Biological Design and Integrative Structures Bionik Cooperative … · 2020-03-06 · 21.11.2017 1...

21.11.2017

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BionikWas uns unsere Gärten und

Grünräume für die Technik des

21. Jahrhunderts lehren können

Biological Design and

Integrative StructuresCooperative Research Center TRR 141

Thomas Speck

Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik

Botanischer Garten der Universität Freiburg

Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) und

Freiburger Zentrum für Interaktive Materialien &

Bioinspirierte Technologien (FIT)

Nachhaltigkeitszentrum Freiburg

Kompetenznetz Biomimetik,

BIOKON und BIOKON-International

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Eine direkte Kopie von Funktiona-

litäten gelingt aufgrund physikali-

scher Begrenzungen in der Regel

nicht (Reynoldzahl, Materialeigen-

schaften, Energiebedarf…)

Was ist definitiv nicht

Bionik?

Biologische Inspiration für

bionische Flugzeuge?

8. Internationale Fachtage Ökologische Pflege - Langenlois - 22.-23.11.2017

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Biologische Inspiration für

bionische Flugzeuge!

Optimierung von Winglets

für Flugzeugflügel (Boing 747)

mittels Evolutionsstrategie als

Optimierungsmethode (quanti-

tative Analyse, Abstraktion,

Transfer funktionaler Prinzipien…)

Was ist definitiv

Bionik?


• Was ist Bionik und was nicht?

• Verschiedene Teilbereiche der Bionik

• Biodiversität, Botanische Gärten und Bionik

• Kleben und Haften nach dem Vorbild von

Kletterpflanzen

• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von

Blattoberflächen

• Selbst-reparierende bionische Materialien

• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente

Materialien und Strukturen

• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme• Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem

Vorbild der Blüte der Paradiesvogelblume

• Flectofold eine bionische Fassadenverschattung inspiriert von

der Falle des Wasserads

• Bionik - Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

Venusfliegenfalle, Drachenbaum und

Kartoffelkäfer als Partner der Industrie

© Plant Biomechanics Group Freiburg





Kletterpflanzen


Blattoberflächen








• Bionik - Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

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© Plant Biomechanics Group Freiburg & verschiedene Quellen

Teilbereiche der Bionik: eine Erfolgs-

geschichte mit vielen Facetten





Kletterpflanzen


Blattoberflächen








• Bionik - Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft© Plant Biomechanics Group Freiburg



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Biodiversität ein nur in Ansätzen genutzter

‘Ideenpool’ für bionische Entwicklungen

1,5 - 30 Millionen Tierarten

0,1 - 1,5 Millionen Pilz- & Flechtenarten

0,4 - 1,5 Millionen Pflanzenarten

0,05 - 2,5 Millionen Bakterien & Cyanobakterien

© Plant Biomechanics Group Freiburg, W. Barthlott Bonn, S. Gorb Stuttgart & Stiftung Brandenburger Tor

Keine bionischen Projekte und Produkte

ohne Grundlagenforschung im Bereich der

Biologie, Ingenieur- und Materialwissenschaften!


Botanische Gärten: Orte der Bildung, der

Forschung und der Naturerfahrung

Weltweit existieren fast 1800 Bota-

nische Gärten, davon ca. 400 in

Europa und ca. 100 in Deutschland

Botanische Gärten sind Schau-

fenster der Forschung, und bilden

ideale Schnittstellen für Lehre und

Leben-Langes-Lernen.

Einer Umfrage zufolge besuchten im

Jahr 2000 ca. 12 Millionen Deutsche,

also statistisch gesehen etwa jeder

6. Deutsche, einmal im Jahr einen

Botanischen Garten.

© Verband Botanischer Gärten Deutschlands

und Plant Biomechanics Group Freiburg

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Hohe Artenvielfalt in Botanischen Gärten:

Weltweit in ca. 1800 Botanische Gärten: ca. 90.000

Arten höherer Pflanzen

Deutschland ca. 100 Botanische Gärten: ca. 50.000


Typischer Botanischer Garten: 3.000 bis 12.000


Botanischer Garten Univ. Freiburg: ca. 6.000 Arten

Botanische Gärten als Orte innovativer

Forschungund attraktiver Bildungsangebote





Beispiele für aktuelle Forschungsfelder beinhalten:

• Forschung über und Erhalt von Biodiversität

• Aktivitäten mit Bezug zu Natur- & Pflanzenschutz

• Evolutionsbiologie und Systematik

• Funktionelle Morphologie, Biomechanik und Bionik

Botanische Gärten haben ein extrem hohes, erst in

Ansätzen genutztes Potential für verschiedene hoch

aktuelle Forschungsbereiche und als attraktive

Schnittstellen zwischen außerschulischer Bildung,

Lehre und Forschung

Botanische Gärten eignen sich hervorragend für die

Wissensvermittlung zu verschiedenen Themen.






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Schutz der Biodiversität: Artenschutz durch

Erhaltungskulturen in Botanische Gärten

Botanische Gärten erhalten

vom Aussterben bedrohte

Pflanzenarten in Kultur und

stellen für die Wiedereinbür-

gerung oder Bestandsstüt-

zung in der Natur Samen

und Jungpflanzen bereit.

Dies kann eine entscheidende

Ergänzung zur Erhaltung

wildlebender Populationen

und ihrer Lebensräume sein.

Von besonderem Interesse

sind hierbei Pflanzenarten,

deren Areal sich im wesent-

lichen im näheren Umfeld des

Botanischen Gartens befindet.

Weinbergbegleitflora im Weinbeet

des Botanischen Gartens Freiburg

Tulipa sylvestris

Isatis tinctoria

Muscari

racemosum

Orlaya grandiflora









Botanische Gärten haben ein extrem hohes, erst in

Ansätzen genutztes Potential für verschiedene hoch

aktuelle Forschungsbereiche und als attraktive

Schnittstellen zwischen außerschulischer Bildung,

Lehre und Forschung

Botanische Gärten eignen sich hervorragend für die

Wissensvermittlung zu verschiedenen Themen.

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Kletterpflanzen


Blattoberflächen











Adaptive Selbstverankerung von Wurzel- /

Wurzelhaarklettern am Beispiel von Efeu

Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie

Hedera helix: Habitus und Haftwurzeln mit Wurzelhaaren

hierarchische

Strukturierung

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Hedera helix: Anhaftungsvorgang auf der Ebene der Wurzelhaare

Eintrocknungsvorgang: Seitenansicht

Zellulosemikrofibrillenorientierung entlang eines Wurzelhaares

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Frisches WurzelhaarWurzelhaar

vertrocknend

Substrat

WurzelHedera helix:

Anhaftung auf

strukturierten,

makrorauen,

Oberflächen

Substrat Wurzel

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Additiver Effekt: Die

Haftkraft von

Wurzelclustern ist

bestimmt durch die

Anzahl der Haftwurzeln

Haftkraft auf

Hausputz bis

zu 7,6 N pro cm

angehafteten

Efeuabschnitt

Haftkraft auf

Baumborken bis

zu 12,8 N pro cm

angehafteten

Efeuabschnitt

Hedera helix: Haftkraft von Wurzelclustern mit Haftwurzeln

Ha

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[N

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Ablöseweg [mm]

Haftkraft einer

Einzelwurzel

Fmax ~ 0,2 - 0,3 N


Rankenkletter mit Haftpads und Kleber-

sekretion am Beispiel des Wilden Weins


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Parthenocissus tricuspidata: Habitus und Ranken mit Haftpads

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Parthenocissus tricuspidata: Haftkraft einzelner Haftpads

Kraftrichtung

Stadium IV

Stadium III

Haftkraft

Fmax = 5.8 NHaftkraft

Fmax = 1.7 N

Ha

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Ablöseweg [mm]




Weg [mm]

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N] Richtung

der Kraft

Parthenocissus tricuspidata: Versagensverhalten und

Haftkraft einer Ranke mit 7 Haftpads

Ablöseweg [mm]

Max. Haftkraft

Rankensystem

Fmax = 5.0 N

Haftkraft eines

Einzelpads

Fmax = 5.8 N

Pad 1

Pad 2

Pad 3

Pad 4

Pad 5 & 6

Pad 7

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Haft

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N]

Fail-safe Mechanismus

Maximale Haftkraft

des Rankensystems

ist nicht höher als

die der Einzelpads

Signifikanter

Anstieg des

‚Ablösewegs‘ und

dadurch der für eine

Ablösung der

gesamten Ranke

benötigten Energie

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Permanente bio-inspiriert Haftsysteme nach

dem Vorbild von Ranken-Haftpad-Klettern


Haftpads des Wilden Weins

mit klebergefüllten sekreto-

rischen Zellen in jungen Pads

und Verholzung der Zellwände

in adulten Haftpadsba

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2008

© Bowling & Vaughn 2008

Biologisches Vorbild

(A) Deformation klebergefüllter

Polymervesikel nach

Kontakt mit dem Substrat

(B) Freisetzung der Klebeflüs-

sigkeit in der Kontaktzone

(C) Kontraktion der Polymer-

vesikel nach Bildung einer

Verbund-Klebeschicht

(D) Versteifung der bionischen

Haftpads durch chemische

Reaktionen

Bio-inspirierte Haftpads

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Konzept für bionischen Transfer zur technischen Umsetzung

Elektrospinning von Chitosan-

Nanovliesen mit mikroporösen

Kapseln gefüllt mit bioinspi-

rierten Klebern

Herstellung biomimetischer Haftpads





Kletterpflanzen


Blattoberflächen











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Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden

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Die Kutikula ermöglicht Pflanzen das Überleben

in verschiedenen Habitaten

Epidermis und Kutikula: Multifunktionale

Grenzfläche zwischen Pflanzen und Umwelt

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Bionische Antihaft-Oberflächen nach

dem Vorbild von Blattoberflächen

© Plant Biomechanics

Group Freiburg

a. Magnolia grandiflora, b. Paeonia officinalis, c. Calathea zebrina, d. Diospyros kaki, e. Paeonia suffruticosa,

f. Colocasia esculenta, g. Hevea brasiliensis, h. Vitis vinifera, i. Rosa hybrid Floribunda cv. ´Sarabande`.

Hierarchische Strukturierungsebenen Blattoberfläche

Ebene I:

Zellform

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Magnolia grandiflora

Paeonia officinalis

Colocasia gigantea



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Messgerät zur Analyse

der Lauf-Reibungskräfte

Wechselwirkung zwischen hierar-

chisch strukturierten Oberflächen

Tarsus Klauen und ver-

schiedenen Haartypen

Blattoberfläche mit

verschiedenen Zellformen,

Kutikularfalten und/oder

Wachskristallen




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Messungen von Lauf-Reibungskräften

Kartoffelkäfer auf Glasoberfläche Kartoffelkäfer auf Blattoberfläche



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Litchichinensis(adaxial)

Heveabrasiliensis(adaxial)

Cyclamenpersicum(adaxial)

Magnoliagrandiflora(adaxial)

Heveabrasiliensis(abaxial)

Litchichinensis(abaxial)

Diospyroskaki(Frucht)

Ilexaquifolium(adaxial)

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Lauf-Reibungskräfte relativ zu Glasoberfläche

Kutikularfalten

Höhe: ca. 0,5 µm

Breite: ca. 0,5 µm

Abstand: 0,5 – 1,5 µm

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Glatte Glas-

oberfläche

(44,4 ± 6,8 mN)



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Epikutikulare Wachse

(Strukturebene II)

Kutikularfalten

(Strukturiebene II)

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Herstellung von Replikas mikro-

strukturierter Antihaftoberflächen

Rep

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20 µm

Hevea brasiliensis

(Blattoberfläche)

A. Original

B. Replica,

unbehandelt

(hydrophil)

C. Replica,

hydrophobisiert

20 µm20 µm

Epoxid-

harz

„Dental-

wachs“


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Kartoffelkäfer auf künstlicher Oberfläche

Messungen von Lauf-Reibungskräften

Künstliche Oberfläche: Replikat

der abaxialen Blattoberfläche

von Litchi chinensis



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Lauf-Reibungskräfte auf behandelten und unbehandelten Oberflächen

Magnoliagrandiflora(adaxial)

Glas Heveabrasiliensis(adaxial)

Heveabrasiliensis(abaxial)

Litchichinensis(abaxial)

O: Originaloberfläche (Pflanzenoberfläche oder Glas);

R: unbehandeltes (hydrophiles) Replikat; Rh: hydrophobisiertes Replikat© P

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Kletterpflanzen


Blattoberflächen











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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, EMPA Dübendorf, FMF, Makromol. Chemie & Industrie

Zusammenarbeit mit EMPA Dübendorf und

Industriepartnern: prospective concepts ag

Andere Tensairity®-Projekte

Parkhaus, Montreux (Schweiz), Luscher Architectes SA

Tensairity®-Autobrücke8m Spannweite, 3.5 Tonnen Nutzlast

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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, EMPA Dübendorf, FMF, Makromol. Chemie & Industrie

Querschnitt durch

zweijährige Achse

Riss

Lianen der Gattung Aristolochia

(Pfeifenwinde)

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Frühe Phase Rissreparatur

Späte Phase Rissreparatur

Biologisches Vorbild Liane:

Rissreparatur

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Mit unter 1 bis 2 bar Überdruck

polymerisierten geschlossenporigen

Polyurthanschäumen kann der

Luftausstrom bei Löchern bis zu

5mm Durchmesser um das mehr als

1000fache verlangsamt werden.

Kooperation mit Fa Rampf

Giessharze (Reparaturschaum:

Raku-PUR 33-1024-3)

Nagel

Innere Schaumschicht aus unter

Druck stehenden Zellen: bionische

Umsetzung der Selbstreparatur

bei Pflanzen

Äußere faserverstärkte Membran

der pneumatischen Struktur

Unter Druck stehende Innenseite einer

pneumatischen Struktur

Loch

Luftausstrom

Versiegeltes Loch

Funktionsmodell für eine selbstreparierende Membran

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Selbstreparierende bionische

Membranen für Pneusysteme

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© Bayrischer

Rundfunk

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London.

Unbeschichtete Membran Beschichtete

selbstreparierende Membran

Funktionsweise selbstreparierender Membranen

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19

Selbstreparierende bionische

Membranen für Pneusysteme

Membran mit

selbstreparierender,

bionischer Schaum-

beschichtungPneumatische

Sitzmöbel

Architektur: Pneumatische Bauten

& Bauten mit Membranstrukturen

Pneumatische & gasgefüllte Luft- und Wasserfahrzeuge


& prospective concepts ag

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Membranstrukturen für

Behälter und als Hüllen

© Flexible Containment Products





Kletterpflanzen


Blattoberflächen











21.11.2017

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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart

Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem

Vorbild von Frucht- und Samenschalen

Technische Produkte mit hoher Dämpfung sowie Aufprall- und Durchschlagschutz

Schusssichere Kleidung,aufpralldämpfende und

durchschlagsichere Helme

Aufpralldämpfende undinsassenschützende Autoteile

Transport von Gefahrengütern

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© Jeff Dean

© Ucon AG

Biologische Vorbildstrukturen

Hohe Zähigkeit und Härte

Schale der Macadamia-Nuss(Same)

Hohe Energiedissipation

Fruchtwand der Pomelo

Hohe Zähigkeit & Härte undhohe Energiedissipation

Fruchtwand der Kokosnuss




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H1: Integrale Ebene-1

= ganze Frucht

H2: Integrale Ebene-2

= Schale & Fleisch

H3: Gewebeebene-1

= Makrostruktur

der Schale

H4: Gewebeebene-2

= Mikrostruktur

der Schale

H5: Zellebene-1

= Anordnung und

Form der Zellen

H7: Ultrastrukturebe

= Zellwandultrastruk-

tur und Biochemie

H6: Zellebene-2

= Zellstruktur und

Zellkompartimente

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Aufpralltest bei Pomelo-Früchten

Kraftsensor

Spiegel

Highspeed

Kamera 1

Highspeed

Kamera 2

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100.000 fps

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Aufprall- und Durchstoßschutz:

Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten

Aufpralltest bei

Pomelo-Früchten

Kraftsensor

Spiegel

Highspeed

Kamera 1

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Kamera 2

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Deformation der Pomelo-Früchte

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Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten

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Durch Zellen

gebildete

„Schaumschicht“

mit graduelle

Porengröße und

Faserbündel-

verstärkung

Schalenaufbau

und Feinstruktur

bei der Pomelo

Impakttest mit Pomeloschale

Zeitangaben in Millisekunden nach

Aufprall des Gewichts

t = 0.31 t = 0.62 t= 0.94 t = 1.25 t = 1.56

Faserbündel und Verformung der Schale

Samenschale - ein mehrschichtiges, extrem zähes und hartes Mikrolami-

nat mit mehreren Schichten aus Sklerenchymfasern und Sklereidenzellen

Äußere Sklereidenschicht

Innere Sklereiden-

schicht

Sklerenchymfaser-

schicht

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(L6) Innere

Samenwand

Creme-farbene

Schicht

Dunkelbraune

Schicht

Epidermis

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Beispiel: Multischichtsystem bei Macada-

mia-Same: hoch integrierte Schutzhülle

Schemazeichnung Bruchoberfläche

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Spezifische Bruchkraft

bei verschiedenen

Früchten und Samen

Struktur und Feinstruktur der

Samenschale des Macadamia-Samens

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23

Struktur der Fruchtwand der Kokosnuss (Cocos

nucifera): eine hoch integrierte Schutzhülle

Struktur der

Fruchtwand

Kokosnuss

(Cocos

Nucifera)

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Exokarp (ledrig)

Mesokarp (faserig)

Endokarp (zäh, hart)

Dünne Testa (papierartig)

Endosperm (Fruchtfleisch)mit Embryo

50 µm

Kokosnuss-Endokarp: ein sehr festes und hartes hierarchisch strukturier-

tes Gewebe mit einem 3D-Netzwerk aus Leitbündeln mit stark verholzten

Tracheiden in einer Matrix aus Steinzellen mit vielschichtiger Wand

Steinzellen

50 µm

Leitbündel

µ-CT-Analyse der

Anordnung der

Leitbündel im

Endokarp der

Kokosnuss

Mechanische Analysen

zeigen, dass die

Leitbündel Risse

umleiten und stoppen

(crack-stopper)

Struktur der Fruchtwand der Kokosnuss (Cocos

nucifera): eine hoch integrierte Schutzhülle

Struktur der

Fruchtwand

Kokosnuss

(Cocos

Nucifera)

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Exokarp (ledrig)

Mesokarp (faserig)

Endokarp (zäh, hart)

Dünne Testa (papierartig)

Endosperm (Frucht-fleisch) mit Embryo

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2014):

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(2010):

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-B663.



Durchstoßschutz inspiriert von Samen

Pomelo (Citrus maxima)

Macadamianuss (Macadamia sp.)

Kokosnuss (Cocos nucifera)

© Foundry Institute RWTH

Aachen, Plant Biomechanics

Group Freiburg & Materials

Engineering TU Berlin www.amazon.de © Ucon AG

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Kletterpflanzen


Blattoberflächen











Collaborative Research Center – SFB/Transregio 141

Motivation: Entwicklung ebener, gekrümmter und

gefalteter Oberflächen mit scharnierloser Kinematik

Kinematics of planar, curved and corrugated surfaces – Biomimetic solutions for architecture

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© img.alibaba.com

© bp.blogspotPeek und Cloppenburg, Cologne 2005 Renzo Piano &

Knippers Helbig

Kooperations-

partner:

Technische Herausforderung - biologische Lösung: Adaptive

biegsame Flächentragwerke ohne Scharniere

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Pflanzliche Ideengeber für elastische Flächen-

strukturen mit scharnierloser Kinematik

Wasserrad (Aldrovandavesiculosa)

© Plant

Biomechanics

Group Freiburg

Venusfliegenfalle(Dionaea muscipula)

© American Journal of Botany

Hainbuche(Carpinus betulus)

& Fächerpalme(Licuala peltata)

© Plant

Biomechanics Group

Freiburg

Blätter

© Rouslou Korts

Paradiesvogelblume (Strelitzia reginae)

Trichterwinde (Ipomoea tricolor)

Blüten

© IT

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49

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57

SFB-TRR 141-Cooperationproject PBG Freiburg, ITKE & IBB Stuttgart, ITV Denkendorf

Von der Paradiesvogelblume zum

Flectofin® Fassadenverschattungssystem

J. Lienhard, S. Schleicher, S. Poppinga, T. Masselter, M. Milwich, T. Speck & J. Knippers (2011): Bioinspiration and

Biomimetics, 6: DOI:10.1088/1748-3182/6/4/045001

© V

ideo:

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Prototyp des bionischen

Fassadenver-schattungs-

systems Flectofin®: Biegung

aktuiert durch hydraulische

Stempel an der Basis

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Soma Architecture

(Vienna) und Knippers

Helbig Engineers

(Stuttgart)

Bio-inspirierte kinematische Fassade: Thematic

Pavilion / Expo 2012 (Yeosu, South Korea)

Weitere Demonstratoren basierend auf

dem Flectofin®

© B. MiklautschDoppel- Flectofin

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Kletterpflanzen


Blattoberflächen











20fach verlangsamt

Der Verschluss der

Schnappfalle ist

eine Bewegungs-

verstärkung,

hervorgerufen

durch eine kleine

Biegung der

Mittelrippe

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Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa): Morpho-

logie und Funktionsweise der Schnappfalle

Die beiden (Blatt-)Hälften der Schnappfalle des Wasserrads bleiben unverformt.

Der Verschluss der Schnappfalle wird durch eine Turgor-induzierte Verformung

(Biegung) der Mittelrippe hervorgerufen, die die beiden Blatthälften verbindet.

21.11.2017

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rtElastische Architekture: Bionisches

Fassadenverschattungssystem inspiriertdurch das Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa)

TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE, IBB & ITFT Universität Stuttgart

Kinematisches Model des

abstrahierten FaltmechanismusKinetisches Model der Schnappfalle des

Wasserrads in FEM

Flexible Fas-

sadenverschat-

tungselemente

inspiriert durch

das Wasserrad

auf einer

gekrümmten

Oberfläche

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Elastische Architekture: BionischesFassadenverschattungssystem inspiriert

durch das Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa)

TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE, IBB & ITFT Universität Stuttgart

Bionisches Fassadenverschattungsmodul aus Faserverbundmaterial

21.11.2017

29





Kletterpflanzen


Blattoberflächen











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Was kann Bionik leisten?

Zukunftsvisionen

Bionik im Jahr 1980: Alles ist denkbar und (fast)

nichts ist umsetzbar.

Bionik im Jahr 2017: Alles ist denkbar und (fast)

alles ist umsetzbar.

Bionik im Jahr 2017: Nutzen einer historischen Chance

durch Weiterentwicklung in Analyse-, Simulations- und

Produktionstechnologien sowie des gesellschaftlichen

und politischen Umfelds (Nachhaltigkeit).


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5 Gruppenleiter/innen, 1 Postdoc, 13 Dokto-

randen/innen, 13 Bachelor-. Master- & Stex-

Studierende, 5 Techniker, 13 Gärtner

Danksagung

Plant Biomechanics Group – Botanic Garden University of Freiburg

www.botanischer-garten.uni-freiburg.de

Competence Network ‚Biomimetics‘ Baden-Württemberg (MWK-BW)

www.kompetenznetz-biomimetik.de

BIOKON e.V & BIOKON international – The Biomimetic Association (BIONA-BMBF)

www.biokon.de & www.biokon-international.com

Education and Teaching in Biomimetics

www.bionik-online.de www.bionik-vitrine.de www.bionik-blog.de

Biological Design and Integrative StructuresAnalysis, Simulation and Implementation in Architecture

Collaborative Research Center TRR 141

Danksagung auch an viele Industriepartner

Date post:	30-May-2020
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Biological Design and Integrative Structures Bionik Cooperative … · 2020-03-06 · 21.11.2017 1...

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