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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“
Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik
Die 7 Denkschritte der Bionik
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
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Wasserläufer (Gerris lacustris.)
Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?
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Robostrider
Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge
Wirbelbild der FortbewegungB. Chan, D. Hu
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Wasserläufer
Beinhaare mit Nano-Rillen
Nano-Rillen
200 nm20 μmXuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing
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2 c
m
20
m
Biologisches Vorbild Technische Nachahmung
Entwurf einer Wasserlaufmaschine
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Es gilt:
Geometrische Ähnlichkeit zwischen biologischem
Vorbild und technischer (Groß-)Ausführung ist
zwar eine notwendige aber keine hinreichende
Bedingung für gleiche physikalische Vorgänge.
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Zusätzlich müssen auch die voneinander unabhängig
wirkenden Kräfte im gleichen Verhältnis zueinander
stehen (Dynamische Ähnlichkeit). Wenn diese Kräfte
verschiedene physikalische Ursachen haben, kann sich
bei Änderung des Maßstabes dieses Verhältnis ändern.
Änderung der Kräfte-Resultierenden !
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oKoK
GK
Oberflächenkraft
GewichtskraftZahl-Eötvös
23
O
G
gg
KK
Wasserläuferfuß
m/N07,0Wasser
Eingedellte Wasseroberfläche
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Dynamische Ähnlichkeitskennzahlen:
Cauchy-Zahl/
CaEv (Trägheitskräfte – Elastische Kräfte)
Froude-Zahl gv2
Fr (Trägheitskräfte – Gewichtskräfte)
Eötvös-Zahl 2
Eo g(Gewichtkräfte – Oberflächenspannung)
Reynolds-Zahl /Re v (Trägheitskräfte – Reibungskräfte)
(Trägheitskräfte – Oberflächenspannung)Weber-Zahl
2
We v
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l2
l
l1
v
1
232
Träg)(
vK
(Newton) dd
Reib FyvK
)( 22
1Reib vK
/1 1
21
Reib
Träg
v
KK
konst v
KK
Reib
TrägRe
Reynoldszahl
Strömungsmedium:
Dichte Zähigkeit
Kinematische Zähigkeit y
![Page 12: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/12.jpg)
Verkehrsflugzeug B-747
Re = 2 ·10
8
![Page 13: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/13.jpg)
Segelflugzeug ASH-25
Re = 2 ·10
6
![Page 14: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/14.jpg)
Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10
4
![Page 15: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/15.jpg)
Saalflugmodell
Re = 4 ·10
3
![Page 16: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/16.jpg)
Vogel Weißstorch
Re = 1 ·10
5
![Page 17: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/17.jpg)
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Verkehrsflugzeug
Segelflugzeug
A2-Flugmodell
Saalflugmodell
ab
cd
a Adlerb Bussardc Habichtd Sperber
ReReynoldszahl
und Flügelprofil
![Page 18: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/18.jpg)
Die 7 Denkschritte in
der Bionik
2
3
4
5
6
7
1
Nutzung der evolutiven Lösung
Biologisches Funktionsprinzip Fb
stopp
stopp
stopp
ja
ja
ja
nein
nein
nein
Fb ähnlich Ft ?
Technisches Funktionsprinzip Ft
Biologische Randbedingungen Rb
Technische Randbedingungen Rt
Rb ähnlich Rt ?
Gb ähnlich Gt ?
Biologisches Gütekriterium Gb
Technisches Gütekriterium Gt
FuRaGü soll eine
schwache Regel
sein
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Fb = Schmetterlingsschuppen
Ft = Dachziegel
Pseudo-Bionik:
Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik
Fb Ft
Fb ≠ Ft
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Rb = Flügelprofil Vogel
Rt = Flügelprofil Flugzeug
Pseudo-Bionik:
Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik
Rb
Rt
Rb ≠ Rt
NACA 662-615
Storch
Adler
Flugzeug
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Gb = Mohnkapsel
Gt = Salzstreuer
Pseudo-Bionik:
Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik
Gb Gt
Gb ≠ Gt
![Page 22: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/22.jpg)
Trivial-Bionik 1
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Trivial-Bionik 2
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Trivial-Bionik 3
![Page 25: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/25.jpg)
Trivial-Bionik 4
![Page 26: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/26.jpg)
Trivial-Bionik 5
![Page 27: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/27.jpg)
Trivial-Bionik 6
![Page 28: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/28.jpg)
Trivial-Bionik 7
![Page 29: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/29.jpg)
Trivial-Bionik 8
Clau
s M
atth
eck
Clau
s M
atth
eck
![Page 30: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/30.jpg)
Nachtrag:
Zwei weitere Beweise für die Optimierung
in der biologischen Evolution
![Page 31: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/31.jpg)
Imitation von
Tieren Zoomimese
Pflanzen oder Pflanzenteilen Phytomimese
Leblosen Gegenständen Allomimese
Mimese
![Page 32: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/32.jpg)
Dornzikaden an
einem Rosenstamm
![Page 33: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/33.jpg)
x
Zikade
Dorn
Minimum2istsoll )(
xyy
Problem der Kurvenanpassung
soll
yisty
![Page 34: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/34.jpg)
Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf !
![Page 35: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/35.jpg)
Mimese eines abgebrochenen Astes
durch einen Falter
(Phalera bucephala)
Mondvogel
![Page 36: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/36.jpg)
Lonomia Motte
Kopf Rechte Flügelsptze
Linke Flügelspitze
![Page 37: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/37.jpg)
Blatt-Mimese eines Baumfrosches
im peruanischen Regenwald
![Page 38: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/38.jpg)
Verborgen im Saharasand
Fot
o: In
go R
eche
nber
g
![Page 39: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/39.jpg)
Optimalkonstruktion
Facettenauge
![Page 40: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/40.jpg)
Konstruktion eines
Facettenauges
Stubenfliege
![Page 41: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/41.jpg)
Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel haben:
Konstruktive Grenze: Um die Objekte A und B voneinander getrennt zu unterscheiden muss gelten:
Optische Grenze: Licht wird an kleinen Öffnungen gebeugt. Um A und B getrennt zu detektieren darf der Beugungswinkel nicht größer als /2 sein (Rayleighsches Kriterium):
Min
2/2D
d
2 d 22,12
=1,22 d
/2
Rayleighsches Kriterium
Optimalkonstruktion Facettenauge
Beugung
D
/2
A B
Zwergwespen
TropischeRiesenbienen
1 2 3
30
40
20
10
d m
D mm1/2
=2,44 d
d
=4 dD
dopt= 0,61 D
![Page 42: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung](https://reader038.vdocuments.site/reader038/viewer/2022102613/55204d6749795902118bd72a/html5/thumbnails/42.jpg)
Ende