Biological Design and Integrative Structures Bionik Cooperative … · 2020-03-06 · 21.11.2017 1...
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0 min 25 min 30 min
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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?
8. Internationale Fachtage Ökologische Pflege - Langenlois - 22.-23.11.2017
• 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
• 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
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© Plant Biomechanics Group Freiburg & verschiedene Quellen
Teilbereiche der Bionik: eine Erfolgs-
geschichte mit vielen Facetten
• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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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!
8. Internationale Fachtage Ökologische Pflege - Langenlois - 22.-23.11.2017
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
Arten höherer Pflanzen
Typischer Botanischer Garten: 3.000 bis 12.000
Arten höherer Pflanzen
Botanischer Garten Univ. Freiburg: ca. 6.000 Arten
Botanische Gärten als Orte innovativer
Forschungund attraktiver Bildungsangebote
© Plant Biomechanics Group Freiburg
© Plant Biomechanics Group Freiburg
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.
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
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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
© Plant Biomechanics Group Freiburg
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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• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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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Adaptive Selbstverankerung von Wurzel- /
Wurzelhaarklettern am Beispiel von Efeu
Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
Hedera helix: Anhaftungsvorgang auf der Ebene der Wurzelhaare
Eintrocknungsvorgang: Seitenansicht
Zellulosemikrofibrillenorientierung entlang eines Wurzelhaares
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Adaptive Selbstverankerung von Wurzel- /
Wurzelhaarklettern am Beispiel von Efeu
Frisches WurzelhaarWurzelhaar
vertrocknend
Substrat
WurzelHedera helix:
Anhaftung auf
strukturierten,
makrorauen,
Oberflächen
Substrat Wurzel
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Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
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Adaptive Selbstverankerung von Wurzel- /
Wurzelhaarklettern am Beispiel von Efeu
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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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]
Ablöseweg [mm]
Haftkraft einer
Einzelwurzel
Fmax ~ 0,2 - 0,3 N
Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
Rankenkletter mit Haftpads und Kleber-
sekretion am Beispiel des Wilden Weins
Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
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Parthenocissus tricuspidata: Habitus und Ranken mit Haftpads
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Rankenkletter mit Haftpads und Kleber-
sekretion am Beispiel des Wilden Weins
Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
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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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[N
]
Ablöseweg [mm]
Rankenkletter mit Haftpads und Kleber-
sekretion am Beispiel des Wilden Weins
Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
Weg [mm]
Kra
ft [
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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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
Kooperationprojekt PBMG-FR, FMF & Karlsruher Institut für Technologie
Haftpads des Wilden Weins
mit klebergefüllten sekreto-
rischen Zellen in jungen Pads
und Verholzung der Zellwände
in adulten Haftpadsba
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Vau
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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
• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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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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Mik
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Magnolia grandiflora
Paeonia officinalis
Colocasia gigantea
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
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Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
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
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
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Messungen von Lauf-Reibungskräften
Kartoffelkäfer auf Glasoberfläche Kartoffelkäfer auf Blattoberfläche
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
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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)
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
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Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
Epikutikulare Wachse
(Strukturebene II)
Kutikularfalten
(Strukturiebene II)
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Herstellung von Replikas mikro-
strukturierter Antihaftoberflächen
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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“
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
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Kartoffelkäfer auf künstlicher Oberfläche
Messungen von Lauf-Reibungskräften
Künstliche Oberfläche: Replikat
der abaxialen Blattoberfläche
von Litchi chinensis
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
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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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Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
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• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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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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peck &
T. S
peck (
2010)
Pro
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Soc.
Lond. B
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120.
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2010)
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1: 490-4
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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
T. S
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2006):
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(2011):
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(2013):
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Unbeschichtete Membran Beschichtete
selbstreparierende Membran
Funktionsweise selbstreparierender Membranen
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Selbstreparierende bionische
Membranen für Pneusysteme
Membran mit
selbstreparierender,
bionischer Schaum-
beschichtungPneumatische
Sitzmöbel
Architektur: Pneumatische Bauten
& Bauten mit Membranstrukturen
Pneumatische & gasgefüllte Luft- und Wasserfahrzeuge
© Plant Biomechanics Group Freiburg
& prospective concepts ag
P
Membranstrukturen für
Behälter und als Hüllen
© Flexible Containment Products
• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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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liba
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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
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen
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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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Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen
Aufpralltest bei Pomelo-Früchten
Kraftsensor
Spiegel
Highspeed
Kamera 1
Highspeed
Kamera 2
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100.000 fps
10.000
fps
Aufprall- und Durchstoßschutz:
Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten
Aufpralltest bei
Pomelo-Früchten
Kraftsensor
Spiegel
Highspeed
Kamera 1
Highspeed
Kamera 2
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Deformation der Pomelo-Früchte
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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz:
Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten
Pla
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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
Sk
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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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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
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Spezifische Bruchkraft
bei verschiedenen
Früchten und Samen
Struktur und Feinstruktur der
Samenschale des Macadamia-Samens
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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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Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen
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Bünck (
2014):
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-51.
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(2010):
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658
-B663.
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz:
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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• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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
© itk
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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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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:
Pete
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Prototyp des bionischen
Fassadenver-schattungs-
systems Flectofin®: Biegung
aktuiert durch hydraulische
Stempel an der Basis
© IT
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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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• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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.
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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
Flectofold
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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
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• 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© Plant Biomechanics Group Freiburg
Venusfliegenfalle, Drachenbaum und
Kartoffelkäfer als Partner der Industrie
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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).
8. Internationale Fachtage Ökologische Pflege - Langenlois - 22.-23.11.2017
21.11.2017
30
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