehmenüber200HörerandieserVeranstaltung teil. Das LdVZ unterstützt aber nicht nur die akademische Lehre, sondern beteiligte sich auch aktiv an der Berufung eines international renommierten Kollegen aus der Neurobiologie. Ziel war der Aufbau einer Organisation mit dem Arbeitstitel „Technische Neurowissen-schaften“ an der TUM. Diese scheiterte aber leider an den Kosten.
Mit den unterstützenden Aktivitäten hat das LdVZ zukunftsweisende Bionik-Themen vorangetrieben und über ent-sprechende Anträge Forschungsgelder akquiriert. Ebenso wurde in den ver- gangenen 8 Jahren die TUM-interne, sowie nationale und internationale Vernetzung der Bionik-Forschung voran-getriebenen: Dies ist sowohl der Erfolg des LdVZ als auch Motivation für weitere Aktivitäten.
TUM Leonardo da Vinci − Zentrum für Bionik
Univ. Prof. i. R. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h., Dr. h.c. mult. Friedrich PfeifferLehrstuhl für Angewandte MechanikTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289152-00fax +4989289152-13
LdVZ Activity
The Leonardo da Vinci Zentrum for bio-mimetics(LdVZ)wasfoundedin2007byan initiative of the president of the TUM, namely Prof. Dr. Dr. h.c.mult. Wolfgang A. Herrmann. At this time, the biomimetic activities of the TUM were not consistently coordinated but executed by each chair individually. Therefore, the goal of the LdVZ is until today: to make all biomimetic and biomimetic-connected activities of all faculties and chairs of the TUM more visible and to support biomimetic processes in research and industry. The LdVZ consists of the professors Lindemann (Chair of Product Development), Luksch (Chair of Zoology), van Hemmen (Chair of Theoretical Biophysics) and Pfeiffer (Chair of Applied Mechanics; chairman). To attain the mentioned goals the LdVZ performed different activities in the last years. It organized a biomimetic idea contestin2008andtheposterchallengeof the MSE lecture. The winners of the poster challenge were granted awards attheMSEWelcomeDay2014.TheLdVZsupported proposals for research projects and organized symposia and conferences as the international symposium “Internally CoupledEars”inJuly2014orthe“Multi-modal & Sensorimotor Bionics” workshop in2011.FurthertheLdVZrunspublicrelation activities. It created the TUM bio-mimetic homepage: www.bionik.tum.de. This informs about biomimetic activities and partners of the TUM.
The LdVZ also published the LdVZ biomimetic brochure. In it 11 chairs of the TUM present themselves and inform abouttheirbiomimeticresearch.ThefirsteditionwaspublishedinAugust2014andwe are proud to present this second edition with thirteen chairs, more information about biomimetic activities and an enhanced layout.
A major success of the LdVZ is the creation of the lecture series “Bionik”. Thelectureseriesstartedin2011.Initnational and international researchers report about their current research. The topicscovertheoretical-scientificlecturesas well as the application of biomimetic in theindustry.Currentlyover200listenersattend to the lecture. The LdVZ supports not only academic teaching but also participated to appoint an internationally renowned colleague of neurobiology. The aim was to establish an organization named “Technische Neurowissenschaften” at the TUM. This failed due to the costs, though.
These LdVZ activities promoted future-oriented biomimetic topics and acquired research funds. Additionally, in the last 8 years the TUM-internal as well as the national and international interconnection of biomimetic research was impelled: This is a success and a motivation for more activities of the LdVZ.
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Das äußere Erscheinungsbild von Bauten und deren ästhetische Wirkung im öffentlichen Raum als wichtiges architektonisches Gestaltungsmittel wird im Wesentlichen durch deren Fassaden bestimmt. Als Schnittstelle zwischen den vorhandenen Außenbedingungen und den Anforderungen im Gebäudeinneren, definiertdurchdiejeweiligeNutzung,sindsie in ihrer technischen und konstruktiven Ausbildung maßgeblich für den Energie-haushalt eines Gebäudes verantwortlich. Im Zusammenhang mit den Themen Ressourcen schonen, Energie einsparen und erneuerbare Energie nutzen gewinnt die Gebäudehülle vor dem Hintergrund notwendiger Klimaschutzziele immer mehr an Bedeutung.
Die zunehmende Komplexität von Ge-bäudehüllen und die damit verbundenen Fragen der Energieversorgung, der Infra-struktur, der Werkstoffe, der Technologie, Beanspruchbarkeit, sind fester Bestand- teil von Forschung und Lehre des Fach-gebiets. Daher ist eine enge Kooperation mit Bauphysik, Bauklimatik, Maschinenbau und Materialwissenschaft kennzeichnend für die Arbeitsweise des Fachgebiets.
So wie sich unsere natürliche Umwelt in einem konstanten Prozess selbsttätig verändert, kann sich auch Architektur klimatischen Anforderungen anpassen. Mit der Natur als Vorbild entwickelt das Fachgebiet für Technologie und Design von Hüllkonstruktionen Gebäudehüllen, die sich analog zu natürlichen Hüll-
systemen sowohl über den Tag betrachtet als auch über das Jahr gesehen adaptiv und responsiv verhalten.
Die Studierenden David Gautrand und Julian Eberhart entwickelten ein Sonnen-schutzsystem, das selbstständig auf veränderte Umgebungsbedingungen reagieren kann. Die Arbeit entstand im Rahmen der Veranstaltung „adaptiv“ bei Prof. Dr.-Ing. Tina Wolf und Philipp Molter. In einem vertieften iterativen Prozess zwischen Analyse eines bestehenden natürlichen Vorbildes und dessen techni-scher Umsetzung entstand ein autarker Steuerungsmechanismus, der sich die thermischeAusdehnungeinesspezifischen Materials zu Nutze macht. Die Tulpenblüte, die sich durch differierendes Wachstum der Außen- und Innenseite öffnet und schließt, ist direktes Vorbild für eine moderne Gebäudehülle, die versucht mit einem geringen Anteil von technischem Aufwand ein hohes Maß an anpassungs-fähigerEffizienzzuschaffen.FürdieÜber- setzung in die technische Anwendung, also eine intelligente Gebäudehülle heißt das, diese Funktionsweise in ein Ver-schattungssystem zu übersetzen, das ein Verhindern der Aufheizung eines Ge-bäudes bewirkt. Durch eine geometrisch angepasste Konstruktion und Material-auswahl wurde so ein Sonnenschutz proto- typisch entwickelt, der gleichzeitig diffuses Licht und damit energiearme Strahlung ins Innere des Gebäudes leiten kann.
Fakultät für Architektur
Professur für Entwerfen und GebäudehülleProfessor Dr.-Ing. Tina Wolf
Weiterentwicklung des Verschattungs-elementesFurther development of the shading element
Erster Prototyp des Verschattungs-elementesFirst prototype of the shading element
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The external appearance of buildings and their aesthetic impact in the public sphere as an important architectural design element is primarily determined by their facades. As an interface between the existing external conditions and the requirementsinsidethebuilding,definedby the respective usage, they are crucially responsible in their technical and con-structive formation relevant for the energy balance of a building. In the context of resource conservation, energy saving, and renewable energy use, and against the background of climate protection targets, the building envelope is becoming increasingly important.
The increasing complexity of building envelopes, and the related issues of energy supply, infrastructure, materials, technology, stress resistance, is an integral part of research and teaching of the subject area. Therefore, close cooperation with building physics, building climate control, mechanical engineering and materials science is characteristic of the operation of the department.
Just as our natural environment is in a constant process of self-adaptive change, architecture can adapt itself to climatic requirements. Using nature as a model, the Department for Technology and Design of Building Envelopes de-velops building envelopes, analogously to natural shell systems, which are
adaptive and responsive both diurnally and annually.
The students Gautrand David and Julian Eberhart developed a sun protection system that can react auto- nomously to changing environmental conditions. The work was part of the event, “adaptive”, organized by Prof. Dr.-Ing. Tina Wolf and Philip Molter. An in-dependent control mechanism arose from an in-depth iterative process between analysis of an existing natural model and its technical implementation that takes advantage of the thermal expansion of a specificmaterial.Thetulipblossomthatopens and closes through differing inner and outer expansion, is a direct model for a modern building envelope, which with a minimum of technical effort attempts to provideahighlevelofadaptiveefficiency.Transposition to a technical application, in other words an intelligent building en-velope, means translating this operation into a shading system that is effective in preventing the overheating of a building. A sunscreen was prototyped through a geometrically customized design and material selection, which can conduct diffuse light and thus low-energy radiation into the building at the same time.
Professur für Entwerfen und GebäudehülleProf. Dr.-Ing. Tina WolfTechnische Universität MünchenArcisstr.21D – 80333 München
fon +498928928-461
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Fakultät für Architektur
Lehrstuhl für Baurealisierung und BaurobotikProf. Dr.-Ing. Thomas Bock
Der Lehrstuhl konzentriert das Know-how von Forschern und Studierenden verschiedener fachlicher Hintergründe (Architektur, Wirtschaftswissenschaften, Elektro- und Informationstechnik, Bauingenieurswesen, Design und Innen-architektur, Informatik, Maschinenwesen, Medizintechnik). In diesem inter- disziplinären Kontext nutzt der Lehrstuhl aktiv biologisch inspirierte bzw. natur-inspirierte und bionische Ansätze zur Entwicklung komplexer, wissenschaftlich fundierter und nachhaltiger Lösungen für zukünftiges Bauen, Baurobotik, zu-künftiger Baustrukturen und roboterähnli-chen Gebäuden und Bauteilen.
Roboterschwärme in der Gebäude- produktion: Inspiriert von Ameisen, Bienen und Termiten-Kolonien können Roboter-schwärme im Bauwesen dazu verwendet werden um Gebäude autonom zu errichten, zu warten und zurückzubauen.
Gebäudeteile mit Robotik-Funktionen: Den biologischen Konzepten der Selbst- reproduktion, Selbstheilung und anderen Metabolismus-inspirierten Prozessen folgend können Bauteile zu Roboter- Elementen werden, die über Dinge wie Zustand und Position Bescheid wissen und Auskunft geben können und so bei-spielsweise ihre eigenen Ersatzteile be-stellen bzw. sich selbst ersetzen können.
DNA-inspirierte Roboter-Gebäude: Der von Konrad Zuse entwickelte Helix-Turm z.B. ist eine bioinspirierte, automatisch aus-
und einfahrbare Turmstruktur, die zeigt, wie durch eine Vielzahl von einfachen Elementen ein hochkomplexer Maschinen- Mechanismus erzeugt werden kann.
Durch Bio-Signale gesteuerte Raumum-gebungen: Neue Arten von in die Umge-bung integrierten Sensoren ermöglichen den direkten Anschluss der Gebäude-funktionalität an Biosignale, Verhaltens-weisen und Gefühle von menschlichen Bewohnern / Benutzern und bilden somit die Grundlage für eine neue Art der Mensch-Umwelt-Interaktion
Zukünftige High-Tech-Raumumgebungen werden sensiblen und intelligenten Organismen mit Nerven und Synapsen nachempfunden sein und so natürlich mit den Bewohnern / Benutzern interagieren können. Neue Arten von Biosensoren (EKG,Elektroenzephalografie,Bewegungs- erkennung, etc.) die in die Umgebung integriert werden, ermöglichen neue Formen der Mensch-Raum-Interaktion. Um den Ansatz zu demonstrieren, wurde ein Leap Motion Controller verwendet. Greifen, Handgelenk drehen sowie die Positionierung der menschlichen Hand im Raum generiert direkt Steuersignale für umgebungsintegrierte Funktionen (Steuerung von Arbeitsplatz-Funktionen, Service-Robotern, Bettpositionen, etc.). Darüber hinaus können die Handbewe-gungen analysiert werden, um Nerven-krankheiten wie Parkinson in einem frühenStadiumzuidentifizierenundentgegenzuwirken.
DNA-inspiriertes Robotergebäude: selbstaufrichtende und -zusammen-faltbare TurmstrukturDNA-inspired robotic buildings: Self-erecting and self-retracting robotic tower structure
Bioinspirierte Robotik-Gebäudeteile können Infrastruktur und Gebäuden Selbstheilungsfähigkeiten gebenBioinspired robotic building parts can give infrastructure and buildings self-healing capability
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Lehrstuhl für Baurealisierung und BaurobotikProf. Dr.-Ing. Thomas BockTechnische Universität MünchenArcisstraße21D – 80333 München
fon +4989289221-00fax +4989289221-02
The chair focuses the expertise of resear-chers and students of various professional backgrounds (Architecture, Business Science, Electrical Engineering, Civil Engineering, Interior Design, Informatics, Mechanical Engineering). In this interdis-ciplinary context, the chair actively utilizes bio-inspired and biomimetic concepts for developing complex, logically grounded and sustainable solutions for advanced construction, construction robotics, and the design and development of future building structures, robotic buildings and building parts.
Construction Robot Swarms: Following the idea of colonies of ants, bees and termites, swarms of construction robots can be used to construct, inspect, maintain and deconstruct buildings.
Robotic building parts: Following bio-logical concepts of self-reproduction, self-healing and other metabolism-inspired processes and future building components will become themselves robotic elements that know about such things as their state and position, can order their own replacement parts and replace themselves.
DNA-inspired robotic buildings: The Helix-Tower developed by Konrad Zuse, for example, is a bio-inspired, automatically erectable and retractable tower structure built up by a multitude of simple elements forming a highly complex machine mechanism.
Bio-signals controlled ambient environ-ments: New types of sensors integrated into the environment allow to directly connect building functionality to the bio-signals, behaviors and emotions of its inhabitants and form the basis for a new way of human-environment interaction.
Future, technology enhanced ambient environments will become sensitive and intelligent organisms with nerves and synapses that can seamlessly and naturally interact with the inhabitants. New types of bio-sensors (ECG, Electro- encephalography, motion tracking, etc.) integrated into the environment allow for new ways of human-environment interaction. In order to demonstrate the concept, a Leap Motion Controller was used. Grasping, wrist rotating, as well as the position in the human hand in the room can be directly translated into control signals for ambient integrated functions (control of work desks functions, robots, bed positions, etc.). Moreover, the hand movements can be automatically analyzed in order to identify nerve diseases like Parkinson in an early stage.
Anschluss der Gebäudefunktionalität an BiosignaleConnection of the buildung-functionality to biosignals
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Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und BauenProfessor Dr.-Ing. Werner Lang
Der Lehrstuhl ist ein „joint appointment“ zwischen der Fakultät für Architektur und der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt. Er fördert die interdisziplinäre Forschung im Bauwesen und integriert energieeffizientesPlanenundBauenals verpflichtendesModulindasStudium.Seit2011bietendieseFakultätenunterFederführung des Lehrstuhls ENPB einen interdisziplinären fakultätsübergreifenden Masterstudiengangfürenergieeffizientes und nachhaltiges Bauen an. Der Lehr-stuhl ist auch Teil des Zentrums für nachhaltiges Bauen, wo interdisziplinäre Forschungsansätze mit allen relevanten Fakultäten der TUM verfolgt werden.
Der Informationstransfer zwischen Natur und Technik und die sich hieraus ergebenden potentiellen technologischen Anwendungen bieten umfangreiche Möglichkeiten für die systemische sowie energetische Optimierung von Gebäuden. Aufgrund ihres gestalterischen und energetischen Potentials ist die Gebäude-hülle entscheidend für ein behagliches Innenraumklima und bestimmt den Energieverbrauch von Gebäuden maßgeblich. Vor diesem Hintergrund wird am Lehrstuhl ENPB intensiv an der Nutzung des Potentials von Bionik für die Optimierung und Erweiterung des funktionalen Spektrums der Gebäude- hülle gearbeitet.
Im Rahmen einer Dissertation werden Parameter und Hierarchien von
Organismen im Hinblick auf deren Relevanzbezüglichgebäudespezifischer Aspekte analysiert. Es wird dabei unter-sucht, in welcher Form Gebäude künftig in der Lage sein werden, selbstregulierend, adaptiv und symbiotisch im Wechselspiel zwischen den Konditionen des Gebäude-außenraums und dem gewünschten Innenraumklima zu agieren.
Anhand einer taxonomischen Analyse der Gebäudehülle werden aus rund 30 identifiziertenFunktionen15energetisch- und materialrelevante Funktionen aus-gewählt. Vier Funktionsgruppen werden näher untersucht: variable Luft-, Tages-licht-, Wärmeenergie- und Feuchtigkeits-steuerung.
Aufbauend auf dieser funktionalen Ein-teilung erfolgt eine selektive Zuweisung biologischer Phänomene. Inhaltlich steht hierbei das Studium natürlicher Häute und Hüllen und deren Einsatz- und An- wendungspotential im Bereich der Ge-bäudehülle im Vordergrund. Basierend auf der Analyse und der vergleichenden Untersuchung der funktionalen Eigen-schaften natürlicher Systeme erfolgt eine Darstellung der Anwendungspotentiale im Bausektor ausgewählter organismischer Gebäudehüllen.
Bionik Tower, LAVA Architects; Fensterpflanze,fenestrariaaurantiaca Bionik Tower, LAVA Architects; Fensterpflanze,fenestrariaaurantiaca
RMIT Design Hub, Sean Godsell Architects; Blauer Pfeilgiftfrosch, Dendrobates tinctoriusRMIT Design Hub, Sean Godsell Architects; Blauer Pfeilgiftfrosch, Dendrobates tinctorius
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Lehrstuhlfürengergieeffizientesund nachhaltiges Planen und BauenProf. Dr.-Ing. Werner LangTechnische Universität MünchenArcisstraße21D – 80333 München
fon +4989289239-90fax +4989289239-91
Fakultät für Architektur
The Institute is a joint appointment between the Faculty of Architecture and the Faculty of Civil, Geo and Environmental Engineering. It fosters interdisciplinary research in civil engineering and has madeenergyefficientdesignandbuildinga compulsory module of the study pro-gramme. These faculties have offered an interdisciplinary, cross-faculty master’s programmeinenergy-efficientand sustainable building under the direction oftheInstituteofEnergyEfficientandSustainable Design and Building since 2011.Theinstituteisfurthermorepart of the Centre for Sustainable Building, pursuing interdisciplinary research approaches with all relevant TUM faculties.
The transfer of information between nature and technology and the associated potential technological applications offer a wide range of possibilities both for systemic and energy-related optimization of buildings. The building shell plays a crucial role in comfortable indoor climate and is a key factor in determining a building’s energy consumption due to its potential in terms of design and energy performance. Against this background, theInstituteofEnergyEfficientand Sustainable Design and Building is working hard to unleash the potential of biomimicry to optimize and enhance the functional spectrum of the building shell.
One dissertation is analyzing the parameters and hierarchies of organisms for their relevance tobuilding-specificaspects,also investigating how future buildings will be capable of operating in a self-regulating, adaptive and symbiotic way, interacting between the outdoor conditions and the intended indoor climate.
A taxonomic analysis of the building shell is being employed to select 15 functions relevanttoenergyefficiencyandmaterialfromroughly30identifiedfunctions.Fourfunctional groups are being examined in more detail: variable air, daylight, thermal energy and humidity control.
Buildinguponthisfunctionalclassification, biological phenomena are assigned on a selective basis. The main focus is on the study of biological skins and shells and their potential uses and applications inthefieldofthebuildingshell.Basedon the analysis and comparison of the functional properties of natural systems, potential applications of selected organismic building shells in the building sector are presented.
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Der Lehrstuhl für Statik beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden für die Beurteilung und Auslegung mechanisch beanspruchter Tragwerke, wobei leichte und weitgespannte Membran- und Schalentragwerke im Mittelpunkt stehen. Die Natur dieser Tragwerke bedingt, dass Belastung, Beanspruchung und Form-gebung stark wechselwirken. Gerade für leichte Tragwerke ist die Interaktion mit umströmenden Fluiden (Wind, Wasser) für Formgebung, -änderung und ggf. -adaption besonders wichtig. So be-schäftigt sich der Lehrstuhl seit Jahren erfolgreich mit der Formoptimierung und FormfindungvonSchalenundMembran-tragwerken, sowie mit Methoden zur Beurteilung der Fluid-Struktur-Wechsel-wirkung solcher Tragwerke.
Die am Lehrstuhl entwickelten numeri-schen Optimierungsmethoden führen zu optimalen Formen von Tragwerken, deren Struktur und Prinzipien in der belebten und unbelebten Natur wiedergefunden werden können. Dies betrifft Themen wie die charakteristische Form von Minimal-flächenoderdieoptimaleAuslegungderFaltenbalge elastischer Gelenke, wie man sieimTierreichwiederfindet.DieGeo-metrie optimaler Faltenmuster weist ver-blüffende Ähnlichkeit mit z. B. Muscheln auf. Neuartige Bauweisen erlauben die Gestaltung sog. hybrider Tragwerke, wobei dünne elastische Balken mit vor- gespannten Membranen kombiniert werden. Die Geometrie dieser Tragwerke kann durch elastische Verformungen den
äußeren Bedingungen angepasst werden, wie man es z.B. von Fledermäusen kennt. Eine andere Anwendung ist die Optimal-ausrichtung der Fasern von Komposit-werkstoffen. Die entstehenden Strukturen findenihreEntsprechunginderNaturbeiPflanzenoderKieselalgen.Der Lehrstuhl für Statik verfolgt in der Bionik eine Strategie, die von Frei Otto als „der umgekehrte Weg“ bezeichnet wurde. Man versteht darunter, die Gestalt opti-mierter Tragwerke nicht einfach aus der Gestalt von Vorbildern der Natur zu ent-lehnen oder zu begründen. Der Gedanke ist vielmehr, die form- und gestaltbildenden Prinzipien der Natur zu erforschen und als Zielkriterien auch für technische Strukturen zu verwenden.
Eine aktuelle Fragestellung am Lehrstuhl ist die optimale Auslegung der Topologie und Anordnung der Paneele von Fertig-teilschalen aus Faserbeton. Ziel ist, die Schwächung der gesamten Schale infolge der Fugen zwischen den Paneelen zu minimieren bei gleichzeitiger Berück- sichtigung von ästhetischer Gestaltung und Fertigung. Dieselben Optimierungs-kriterien können beispielsweise bei Schildkrötenpanzern gefunden werden.
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Lehrstuhl für StatikProfessor Dr.-Ing. Kai-Uwe Bletzinger
FaseroptimierungundPflanzenfasernFibreoptimizationandplantfibres
Betonsegmentschale und SchildkrötenpanzerConcrete segment shell and turtle shell
Faltenbalg ermöglicht BewegungenFolding bellows allowmovements
SickenoptimierungaufSteifigkeitBead optimization for stiffness
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Lehrstuhl für StatikProf. Dr.-Ing. Kai-Uwe BletzingerTechnische Universität MünchenArcisstraße21D – 80333 München
fon +4989289224-22fax +4989289224-21
The Chair of Structural Analysis works in the development of methods for the assessment and design of structures. Withinthisfieldofresearch,lightweightand widespan membrane and shell- structures are in the center of interest. The nature of these structures leads to close interaction of loading, stresses and shapedefinition.Especiallyforlightweightstructurestheinteractionwiththeflowofwind and water is of crucial importance for the determination, change and – if applicable – adaption of these structures’ shape. Thus the Chair has successfully been involved in the shape optimization andformfindingofshellsandmembranestructures, as well as with the methods for the assessment of Fluid Structure Interaction of such structures.
The numerical optimization methods developed at the Chair of Structural Analysis lead towards optimal structural shapes. The principles of these structures may be rediscovered in the living and inanimate nature. As examples one may cite the characteristic shape of minimal surfaces or the optimal design of bellows for elastic hinges, as they can be found within the fauna. The geometry of optimal stiffeners shows stunningly close similarities e.g. to sea shell structures. New methods of construction allow for the development of so-called hybrid structures, where slender elastic beams are combined with a prestressed membrane. The geometry of these structures may be adapted to various
external conditions by the use of elastic deformation, as it can be observed with bat wings. Another application would be the optimization of fiberorientationincompositematerials.Theresultingstructuresfindtheircounter-partsinfibersofplantsordiatoms.
Concerning bionic research, the Chair of Structural Analysis follows the strategy that Frei Otto once has described as the “inverse approach”. This approach doesn’t aim on directly copying the shape of optimized structures from the shape of examples in nature. The leading thought is rather to investigate the form- and shape determining principles of nature and use these as optimization criteria for technical structures.
A current topic of research at the Chair is the optimal design of topology and orderingofprecastpanelsmadeoffiberreinforced concrete. The main goal is to minimize the weakening of the shell due to the joints between the panels while still considering esthetical and production aspects. The same optimization criteria may be found in tortoise shells.
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Die Bernstein Professur für Audio-Signal-verarbeitung und das gleichnamige Fachgebiet von Prof. Dr.-Ing. Bernhard U. Seeber setzen die langjährige Tradition in der Forschung und Lehre zur Akustik und Psychoakustik an der TU München fort, die von Prof. Zwicker im Jahr 1967 begründet wurde. Die psychoakustische Forschung am Fachgebiet untersucht die Wahrnehmung von Schall durch den Menschen mit objektiven Methoden, um numerische Modelle zur Beschreibung des Hörsystems zu entwickeln und diese für verschiedenste Anwendungen in der Akustik und Raumakustik, für Hörgeräte, für neuronale Hörprothesen (Cochlea Implantate), für moderne Audio-Wieder-gabetechniken und für die Optimierung der Geräuschqualität beispielsweise von Fahrzeugen nutzbar zu machen. Die Psychoakustik kann somit als ein Vater der heutigen Bionik angesehen werden.
Für interdisziplinäre Aktivitäten zur Bionik liegen am Fachgebiet durch seine Integration in die Fakultät für Elektro- technik und Informationstechnik, in das Bernstein Center for Computational Neuroscience Munich und in das „Kompetenzzentrum Bio-X – Elektronik für die Lebenswissenschaften“ exzellente Voraussetzungen vor. Der bionische Ansatz spiegelt sich auch in der Lehre wider, die neben Grundlagen der Akustik und Audiokommunikation auch das menschliche Hörsystem tiefgehend behandelt. Aufbauend auf Modellen des Hörsystems werden Ansätze für eine
auf den Menschen optimierte Audio- Signalverarbeitung unterrichtet.
Der Forschungsschwerpunkt am Fach-gebiet sind Algorithmen für Hörgeräte und Cochlea Implantate. Cochlea Implantate sind neuronale Hörprothesen, die tauben Menschen das Hören ermöglichen. Das Implantat generiert elektrische Pulse nach biologischem Vorbild und stimuliert damit den Hörnerv – das Gehirn interpretiert die Pulse als Schall.
Die Forschung zielt darauf ab, die Hör- leistung mit Cochlea Implantaten in Situationen mit mehreren Schallquellen und in Räumen zu verbessern. In solchen Situationen bringen zwei Implantate, eines in jedem Ohr, deutliche Vorteile für das Sprachverstehen, das Hören der Schallrichtung und die Höranstrengung. Dennoch nehmen diese Patienten Schalle deutlich schlechter als gesunde Personen wahr. Daher untersuchen wir die Mecha-nismen, die normalhörenden Personen in schwierigen Hörsituationen helfen, um informations-tragende Merkmale besser im Pulsmuster von Cochlea Implantaten zu kodieren. Ein Beispiel dafür ist unser neuartiger Algorithmus zur Verbesserung des Richtungshörens in Räumen durch eine gezielte Kodierung von Richtungs- information an Schalleinsätzen.
Simulierte elektrische Pulse eines Cochlea Implantats für das Wort „Teak“Simulated electric puls of a Cochlea implant for the word "Teak"
Versuchsapparatur zur realistischen Simulation von HörumgebungenExperiment apparatus for realistic simulation of hearing environments
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachgebiet für Audio-SignalverarbeitungProfessor Dr.-Ing. Bernhard U. Seeber
Kunstkopf für ohrbezogene Schall-aufnahmenArtificialheadforearobtainedsound recordings
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The Bernstein Professorship for Audio Information Processing held by Prof. Dr.-Ing. Bernhard Seeber continues the long tradition of research and teaching in acoustics and psychoacoustics at the TU München, which was started by Professor Zwicker in 1967. Psychoacoustic research at the institute investigates the mechanisms of sound perception in humans using objective methods. Models to describe auditory perception are developed and applied to solve problems in acoustics and room acoustics, to develop novel algorithms of hearing aids and neuronal hearing devices (cochlear implants), to create modern audio re- production techniques and to optimize sound quality, e.g. of cars. Hence, psychoacoustics can be seen as a father of current-day bionics.
Excellent conditions for inter-disciplinary research in bionics exist through the integration of the professorship in the Department of Electrical Engineering and Information Technology, in the Bernstein Center for Computational Neuroscience Munich, and in the competence center Bio-X – Electronics for Life Sciences. The bionic approach is taught in a range of courses covering the basics of acoustics to details of the human auditory system. Based on models of the auditory system methods for human-centered audio information processing for technical applications are taught.
Research focusses on algorithms for hearing aids and cochlear implants. Cochlear implants are neuronal auditory prostheses which provide hearing to the deaf. The implant creates electrical pulses which stimulate the auditory nerve. Biological processing in the auditory system is mimicked in the pulse train delivered by the implant which the brain interprets as sound. The research aims to improve hearing with cochlear implants in situations with multiple sounds and in rooms. Two implants, one in each ear, provide a key advantage for speech understanding, locating the sound source and listening effort. Nevertheless, hearing with cochlear implants remains strongly inferior to normal hearing. Thus, we investigate the mechanisms which help normal hearing persons perform well in difficultlisteningsituationsinorderto understand the key information and better code it in the pulse pattern delivered by cochlear implants. One example is our new algorithm to improve directional hearing in rooms which codes spatial information in sound onsets in a novel way.
Audio Information ProcessingProf. Dr.-Ing. Bernhard U. SeeberTechnische Universität MünchenArcisstr.21D – 80333 München
fon +498928928-282fax +498928928-535
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Der Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizi-nischeElektronikwurdeimJahr2000mitUnterstützung der Heinz Nixdorf Stiftung unter Berufung von Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf an der Fakultät Elektro-technik und Informationstechnik neu ge-gründet. Hier werden fachübergreifend in Lehre und Forschung Mikroelektronik und biomedizinische Technik zu neuen synergetischen Entwicklungen in der bio-medizinischen Sensorik vereint. Die enge Zusammenarbeit mit ausgegründeten Start-Ups des Lehrstuhls und langjährige Kooperationen mit mittelständischen Industriepartnern bieten Studierenden und Doktoranden die Möglichkeit, multi-disziplinär an der praxisnahen Realisierung neuer Diagnose- und Therapiesensorik, z. B. für patientenindividuelle Tumor- Chemosensitivitätstests mitzuarbeiten.
In den - im erweiterten Sinne der Bionik - auf die Verknüpfung von elektronischen Bauelementen und biologischen Zellen und Geweben ausgerichteten Vorlesungen und Praktika werden die Studierenden in die biologischen Grundlagen von Aufbau, Funktion und Kommunikation lebender Zellen ebenso eingeführt wie in die elektronisch / elektrochemisch gestützte Sensorik zur Erfassung der Vitalitäts- signale dieser Zellen.Die Fortschritte in Mikroelektronik und Biotechnologie haben es in den letzten Jahren ermöglicht, stabile Konstrukte aus lebenden Zellen und elektronisch aktiven Bauelementen zu realisieren. Dabei wird diebiologischeEmpfindlichkeitspezifischer
Zellen in elektrisch auslesbare Signale transferiert. Analog zum Transistor (transfer resistor) wird ein solches bio-hybrides Sensorsystem als cellristor® definiert.DerartigebiohybrideSysteme eignen sich sowohl für die Lösung umweltanalytischer Fragestellungen als auch im Bereich personalisierter Medizin (Medikamentenauswahl) und pharma-zeutischer Wirkstoffsuche.
Die physikalische Basis eines cellristors® kann vielfältig sein und unterschiedlichste Messprinzipien nutzen. Schichtwider- stände, Dioden, Transistoren (z. B. ISFETs), planare Kapazitäten und Elektrodensys-teme aus technischen Sensorstrukturen können genauso eingesetzt werden wie entsprechende Komponenten aus der Polymerelektronik.
Die technische Realisierung eines cellristors® beinhaltet den Organismus selbst (z. Bsp. tierische Zelle, Hefe, Alge) und die physikalische Struktur des Sensors mit Kontaktierung. Das Lebenserhaltungs- system für die lebenden Zellen wird durch geeignete, zunehmend mikrosystem-technische Aufbau- und Verbindungs-techniken realisiert.
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische ElektronikProfessor Dr. rer. nat. Bernhard Wolf
Multiparametrischer BionsensorchipMultiparametric biosensor-chip
Intelligente MultiwellplatteSmart multiwell plate
Gedruckter SensorchipPrinted sensor-chip
Tumorzellen auf FET-SensorTumor-cells on FET-Sensor
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The Heinz Nixdorf-Chair for Medical Electronicswasfoundedin2000underthe sponsorship of the Heinz Nixdorf Foundation at the Faculty of Electrical Engineering and Information Technology. Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf was appointed to this newly founded chair.
Here, microelectronics and biomedical technology are interdisciplinary combined in teaching and research for new syner-getic developments in biomedical sensor technology. Close teamwork with our spin-offs and long-standing cooperation with industrial partners offer our students and postgraduates ex-tensive possibilities for multidisciplinary activities in the practical development of new sensors for diagnostics and therapy, e.g. for patient individualized cancer chemotherapy tests.
Expanding the tenor of “biomimetics / biomimicry” to linking electronic devices and biological cells and tissues in both lectures and hands-on trainings, the students are introduced to the biological basics of structure, function and communication of living cells as well as to electronic / electrochemical sensor devices for monitoring their vitality signals.
Substantial progress in microelectronics and biotechnologies in the last years has enabled the realization of stable constructs combining living cells and active electronic devices. By this means, thebiologicalsensitivityofspecificcells
is transferred to electric signals. In analogy to the word “transistor” (transfer resistor) such a biohybrid decive isdefinedascellristor®.
These biohybrid systems are suited for solutions of environmental problems as well as for personalized medical treat-ment or pharma screening.
Cellristors® can be based on a manifold of physical devices and different measurement principles. Sheet resistors, diodes, transistors (e.g. ISFETs), planar capacitors and electrode systems forming technical sensor structures can be applied as well as corresponding components of polymer electronics.
The technical realization of a cellristor® includes the biological organism (e.g. animal cells, yeast, algae …) and the physical sensor with its packaging. The life support system for the living cells is increasingly implemented by advanced microsystem technology.
Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische ElektronikProf. Dr. rer. nat. Bernhard WolfTechnische Universität MünchenArcisstr.21D–80290München
fon +4989289229-47fax +4989289229-50
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Am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik (AM) wird seit seiner Gründung 1966 auf dem Gebiet der Dynamik, Regelung und Optimierung mechatronischer Systeme geforscht. Schwerpunkte der Forschung bilden die Theorie der Mehrkörpersysteme, insbesondere mit einseitigen Kontakten, die nichtlineare Maschinendynamik, die Mechatronik und die Robotik.
Auf dem Gebiet der Bionik arbeitet der AM vor allem an Laufmaschinen, wobei mit dem sechsbeinigen Roboter Max zunächst insektenartige Maschinen im Vordergrund standen. Die Laufregelung von Max ist eng an die durch den Neurobiologen Prof. Cruse für Stabheu-schrecken gefundenen Verhaltensregeln angelehnt. Aufbauend darauf wurden zunächst der achtbeinige Rohrkrabbler Moritz und dann der Zweibeiner Johnnie entworfen. Durch die am Lehrstuhl entwickelte, leistungsfähige Mechanik, Antriebstechnik und Sensorik kann Johnnie in Kombination mit der Echtzeit-Planung und Stabilisierung der Be-wegungenstabilmitbiszu2,4km/hgehen und auch Treppen steigen.
Die neueste Laufmaschine Lola ist 180 cm groß, wiegt zirka 60 kg und verfügt über 25angetriebeneGelenke.Hervorzuhebensind die Beine mit 7 Gelenken, darunter einem angetriebenen Zehengelenk, das Becken mit zwei Gelenken und die An-triebe von Knien und Sprunggelenken über gekoppelte Mechanismen. Neben
Sensoren zur direkten Messung der absoluten Gelenkposition verfügt der Roboter über ein hochgenaues Inertiales Messsystem (IMS) im Oberkörper und Kraft-Momenten-Sensoren in den Füßen. Das IMS dient dem Roboter als „Gleich-gewichtssinn“, um sich mit Hilfe der gemessenen Fußkräfte aufrecht zu halten. Die Regelung basiert in weiten Teilen auf der mechanischen Analyse des Gangs und ermöglicht durch verbesserte Algorithmen zusammen mit einem optimierten mechatronischen System schnelles Gehen mit bis zu 3,6 km/h. Zugleich konnte in Zusammenarbeit mit dem Neurobiologen Prof. Büschges die Steuerung des Gangablaufs verbessert werden. Dadurch ist stabiles Gehen über unbekannte Hindernisse mit Höhen von bis zu 4 cm möglich. In aktuellen Arbeiten versuchen wir durch verbesserte Planungs- und Regelungs-algorithmen einen noch robusteren, schnelleren und ästhetischeren Gang zu ermöglichen.
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Angewandte MechanikProfessor dr. ir. Daniel Rixen
MoritzMoritz
MaxMax
JohnnieJohnnie
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Lehrstuhl für Angewandte MechanikProf. Dr. ir. Daniel RixenTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289151-99fax +4989289151-13
Since it was founded in 1966, dynamics, control and optimization of mechatronic systems have been part of the research agenda at the Institute of Applied Mechanics. The theory of multibody systems, especially with unilateral contacts, nonlinear machine dynamics, mechatronics and robotics are core research areas at the institute.
Walking machines are our main research areaconnectedtobiomimicry.Thefirstproject in this area led to the development of the insect-like hexapod robot Max. Its control system was modeled on the behavioral rules for stick insects found by the neurobiologist Prof. Cruse. Based on this experience, the institute developed the eight legged pipe crawling robot Moritz and the bipedal, humanoid robot Johnnie. The combination of powerful actuation, lightweight design and custom-built sensors with real-time planning and stabilizing control allowed therobottowalkatupto2.4km/hand to climb stairs.
Our newest walking machine is the humanoid robot Lola. The robot is 180 cm tall,weighs60kgandhas25activelydriven joints. Unique points in the mechanical design are the redundant joints such as active toes and two joints in the pelvis. Knee and ankle joints are driven by coupled nonlinear mechanisms, improving the dynamics. Lola is equipped with joint position sensors, a highly accurate inertial measurement unit (IMU)
and force / torque sensors in the feet. The IMU gives the robot a “sense of balance”, which allows it to walk stably by applying adequate foot forces to the ground. The controller is mainly based on the mechanical analysis of walking. Improved planning and control algorithms allow Lola to walk stablyat up to 3.6 km/h. In joint work with the neurobiologist Prof. Büschges we have improved Lola’s gait coordination. This has improved robustness and allows Lola to walk over unknown obstacles of up to 4 cm height.
We are currently working on better planning and control methods which will lead to a more robust, faster and more aesthetic gait for Lola.
Knieantrieb von LolaKnee-drive of Lola
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Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Mikrotechnik und MedizingerätetechnikProfessor Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Tim C. Lueth
Der Lehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik (MiMed) hat seine Wurzeln in der Feingerätetechnik und ist heute in den Bereichen der Mikrotechnik und der Entwicklung mechatronischer Systeme / Roboter tätig. Das MiMed hat einen starken Fokus auf die klinische Einsetzbarkeit der Systeme und deren Evaluierung im klinischen Umfeld. Weitere Schwerpunkte liegen in generativer Fertigung, automatischem Konstruktions- und Roboterentwurf, Vernetzung von Medizinprodukten, Kinematikentwicklung und Assistenzsystemen für die älter werdende Gesellschaft.
Der gesamte Lehrstuhl ist nach DIN EN ISO9001undDINENISO13485zertifiziert. So können alle Systeme bis hin zu einem fertigen Medizinprodukt entwickelt werden.
Das interdisziplinäre Feld der Medizin-technik befasst sich mit medizinischen Problemen, welche durch technische Erfindungenverbessertodergelöstwer-den. So haben unsere Systeme jeweils einenklardefiniertenZweck,welchersichaus der Pathologie oder der Anatomie des jeweiligen Patienten oder dessen Krankheitsbildableitet.Spezifischhierzuwerden patientenindividuelle, operations- spezifischeManipulatorenundautoma-tisch generierte, 3D-gedruckte Roboter für die minimal-invasive Chirurgie, ange-passt an die vorherrschenden Normen und Richtlinien konzeptioniert und bis zum Medizinprodukt entwickelt.
Das Spektrum der Lehrstuhlentwicklun-gen reicht von optischen und elektro-magnetischen Navigationssystemen, einem Messsystem zur Verbesserung der Elektrodenimplantation während der Tiefenhirnstimulation, über Assistenz-systeme für die alternde Gesellschaft zur Verbesserung der Aktivitäten des täglichen Lebens, der Kinematikentwick-lungvonkörpergetragenenundpflege-unterstützenden Systemen bis hin zum automatisch-adaptierbaren Mittelohr-implantat und steuerbarem Herzkatheter mit präoperativer Planungssoftware.
Das Multi-Arm-Snake-Like-Manipulator- System ist für den intraoperativen Einsatz in der Gastroenterologie und HNO-Chirur- gie konzipiert. Dieses schlangenartige ManipulatorsystemistinderLageflexibelden natürlichen Körperbahnen über den Mund, Kehlkopf und Speiseröhre bis in den Magen zu folgen. Über das System werden dem Arzt hand- und armähnliche Mikroinstrumente im Inneren des Körpers zur Manipulation von Gewebe zur Ver-fügung gestellt. Die Mikroinstrumente werden in einer generativ gefertigten, patientenindividuell angepassten Struktur geführt, welche wirbelsäulenähnlich aus Festkörpergelenken im Wechsel mit starren Gliedern besteht. Das Aktuierungs- prinzip über außen geführte Bowdenzüge ist angelehnt an menschliche Arm-Skelett- knochen, welche über die Muskulatur und deren Sehnen angetrieben werden.
Multi-Arm-Snake-Like-Manipulator: anpassungsfähiges EndeMulti-Arm-Snake-Like-Manipulator: adaptable tip
Multi-Arm-Snake-Like-Manipulator: OR-KonfigurationMulti-Arm-Snake-Like-Manipulator: OR-setup
Multi-Arm-Snake-Like-Manipulator: EllbogengelenkMulti-Arm-Snake-Like-Manipulator: elbow-joint
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The Institute of Micro Technology and Medical Device Technology (MIMED) has its roots in Precision Engineering andisnowactiveinthefieldsofMicroTechnology and Mechatronics Systems / Robotics. MIMED has a strong focus on the applications in clinical engineering and the clinical evaluation of the systems. Other scopes are additive manufacturing, the automatic design, dynamic inter- connection of medical devices, the mechanism design and assistance systems for elderly people.
Theinstituteiscertifiedaccordingto DIN EN ISO 9001 and DIN EN ISO 13485. Allsystemscanbedevelopedtoafinalmedical product.
Theinterdisciplinaryfieldofmedical-technology is concerned with medical problems, which can be improved or solved by technical inventions. Our systemshaveclearlydefinedpurposes,which are derived from the pathology, anatomy or disease of the patient. Specified,patient-individual,task-specificsurgical manipulators and automatically generated, 3D-printed robots for mini-mally-invasive surgery, are conceptualized according to the prevailing standards and guidelines,andarefinallydevelopedtomedical devices.
The spectrum of our developments reaches from optical and electromagnetic navigation-systems, to a measurement
system for improving the electrode-implantation during deep brain stimulation, assistance-systems for an aging society to improve the activities of daily living, kinematics for wearable and care support solutions, to automatically-adaptable middle-ear implants and steerable cardiac-catheterization with a preoperative planning-software.
The Multi-Arm-Snake-Like-Manipulator-System is designed for intra-operative use in gastroenterology and ENT-surgery. Thisflexiblesnake-likemanipulatorsystem is able to follow the natural body channels through the mouth, larynx and esophagus into the stomach. With the help of the system the physicians can manipulate tissue with hand- and arm-like micro-instruments at the inside of the human body..The micro-instruments are guided within an additive manufactured, patient-specificstructure,consistingofspinal-similarflexurehingesalternatingwith rigid limbs. The actuation-principle using Bowden-wires is similar to human arm skeletal-bones, which are driven by the muscles and their tendons.
Lehrstuhl für Mikrotechnik und MedizingerätetechnikProf. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Tim C. LuethTechnische Universität MünchenBoltzmannstrasse 15D-85748 Garching
fon +4989289151-90fax +4989289151-92
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Der Lehrstuhl für Produktentwicklung (damals Lehrstuhl für Konstruktion) wurde 1965 auf Initiative der Professoren Gustav Niemann und Donald Welborn eingerichtet.Von1995bis2016wurdeder Lehrstuhl für Produktentwicklung von Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann geleitet. Im Anschluss übernahm Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk die kommissarische Leitung.
Im Fokus von Lehre und Forschung steht die Konstruktionsmethodik. Ziel der Forschung ist die Unterstützung der Entwicklung wettbewerbsfähiger Produkte und die Optimierung von Produktent-wicklungsprozessen hinsichtlich Zeit, Qualität, Kosten und Flexibilität. Um praxisnahe Ausbildung der Studenten zu gewährleisten, kooperiert der Lehrstuhl eng mit Partnern aus der Industrie und forscht an konkreten Produktbeispielen.
Im Bereich Bionik ist der Lehrstuhl für Produktentwicklung derzeit an zwei Lehrveranstaltungen beteiligt. In der „Ringvorlesung Bionik“ präsentieren unterschiedliche Lehrstühle verschiedener Universitäten ihre aktuelle Forschung im Bereich Bionik. In der fakultätsüber-greifenden Veranstaltung „adaptiv – Bionische Lösungsprinzipien für Gebäude- hüllen“, entwickeln und implementieren multidisziplinäre Studententeams aus Ingenieuren und Architekten methodisch ein Konzept für biologisch inspirierte Gebäudehüllen.
Einer der Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhles ist die interdisziplinäre Zu-sammenarbeit zwischen Ingenieuren und Biologen, um den Wissenstransfer von der Natur in die Technik zu verbessern. Die unterschiedliche Herangehensweise und „Sprache“ in Biologie und Technik stelltinKooperationsprojektenhäufigeine Barriere dar. Zur Überwindung dieser Barriere wurde am Lehrstuhl für Produkt-entwicklung eine modellbasierte Kom-munikationsplattform entwickelt, die den Informationstransfer zwischen Biologie und Technik vereinfacht. Zur Evaluation von Methoden und Werkzeugen führte der Lehrstuhl für Produktentwicklung eine große Zahl von bionischen Entwicklungs-projekten durch.
Ein Beispiel dafür ist das Projekt I-FIN: Das Konzept der I-FIN, einer bionisch optimiertenSurfbrettfinne,wurdeimRahmen einer Studienarbeit entwickelt. Funktionale Verbesserungen sind in einem Prototyp realisiert. Eine erhöhte Manövrierfähigkeit sowie eine erhöhte ReaktionsfähigkeitwerdendurchflexibleMaterialien und reaktive Mechanismen er-reicht. Die entscheidenden Mechanismen der I-FIN basieren auf Eigenschaften von Hai-undLachsfischfinnen.Einweitererbionischer Effekt ist der spannungs- optimierte Übergang vom Surfbrett zur Finne, der auf der Spannungsverteilung bei Stamm-Ast-Übergängen bei Bäumen beruht.
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für ProduktentwicklungProfessor Dr.-Ing. Wolfram Volk (Kommissarische Leitung)
Projekt I-FIN Projekt I-FIN
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Lehrstuhl für ProduktentwicklungKommissarische Leitung:Prof. Dr.-Ing. Wolfram VolkTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289151-31/-51fax +4989289151-44
The Institute for Product Development (at that time Institute for Design Engineering) was established in 1965 through the initiative of Professor Gustav Niemann and Professor Donald Welborn. From 1995to2016,theInstituteofProductDevelopment was under the direction of Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann. Currently Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk is acting director of the institute.
The objective of our research is the development and adaptation of product development methods. Aim of the fundamental research is to support the development of competitive products and optimization of the product development process concerning cost, time, quality andflexibility.Inordertoachieveanindustry-oriented education for the students, the research takes place in close cooperation with partners in the industry and on real product examples.
InthefieldofbiomimeticstheInstitute of Product Development is on the one hand involved in the “Lecture Series” – an overall series from various Institutes – and on the other hand the course “adaptive”, in which a multidisciplinary team develops and implements a concept for biomimetical inspired building covers.
One of the focus research areas at the institute is the multidisciplinary cooperation between engineers and biologists. The different approaches and “languages” in biology and engineering
often cause problems in cooperation projects. To overcome these problems, the Institute of Product Development developed a model based communication platform that supports the transfer of information between the domains of biology and engineering. For the evaluation of methods and tools the Institute of Product Development arranged a large number of biomimetical development projects.
One example of this is the student project I-FIN: a bionic optimized surf board. Thefinstabilizestheboardandavoidsitslippingaway.Duringsurfingthefincan,due to water pressure forces, twist while turning and afterwards snap back to its original position. Aim of the development was to use the already existing water pressure forces to modify the form of thefinandthereforesupportthedrivingbehavior. From the numerous solutions found in nature, the three most relevant oneswerepickedout:thedorsalfinoftrouts and sharks, as well as the junction of branches in a tree. In the end, they were combined into the concept of the I-FIN.
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Zu den Arbeitsgebieten des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen gehören die beiden großen fertigungs-technischen Schwerpunkte Urform- technik und Umformtechnik. Am Lehr-stuhl wurden Klettverschlüsse aus Feder-stahl entwickelt, die gegen Chemikalien beständig sind und auch bei 800 °C noch einem Zug von bis zu 35 Tonnen pro Quadratmeter standhalten.
AlsderSchweizerErfinderGeorgedeMestralnacheinemJagdausflugvorüber60 Jahren mühsam die vielen Kletten aus dem Fell seines Hundes zupfen musste, kam ihm eine geniale Idee: Nach dem Vorbild der Natur konstruierte er einen Verschluss aus vielen kleinen Schlingen und Haken, den Klettverschluss. Der Vorteil einer Klettverbindung ist, dass sie einfach zu schließen und wieder zu öffnen ist. Das Haken-Ösen-Prinzip kommt deshalb vielseitig zum Einsatz und hat sich auf breiter Front in Industrie und Haushalt durchgesetzt. Gängige Klett-verbindungen aus Kunststoff sind jedoch nicht besonders beständig gegenüber Hitze und aggressiven Chemikalien.
Der Lehrstuhl entwickelte deshalb im Rahmen eines Verbundprojektes des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in enger Kooperation mit Partnern aus der Industrie eine me-tallische Lösung. Als Werkstoff wählten die Forscher einen Federstahl, der hohe elastische Verformbarkeit mit hoher Festigkeit vereint. Am Computer ent-
warfen sie verschiedene dreidimensionale Modelle für das optimale Ineinander-greifen der Elemente. Vielversprechende Kandidaten bauten sie als Prototypen nach und unterzogen sie umfangreichen Tests. Dabei studierten sie ihre Bindungs-stärke und ihr Verhalten bei extremen Temperaturen, um die Grenzen ihrer Belastbarkeit auszuloten.
Mögliche Einsatzfelder für Metaklett sind alle Bereiche, die auf leicht wieder lösbare aber stabile Verbindungen angewiesen sind, beispielweise die Gebäudetechnikindustrie, insbesondere der Klima- und Lüftungsbau sowie der Fahrzeugbau. „Metaklett eignet sich für vielfältige Anwendungen, bei denen die Kombination aus einfacher Herstellung und hoher Belastbarkeit der Verbindung entscheidend ist“, begründete die Jury des Stahl-Innovationspreises die Aus-zeichnung des Projekts. Bei diesem nur alle drei Jahre vergebenen Preis konnte sich der metallische Klettverschluss in der Kategorie „Stahl in Forschung und Entwicklung“ gegen über 100 Mitbewer-ber durchsetzen und wurde am 30. Juni 2009mitdemdrittenPlatzgekürt. Weitere Informationen sind auf der Seite www.metaklett.dezufinden.
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Umformtechnik und GießereiwesenProfessor Dr.-Ing. Wolfram Volk
Detailansicht MetaklettDetailed view Metaklett
Haken- und ÖsenelementeHook and loop elements
BelastungssimulationLoad simulation
KletteBur
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Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen Prof. Dr.-Ing. Wolfram VolkTechnische Universität MünchenWalther-Meißner-Str. 4D – 85748 Garching
fon +4989289137-91fax +4989289137-38
ThefieldsofresearchattheInstituteofMetal Forming and Casting are the two main focuses of production engineering – primary shaping and metal forming. Hook and loop fasteners made of spring steel have been developed at the Institute. These fasteners are resistant to chemicals and can withstand a tensile load of up to 35 tonnes per square meter at temperatures as high as 800 °C.
Over 60 years ago when the Swiss engineer and inventor George de Mestral was painstakingly removing burrs from his dog’s coat after a hunting excursion, he stumbled on an ingenious idea. Based on the model he had observed in nature, he constructed a fastener from numerous small hooks and loops, which he sub- sequently named “velcro”. The advantage of a hook and loop fastener is that it is easy to close and open again. Because of this, the hook and loop principle is put to a very wide range of uses and has become commonplace features of both industry and households. However, they have one snag: they are too weak for many applications. Standard synthetic hook and loop fasteners are not very resistant to heat and aggressive chemicals.
For this, as part of a joint project with the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in close cooperation with partners from industry, the Institute has developed a metallic solution. The researchers opted to use spring steel,
which unites high ductility with high strength, as the material for their fastener. They created various three-dimensional models for the optimum interlocking of the fastener elements on the computer. They then built the most promising candidates as prototypes and subjected them to comprehensive tests. The researchers studied its adhesive strength and reaction to extreme temperatures to establish the limits of its resilience.
Metaklett is suitable for use in all areas that require easily opened but stable fasteners, for example air-conditioning and ventilation systems in building services engineering and automotive construction. As the Jury of the German Stahl-Innovationspreis (Steel Innovation Award) noted in its appraisal of the project: “Metaklett is suitable for a wide variety of applications, in which the combination of simple production and a high level of resilience in the fastener is crucial.” The metal hook and loop fastener succeeded in overcoming over 100 competing projects on June 30, 2009,totakethirdplaceinthisawardprocess, which only takes place every three years. More information can be found on the website www.metaklett.de.
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Der Lehrstuhl für theoretische Biophysik T35 am Physik Department der TU Mün-chen beschäftigt sich mit der neuronalen Informationsverarbeitung verschiedenster sensorischer Systeme, wie z.B. dem Infrarotsystem von Schlangen, dem audi- torischen System von Eidechsen und Vögeln, oder den Strömungssensor- systemen von Fischen und Insekten.
Wir versuchen aus dem Verständnis des Abbildes der Umwelt durch das jeweilige Medium auf das sensorische System, der Biophysik der Sensoren und der Informationsverarbeitung durch das zuständige neuronale Netzwerk auf allgemeine Prinzipien zu schließen, die sich in abstrahierter Form als Algorithmen technisch nutzen lassen.
Ein Beispiel hierfür ist das Seitenlinien-systemvonFischenundderRoboterfischSnookie. Fische sind auch ohne jegliche Sicht in der Lage, Hindernissen auszu-weichenundvorRäubernzufliehen. Sie nehmen ihre Umwelt mit einem zu-sätzlichen Sinnesorgan wahr, dem Seitenliniensystem, das entlang des Fischkörpers verläuft. Die Anwesenheit eines Objektes in naher Umgebung ver-ändert das Strömungsfeld um den Fisch und erzeugt ein „hydrodynamisches Ab-bild“derUmgebungaufderOberflächedes Fischs. Das Seitenliniensystem misst die Wasserbewegung auf der Haut des Fisches. Verhaltensexperimente mit der blinden Form des mexikanischen Höhlen-fisches(Astyanax mexicanus) und einigen
anderen Arten zeigen, dass Fische über die reine Detektion von Objekten hinaus in der Lage sind, Formen, Größe und Bewegung zu unterscheiden.
Der autonome Unterwasser-Roboter Snookie wurde entworfen, um mit solch einem künstlichen Strömungssensor-System ausgestattet zu werden. Das Strömungssensor-System besteht aus einer Anordnung von so genannten heißen Thermistoren,dieaufderOberflächederSchnauze die Geschwindigkeit des vorbei strömenden Wassers messen. Snookie soll den Nutzen und die Anwendbarkeit von künstlichen Seitenliniensystemen in der Unterwasser-Robotik demonstrieren. Notwendig dazu sind zum Einen große Beweglichkeit und Kontrolle der Bewegung des Roboters, zum Anderen ein Beweis der Tauglichkeit des Sensorkonzepts. Snookie soll darüber hinaus als experi-mentelles Werkzeug zum Testen von Strömungs- und Wandrekonstruktions-Algorithmen eingesetzt werden. Abbildungen zeigen das Strömungsfeld um einen Fisch, das aus der Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch das SeitenliniensystemaufderOberflächedes Fischs rekonstruiert wurde.
Fakultät für Physik
Lehrstuhl für Theoretische BiophysikProfessor Dr. J. Leo van Hemmen
Geschwindigkeitsfeld eines bewegenden Fisch in der Nähe eines stationären ObjektesVelocityfieldofamovingfishnearastationary object
Snookie unter Wasser in AktionSnookie in underwater action
Von schwimmendem Fisch rekonstruiertes, dreidimensionales GeschwindigkeitsfeldThree-dimensionalvelocityfield,reconstructedfromaswimmingfish
Geschwindigkeitsfeld eines bewegenden Fisch in der Nähe eines komplexen, stationären ObjektesVelocityfieldofamovingfishnearacomplex stationary object
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The chair for theoretical biophysics T35 at the Physics Department of the TU München is engaged in the neuronal information processing of various sensory systems, e.g. the infrared vision system of snakes, the auditory system of lizards andbirds,ortheflowsensorysystemofinsectsandfish.
We try to derive and abstract general principlesfromtheunderstandingof,first,the mapping environment through the particular medium onto the sensory system, second, the biophysics of the sensors, and third, the information processing by the responsible neuronal network, which may be used in technical systems.
An example therefore is the lateral line systemoffishandtherobotfishSnookie.Fish are able to locate obstacles and avoid them under poor visual conditions, or even if completely blind. The objects are perceived with the lateral line organ, responding to the movement of the water relativetothefish‘sskin.Thepresence of objects leads to an alteration of the flowfieldaroundthefish,whichcreates a “hydrodynamic image” of the surroundingsonthefish‘sbody.They experience their environment by an additional sensing organ, the lateral-line system, which is distributed along the fish‘sbody.
Behavioural studies on the blind cave form of Astyanax mexicanus,thegoldfish
(Carassius auratus) and some other species showthatthesefisharenotonlyabletodetect objects but also to discriminate shape,size,andmotion,ifthefishandthe object are moving relative to each other. Many species prove that solely the perception of the immediate environment throughflowfieldsallowstomakevitaldecisions.
The autonomous underwater robot Snookie is designed to carry such an artificiallaterallinesystem,consistingofan array of so called hot thermistors, measuringtheflowvelocityatthesurfaceof the snout. The purpose Snookie is to openflowsensingforunderwaterrobotics by demonstrating the feasibility of the flowsensoryconcept,thenecessarydynamical and control capabilities, and to serveasexperimentaldevicetotestflowreconstruction algorithms.Figuresshowflowfieldsaroundafishreconstructedfrommeasurementsofflowvelocityonthesurfaceofthefishbythelateral line system.
Lehrstuhl für Theoretische BiophysikProf. Dr. J. Leo van HemmenTechnische Universität MünchenJames-Franck-Str. 1D – 85748 Garching
fon +4989289123-62fax +4989289146-56
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Der Lehrstuhl für Lebensmittelver- packungstechnik beschäftigt sich einer-seits mit den Verpackungsmaterialien, andererseits der Anlagentechnik für Verpackungslinien und der zugehörigen Informationstechnologie. Der bionische Bezug der Forschung des Lehrstuhls betrifft Naturstoffe im Vergleich zu synthetischen Verpackungsmaterialien. Es werden natürliche Vorbilder für Folien-materialien mit hohen Sperreigenschaften gegenüber Gasen und Wasserdampf untersucht.ZielistdieIdentifikationnatürlicher Substanzen, die in diesen Eigenschaften konventionellen Kunst-stoffen nahekommen, um hoch funk- tionale Verpackungsmaterialien auf Basis von Naturstoffen herstellen zu können. InderPflanzenweltistdieKutikula,dieaus speziellen Wachsen besteht und die Barrierefunktion inne hat, ein solches Vor-bild. Bilder dieser Strukturen sind rechts unten gezeigt.
Die Messung der Gas- und Wasser-dampfdurchlässigkeit solch fragiler Strukturen ist allerdings mit erheblichen experimentellen Problemen verbunden. Seit längerem steht eine selbst entwickelte apparative Ausrüstung zur Verfügung, um an kleinen Proben den Durchgang von Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf zu bestimmen. Als Problem erweist sich allerdings noch, dass sich Kutikeln, insbesondere die in ihnen enthaltenen Wachsschichten, nicht voll-ständig defektfrei präparieren lassen, so dass die gemessenen Werte des
Gas- und Wasserdampftransports höher liegen und man somit die guten Barriere-eigenschaften dieser Materialien noch unterschätzt.
DiegezeigtenPermeationskoeffizientenfür Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid müssten bei intakten Schichten daher noch niedriger liegen, womit einige Kutikeln ähnlich niedrige Durchlässig-keiten wie die zum Vergleich ebenfalls gezeigten konventionellen Polymere besäßen. Im Vergleich zu Biopolymeren, wie sie derzeit versuchsweise für Verpackungen eingesetzt werden, besitzen sie sogar erheblich bessere Barriereeigenschaften.
Derzeitige Arbeiten beschäftigen sich mit der Isolation der Kutikula-Wachse und der Herstellung defektfreier Schichten, um eine endgültige Charakterisierung ihrer Permeationseigenschaften zu ermöglichen.
Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
Lehrstuhl für LebensmittelverpackungstechnikProfessor Dr. rer. nat. Horst-Christian Langowski
Kutikula der Physalis-frucht in der Aufsicht und als Querschnitt (rechte Seite)Cuticle of the Physalis fruit in top view and in cross section on the right page
Wasserdampfdurchlässigkeit in g (m2 d) bei23°C,85%–>0%relativer Feuchteund100μmMaterialstärkeWater vapour permeability in g (m2 d) at23°C,85%–>0%relativehumidityand100μmmaterialthickness
100
10
1
0,1
0,01
0,001
PE-LD PP
PE-HD
PVC-U PET
EVOH 27 %
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PermeationskoeffizientfürO2 bei23°Cund75%relativerFeuchte in (cm3(STP)100μm)/(m2 d bar)PermeabilitycoefficientforO2 at23°Cand75%relativehumidity in (cm3(STP)100μm)/(m2 d bar)
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PE-LD PP
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EVOH 27 %
Stärk
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dsPCL
Cellulo
seder
ivate
PLA
Molk
enpro
tein
Paprik
a
Physa
lis
Tom
ate
Oleand
erEfeu
PermeationskoeffizientfürCO2 bei23°Cund75%relativerFeuchte in (cm3(STP)100μm)/(m2 d bar)PermeabilitycoefficientforCO2 at23°Cand75%relativehumidity in (cm3(STP)100μm)/(m2 d bar)
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
PE-LD PP
PE-HD
PVC-U PET
EVOH 27 %
Stärk
eblen
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Cellulo
seder
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Paprik
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The research areas of the Chair of Food Packaging Technology cover two main fields:packagingmaterialsononeside,on the other side plant technology for packaging lines and the related information technology. Biomimical topics are investi-gated in studies of natural substances in relation to synthetic packaging materials. Of special interest are natural examples for materials with high barrier properties against gases and water vapour. Our target is to identify natural substances that exhibit barrier properties close to conventionalplasticmaterialsandtofind ways to use them as highly functional packaging materials on the basis of renewableresources.Inthenaturalflora,the cuticle may serve as a good example, consisting of special waxes which exhibit such a barrier function. Images of related cuticle structures are shown on the right.
For such fragile structures, however, extremeexperimentaldifficultiesareobserved when measuring their permeability for gases and water vapour. For this purpose, own developed equipment has been installed to measure the permeation of oxygen, carbon dioxide and water vapour on small samples. Currently, the main problem is that samples from cuticles and cuticle waxes cannot be prepared without small defects. As a result, the measured permeability values for gases and water vapour are still higher than one would expect for intact materials. Thus, their barrier properties are still underestimated.
As a consequence, the results shown for the permeability for oxygen, carbon dioxide and water vapour would be even better for intact layers. Therefore, we can expect barrier properties of some cuticular materials that are in the same range as the conventional polymers shown for comparison. Compared to so-called biopolymers which are presently investigated for their use in packaging, the barrier properties of cuticles are substantially better.
Our current work deals with the isolation of cuticle waxes and the preparation ofdefect-freelayerstoallowforafinal assessment of the permeation properties.
Lehrstuhl für Lebensmittel-verpackungstechnikProf. Dr. Horst-Christian LangowskiTechnische Universität MünchenWeihenstephanerSteig22D – 85354 Freising
fon + 49 89 8161 71-3437fax + 49 89 8161 71-4515
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Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt
Lehrstuhl für ZoologieProfessor Dr. rer. nat. Harald Luksch
Der Lehrstuhl für Zoologie widmet sich als Teil des Departments für Tierwissen-schaften am Wissenschaftszentrum Weihenstephan der neurobiologischen Grundlagenforschung an Wirbeltieren und Invertebraten. Der Schwerpunkt des Lehrstuhls ist die grundlegende Unter- suchung der neuronalen Mechanismen, die der Wahrnehmung und multimodalen Integration von Umweltreizen zu Grunde liegen. Im Sinne der bionischen Forschung verfolgen die Projekte am Lehrstuhl für Zoologie einen klassischen „Bottom-Up“-Ansatz. Die Grundlagenforschung dient hier der Aufdeckung und Entschlüsselung der neuronalen Schaltkreise. In folgenden Schritten werden die modellierten neuro-nalen Netze in Algorithmen umgewandelt und stehen dann zur Implementierung in technische Systeme zur Verfügung.
Zur Umsetzung dieses Ansatzes verfolgen die Forschungsprojekte einen stark ver- gleichenden Ansatz, wodurch eine Vielzahl verschiedener Sinnessysteme (visuelles System, Infrarotwahrnehmung, Auditorik, Ultraschallnavigation und Mechano-sensorik) und Organismen (Haushuhn, Schlangen, Fledermäuse und Wanzen) untersucht werden. Das zentrale Binde-glied der Projekte bildet das Tectum opticum (Superior colliculus beim Säuge- tier) im Mittelhirn. Diese neuronale Struktur stellt das multimodale Zentrum dar, welches die Informationen der ver-schiedenen Sinnessysteme integriert. Zur Untersuchung der relevanten Parameter für die multimodale Integration, werden
unsere Modellorganismen daher mit zwei unterschiedlichen Sinnesmodalitäten konfrontiert. So werden im Verhaltensex-periment und durch Neurophysiologische Methoden die Reaktion von Fledermäusen und Hühnern auf die Kombination von akustischen und visuellen Reizen unter- sucht. Der gleiche Ansatz wird bei der Untersuchung der Integration des Infra-rotsinns der Klapperschlangen in das optische System verfolgt, indem der akustische Reiz durch einen Infrarotreiz ersetzt wird.
Im Bereich der Bionik bietet der Lehrstuhl zudem mehrere Lehrveranstaltungen an. Die Veranstaltung „Bionik“ besteht aus einer Vorlesung mit begleitenden Übungen und ist Teil des Studiengangs Ingenieurs-wissenschaften (Bachelor of Science) an der Munich School of engineering (MSE). Ziel der Lehrveranstaltung ist es, den angehenden Ingenieuren die Konzepte der bionischen Forschung näher zu bringen und sie durch Einblicke in die Grundlagen der Biologie auf zukünftige Kooperationsprojekte zwischen Biologen und Technikern vorzubereiten. In dem Seminar „Aktuelle Themen der Neuro-biologie: Neurobionik“ werden aktuelle neurobionische Forschungsarbeiten vorgestellt und diskutiert. Um den Studenten zudem einen praktischen Zugang zu der Bionik zu ermöglichen, werden in Rahmen des „Botanisch Zoologischen Praktikums für Lehramt NB Master“ verschiedene Experimente mit bionischer Fragestellung durchgeführt.
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Lehrstuhl für ZoologieProf. Dr. rer. nat. Harald LukschTechnische Universität MünchenLiesel-Beckmann-Str. 4D – 85354 Freising
fon +4989161712-801fax +4989161712-802
As a part of the Research Department for Animal Sciences at the Center of Life and Food Sciences Weihenstephan, the Chair of Zoology concentrates on neurobiolo-gical basic research on vertebrates as well as invertebrates. In particular our focus is on the fundamental investigati-on of neuronal mechanisms underlying perception and multimodal integration of environmental stimuli. For the purpose of biomimetic research, projects at the Chair of Zoology pursue a traditional „bottom-up“ approach. Basic research provides a basis for uncovering and decoding of neuronal circuits. In subsequent steps suitable networks can be transferred into algorithms for implementation in technical applications.
Current research projects investigate the integration of different sensory systems (visual system, infrared sensing, auditory system, ultrasound echolocation, mechanosensation) in various organisms (domestic chicken, snakes, bats, crickets and heteroptera). The central link of our projects is the midbrain optic tectum (superior colliculus in mammals). This neuronal structure is known as a multi-modal center that integrates incoming in-formation from different sensory systems. The principles of this integration and the general algorithms that can be derived, are currently investigated by a combina-tion of behavioral and neurophysiological experiments. Moreover, a collaborative research project with the Chair for theo-retical Biophysics studies the detection
offlow fieldsin crickets. This project already provides concrete applicationsforflowfield detection in technical systems.
InthefieldofbiomimeticstheChairofZoology offers various teaching modules. In the curriculum of the bachelor study Science of Engineering at the Munich School of Engineering (MSE) a special lecture „Bionik“ with accompanying exercises is taught. The aim of this course is to introduce the students into the concepts of biomimetic research and prepare them for future collaborative projects with biologists. In the seminar “Aktuelle Themen der Neurobiologie: Neurobionik” current research articles on the topic of neuro-biomimetics are discussed. To give students a more practicalinsightintothefield,experiments with a biomimetic objective will be carried out in the practical course “Botanisch Zoologisches Praktium für Lehramt NB Master”.
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Professur für Entwerfen und GebäudehülleProf. Dr.-Ing. Tina WolfTechnische Universität MünchenArcisstr.21D – 80333 München
fon +498928928-461
Lehrstuhl für Baurealisierung und BaurobotikProf. Dr.-Ing. Thomas BockTechnische Universität MünchenArcisstraße21D – 80333 München
fon +4989289221-00fax +4989289221-02
Professoren der Broschüre Overview of Professors of the Brochure
Mitglieder des LdVZ (v.l.n.r.): Prof. van Hemmen, Prof. Lindemann, Prof. Pfeiffer, Prof. LukschMembers of LdVZ (f.l.t.r.): Prof. van Hemmen, Prof. Lindemann, Prof. Pfeiffer, Prof. Luksch
Audio Information ProcessingProf. Dr.-Ing. Bernhard U. SeeberTechnische Universität MünchenArcisstr.21D – 80333 München
fon +498928928-282fax +498928928-535
Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische ElektronikProf. Dr. rer. nat. Bernhard WolfTechnische Universität MünchenArcisstr.21D–80290München
fon +4989289229-47fax +4989289229-50
Lehrstuhlfürengergieeffizientesund nachhaltiges Planen und BauenProf. Dr.-Ing. Werner LangTechnische Universität MünchenArcisstraße21D – 80333 München
fon +4989289239-90fax +4989289239-91
Lehrstuhl für StatikProf. Dr.-Ing. Kai-Uwe BletzingerTechnische Universität MünchenArcisstraße21D – 80333 München
fon +4989289224-22fax +4989289224-21
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Lehrstuhl für Angewandte MechanikProf. Dr. ir. Daniel RixenTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289152-20fax +4989289152-13
Lehrstuhl für Umformtechnik und GießereiwesenProf. Dr.-Ing. Wolfram VolkTechnische Universität MünchenWalther-Meißner-Str. 4D – 85748 Garching
fon +4989289137-91fax +4989289137-38
Lehrstuhl für ProduktentwicklungProf. i.R. Dr.-Ing. Udo LindemannTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289151-31/-51fax +4989289151-44
Lehrstuhl für Angewandte MechanikUniv. Prof. i.R. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h., Dr. h.c. mult. Friedrich PfeifferTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon +4989289152-00fax +4989289152-13
Lehrstuhl für Theoretische BiophysikProf. Dr. J. Leo van HemmenTechnische Universität MünchenJames-Franck-Str. 1D – 85748 Garching
fon +4989289123-62fax +4989289146-56
Lehrstuhl für ZoologieProf. Dr. rer. nat. Harald LukschTechnische Universität MünchenLiesel-Beckmann-Str. 4D – 85354 Freising
fon +4989161712-801fax +4989161712-802
Lehrstuhl für Lebensmittel-verpackungstechnikProf. Dr. Horst-Christian LangowskiTechnische Universität MünchenWeihenstephanerSteig22D – 85354 Freising
fon + 49 89 8161 71-3437fax + 49 89 8161 71-4515
Lehrstuhl für Mikrotechnik und MedizingerätetechnikProf. Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Tim C. LuethTechnische Universität MünchenBoltzmannstrasse 15D-85748 Garching
fon +4989289151-90fax +4989289151-92
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Bildnachweise
3 Lehrstuhl für Angewandte Mechanik; 6 Carla Baumann, David Gautrand / Julian Eberhart;7©tulip-flickr.com;8ChairofBuildingRealisationandRobotics, © Deutsches Museum, München, Archiv BN60761; 9 Chair of Building Realisation and Robotics, © doomu - shutterstock.com; 10 © Earl Carter, Dieter Kraß, LAVA Chris Bosse,MonikaSabat;11©reptiles4all-shutterstock.com;12©LehrstuhlfürStatik, © sergojpg - Fotolia.com, © skibreck - iStockphoto.com, © acilo - iStockphoto.com, © GlobalP - iStockphoto.com; 13 © Kirsanov Valeriy Vladimirovich - shutterstock.com; 14 © Bernhard Seeber; 15 © MED-EL; 16 Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik; 17 © vitanovski - iStockphoto.com; 18 / 19 Lehrstuhl für Angewandte Mechanik; 20TUMMiMed;21© Eric Isselee - shutterstock.com;22©EpicStock Media-iStockphoto.com,©FelixWunner;23©cbpix-Fotolia.com;24©PeterRöhl/pixelio.de,Dr.ChristophHein/utg;25©JosefMair/utg;26©T35/ITR, ©SebastianUrban/T35;27©H.Zell/WIKIMEDIACOMMONS;28Lehrstuhlfür Lebensmittelverpackungstechnik,FraunhoferIVV;29©yvdavid-Fotolia.com, Fraunhofer IVV; 30 © PD Dr. Uwe Firzlaff, Dr. Michael Gebhardt, Dr. Tobias Kohl; 31 Prof. Dr. Harald Luksch (© Eric Isselee - shutterstock.com, © Pakhnyushcha - shutterstock.com)
Robotik- und Mechatronikzentrum,DLR Oberpfaffenhofen
StammgeländeTU München
WissenschaftszentrumWeihenstephan
ForschungszentrumGarching
Klinikum„Rechts der Isar“
Impressum
HerausgeberTUM Leonardo da Vinci–Zentrum für BionikUniv. Prof. i.R. Dr.-Ing., Dr.-Ing E.h., Dr. h.c. mult. Friedrich Pfeiffer
Lehrstuhl für Angewandte MechanikTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon+4989289152-00
Redaktion und LayoutChristopher MünzbergNicola Tabertshofer, Linda Gustafsson-Ende, Anna-Lena Späth, Ioannis Ganotis, Patrick NitzscheEva Körner
Lehrstuhl für ProduktentwicklungTechnische Universität MünchenBoltzmannstr. 15D – 85748 Garching
fon+4989289151-51
DruckRapp Druck GmbHKufsteiner Str. 101D–83126FlintsbachamInn
Veröffentlicht im November 2016
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