Bionik

Vinger til flyvende maskiner
(tegning af Leonardo da Vinci )

De bionik (også biomimetik , biomimetikken eller Biomimese a kuffert ord fra biologi og teknologi ) er involveret i transmission af naturlige fænomener i teknikken. Et velkendt eksempel fra historien er Leonardo da Vincis idé om at overføre fugleflyvning til flyvende maskiner. Et eksempel fra det moderne liv er det af havfisk inspireret velcro . Bionics er baseret på den antagelse, at den levende natur udvikler optimerede strukturer og processer gennem evolutionære processer, hvorfra mennesker kan lære.

Som et tværfagligt forskningsfelt tiltrækker bionik naturforskere, ingeniører, arkitekter, filosoffer og designere. Bionics handler om systematisk anerkendelse af løsninger fra den levende natur; den adskiller sig således fra formålsløs naturinspiration. Deres mål er altid et teknisk objekt eller en proces, der er adskilt fra naturen, hvorved bionik adskiller sig fra videnskaber, der bruger og udvider biologiske processer, såsom bioinformatik , biofysik og biokemi . Bionics yder vigtige bidrag til processen med biologisering .

Definitioner

Bionik ved hjælp af luftfartseksemplet

En af grundlæggerne af bionics, Werner Nachtigall , definerede udtrykket som følger:

”Bionics som en videnskabelig disciplin omhandler systematisk den tekniske implementering og anvendelse af konstruktioner, processer og udviklingsprincipper for biologiske systemer. Dette omfatter også aspekter af samspillet mellem animerede og livløse dele og systemer samt økonomisk-teknisk anvendelse af biologiske organisatoriske kriterier. "

Den første sætning i dens definition falder sammen med VDI's - dette beskriver bionik som følger:

“Bionics forstås at betyde forsknings- og udviklingsmetoder, der forfølger en teknisk anvendelsesinteresse og i søgen efter problemløsninger, opfindelser og innovationer trækker på viden fra analysen af ​​levende systemer og overfører denne viden til tekniske systemer. Ideen om at overføre fra biologi til teknologi er det centrale element i bionik. "

Konceptdannelse og historie

Steinhuder Gedde som en ubådsskabelon

Det engelske udtryk bionics blev først introduceret af det amerikanske luftvåben Major Jack E. Steele i 1960 på en konference under ledelse af Heinz von Foerster på Wright -Patterson Air Force Base i Dayton , Ohio : 'Bionics Symposium: Living Prototypes - The Key til ny teknologi '. JE Steele, en neurolog i militærtjeneste, stammer udtrykket fra den græske stamme "bios" (liv) og endelsen "-onik", der betyder "undersøgelse af". Det tyske ord bionik er en kombination af biologi og teknologi .

I den engelsktalende verden er betydningen af bionisk for det meste begrænset til konstruktion af kropsdele eller - mere generelt - en kombination af biologi og elektronik (også i forbindelse med ideen om cyborg ). Det, der omtales som bionik i tysktalende lande, svarer mere til udtrykket biomimetik eller biomimik på engelsk . Da mange forfattere er klar over det sproglige problem, bruges de to udtryk bionik og biomimetik nu ofte synonymt .

Som en historisk pioner inden for bionik førte den italienske opfinder Leonardo da Vinci for det meste fra 1505 i sit manuskript over fugleflyvning, der analyserede fuglens flyvning og forsøgte at overføre sin viden i flyvende maskiner. Den første tyske patent inden for bionik blev tildelt Raoul Heinrich Frankrig i 1920 for en ”ny spreder” inspireret af en valmue frø kapsel . I 1948, de schweiziske videnskabsmand George de Mestral udviklet den velcrolukningen baseret på modellen af burre .

Ingo Rechenbergs foredrag fra 1964 med titlen: "Cybernetisk løsningskontrol af en eksperimentel forskningsopgave " betragtes som en milepæl i bionikkens historie . Her demonstrerede han Darwin-in-the-wind-tunnelforsøget , hvor en hængselplade foldet til en zigzagform udvikler sig til en flad form med mindst modstand.

Økonomisk betragtning af bioniske stoffer

Bionics er stadig en meget ung videnskab, hvorfor dens økonomiske betydning stadig er relativt lille, men for nylig har der været mere og mere bionisk arbejde, og interessen for den bioniske udvikling stiger. I de senere år er flere og flere forskningsresultater fra bionics strømmet ind i udviklingen af ​​produkter, hvilket viser den voksende betydning af bionics. Desuden tydeliggøres den stigende relevans af bionics af det stadigt stigende antal projekter finansieret af Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning, det tyske føderale miljøfond og det føderale ministerium for økonomi og arbejdsmarked. Derudover støttes mange små virksomheder inden for bionisk forskning. Med disse tilskud har mange produkter nået produktets modenhed, så de kan markedsføres. Et eksempel på et sådant produkt er Speedo -badedragten, der ligner hajhudens struktur og dermed også afspejler dens fordele, såsom lavere vandmodstand.

Udvikling og afgrænsning

Wingtip Optimering Spiroid

Bionics har kun udviklet sig til en etableret videnskabelig disciplin i de sidste årtier, især på grund af nye og forbedrede metoder (computerkraft, produktionsprocesser, tværfaglige overvejelser). Ved udviklingen af ​​tekniske funktionelle elementer var ingeniører ikke altid klar over parallelle udviklinger i naturen. Så rammen blev udviklet uden kendskab til trabekulaernes fine struktur . Da der ikke var nogen form for overførsel, omtales sådanne formelle eller funktionelle kampe som korrespondancer og ikke bioniske.

Biomimetik eller bionik som en videnskabelig disciplin søger derimod specifikt efter strukturer i naturen, der kan være af teknisk betydning som rollemodeller. Denne tilgang kan ofte omtales som en ren analogisøgning . Imidlertid tillader det ofte kun små spring i innovation , da den tekniske applikation allerede skal kunne genkendes.

Lotuseffekten (computergrafik)

Alternativt kan visse strukturelle eller organisatoriske principper beskrives gennem grundlæggende biologisk forskning , som først derefter anerkendes som egnede til overførsel til teknologi. For eksempel udvikles nye rammekonstruktioner (f.eks. Til afstivning af dobbeltvægskonstruktioner) ved at undersøge knoglestrukturen . Viden om ikke-fugtbarhed og selvrensning af visse plantebaserede overflader førte først senere til udviklingen af ​​så forskellige industrielle produkter som facademaling, tagsten og markiser med den såkaldte lotuseffekt, og aerodynamik søgte mange stimuli i zoologi.

Den Bionic Learning Network er en forskning forening af Festo selskab med universiteter, institutter og udviklingsvirksomheder. Formålet med initiativet er at producere nye typer teknologibærere gennem anvendelse af bionics.

Bionics kan opdeles i forskellige underområder: Construction bionics sammenligner konstruktionselementer og deres integrationer, sensorbionics undersøger systemerne for stimulusmodtagelse, strukturelle bionics analyserer biologiske strukturelle elementer, bevægelsesbioniske drivmekanismer, overfladepåvirkning og flowjustering, neurobionics observerer det naturlige overførsel af information og transmission til it -systemer, undersøgte Baubionik komplette strukturer af levende organismer eller deres produkter, apparaterne bionics implementerer naturlige apparatstrukturer, procedurer bionics giver analytisk undersøgelse af biologiske processer såsom. B. fotosyntese , klimatisk biomimetik leder efter systemer til passiv ventilation, køling eller opvarmning, antropobionik undersøger dyrebevægelser, ofte til brug i robotik , evolutionær bionik overfører evolutionære processer til forskning (eksperimentel forsøg med fejl og udvikling).

Grundlæggende tilgang

Otto Lilienthal den 16. august 1894

I analog bionik finder en "top-down-proces" sted: Du definerer problemet, leder efter analogier i naturen, analyserer disse analogier og søger endelig løsninger på problemet med den viden, der er opnået fra naturen. Eksempler:

Vinge med winglet af en Boeing 757
  • Fly : Otto Lilienthal , Alberto Santos-Dumont og Wright-brødrene observerede flyvningen ( bevægelse ) af store fugle og optimerede dermed deres prototyper .
  • Winglets i enderne af flyets vinger: store hvirvler ved flyets spidser forårsager et højt brændstofforbrug, som kan reduceres med omkring fem til seks procent ved brug af winglets. Undersøgelse af vingerne hos svævende / svævende fugle som en flyanalogi. Beskrivelse af visse fuglearters håndvinger ( f.eks. Musvåge , kondor og ørn ), som i stedet for en stor hvirvel forårsager flere mindre og dermed generelt forbruger mindre energi. Fremstilling af kunstige vinger med flere hvirvelstrømningsstrukturer (winglets). Flydesignere har videreudviklet vingerne til en loop-profil ved vingespidsen (split-wing loop) ( spiroid ). Eksemplet viser, at ved afslutningen af ​​en optimering behøver dens bioniske afledning ikke altid at være synlig.
  • Udvikling af nye typer profiler til bildæk : biologiske modeller er fx kattepoter, som udvider sig ved ændring af retning og dermed har et større kontaktområde med jorden.
  • Edderkoppelignende robotter, hvis ben har autonome kontrolfunktioner og derfor er bedre end centralt kontrollerede robotter.

I abstraktionen er bionikken i stedet en "bottom-up-proces": Mennesket løber til grundlæggende biologisk forskning, biomekanik og funktionel morfologi undersøgt af biologiske systemer, opdager og beskriver et underliggende princip, en abstraktion af dette princip fører (adskillelse fra den biologiske model og oversættelse til ikke-teknisk sprog), leder efter mulige tekniske applikationer og udvikler til sidst sådanne applikationer sammen med ingeniører, teknikere, designere osv.

Santos-Dumont Demoiselle "Dragonfly"
Santos-Dumont 14-bis- "gås" lignende konstruktion

Eksempler:

  • Ikke-befugtning og selvrensning af visse biologiske overflader: Observationen og nærmere undersøgelse af det faktum, at praktisk talt alle vandopløselige stoffer ruller af et blad af lotusplanten, førte til patenter på ekstremt dårligt befugtelige og selvrensende overfladestrukturer (f.eks. til en ny kunstig overflade som facademaling), lotuseffekten . Se også: Voks på planteblade, for eksempel fra lotusblomst, kålrabi osv.
  • Strukturel optimering af komponenter ( CAO og SKO ): vækstformer af træer eller knogler
  • Riblet film: I hurtige svømning hajer , den overflade af den hud består af små, tæt pakkede skalaer. På disse skalaer er der skarpe kanter, der er justeret parallelt med strømmen. Disse mikroskopiske riller reducerer friktionsmodstanden . Denne trækreducerende effekt er effektiv i alle turbulente strømninger, inklusive luft. Fly kan dækkes med en særlig film (såkaldt riblet film), som har en lignende struktur på toppen og dermed reducerer flyets aerodynamiske træk . Det videnskabelige grundlag kommer fra undersøgelser af fossile hajer og deres "skalaer".
  • Klæbende hår og andre klæbemidler på overfladen af ​​fødderne på mange dyrearter, som strukturerede biologiske overflader, bruges som modeller til tekniske anvendelser, op til og med konstruktionen af ​​en autonom klatrerobot

Et andet felt, der er relateret til bionik, er topologioptimering . Top-down-metoden bruges også her. Komponenter er designet til at tage hensyn til deres fremtidige belastning på en sådan måde, at unødvendige områder fjernes, og kun de forbindelser, der er nødvendige for belastningen, foretages.

Eksempler på korrespondance mellem teknologi og natur

Regndråber som model for forstørrelsesglasset

Se også

Teknisk implementering:

litteratur

  • Eberhard Forth og Eberhard Schewitzer (red.): Bionics. Meyers lommeordbog. VEB Bibliographisches Institut, Leipzig 1976, DNB-Info .
  • Werner Nachtigall , Kurt G. Blüchel : Den store bioniske bog. Nye teknologier modelleret efter naturen. DVA, Stuttgart og München 2000, ISBN 3-421-05379-0 (specialudgave 2003 under ISBN 3-421-05801-6 ).
  • Werner Nachtigall: Bionics. 2. udgave. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43660-X .
  • Torsten Rossmann, Cameron Tropea: Bionics: Aktuelle forskningsresultater inden for naturvidenskab, teknik og humaniora. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21890-4 .
  • Zdenek Cerman, Wilhelm Barthlott, Jürgen Nieder: Naturens opfindelser. Rowohlt, Reinbek 2005, ISBN 3-499-62024-3 .
  • Antonia B. Kesel : Bionics. Fischer, Frankfurt am Main 2005, ISBN 978-3-596-16123-2 .
  • Kurt G. Blüchel: Bionics. Hvordan vi kan bruge naturens hemmelige tegninger. Goldmann, München 2006, ISBN 3-442-15409-X .
  • Martin Zeuch: Bionics. WAS IST WAS , bind 122. Tessloff, Nürnberg 2006, ISBN 978-3-7886-1509-3 .
  • Lothar Brehmer: Nature - en pacemaker til flyudvikling. Projekt-Verlag, Halle 2007, ISBN 978-3-86634-344-3 .
  • Sigrid Belzer: Naturens mest geniale opfindelser. Bionics til børn. S. Fischer Verlag, Frankfurt am Main 2010, ISBN 978-3-596-85389-2 .
  • Bionik. Fantastisk, selvfølgelig. Hovedemne i kulturbladet Westfalenspiegel , nummer 4/2011, s. 14-27.
  • Christian Johannsen: Potentielle energibesparelser gennem hajbelægning. I: Schiff & Hafen , udgave 9/2012, s. 82–86, Seehafen-Verlag, Hamburg 2012, ISSN  0938-1643 .
  • W. Barthlott, W. Erdelen, M. Daud Rafiqpoor: Biodiversitet og tekniske innovationer: bionik . I: Koncept og værdi i biodiversitet. Routledge -studier i biodiversitetspolitik og ledelse . 2014, ISBN 978-0-415-66057-0 , s. 300-315 .
  • MC Demirel, M. Cetinkaya, A. Pena-Francesch, H. Jung: Nylige fremskridt inden for bioinspirerede materialer i nanoskala. I: Makromolekylær biovidenskab. [elektronisk udgivelse før udskrivning] december 2014, ISSN  1616-5195 . doi : 10.1002 / mabi.201400324 . PMID 25476469 .
  • Patricia Piekenbrock: Bionics. At lære af naturen - impulser til innovation. Vogel Business Media, Würzburg 2018, ISBN 978-3-8343-3438-1 .

Weblinks

Wiktionary: Bionics  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Bionics - Udstilling om bygninger og projekter af arkitekten Moti Bodek , Freiland Potsdam.

støttende dokumenter

  1. ^ Mutschler, H.-D.: Naturfilosofi . Kohlhammer, Stuttgart 2002, her: 120f.
  2. ↑ Werner Nachtigall: Bionics: Grundlæggende og eksempler for ingeniører og naturforskere. 2. udgave, Springer-Verlag Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-18996-8 , s.3 .
  3. ↑ VDI Association of German Engineers (udgiver): VDI 6220 ark 1. Bionics - opfattelse og strategi - differentiering mellem bioniske og konventionelle processer / produkter . 2012.
  4. ↑ Tysk patentkontor, nr. 723730
  5. ^ Rechenbergs foredrag fandt sted på det fælles årlige møde i WGLR og DGRR i september 1964 i Berlin Congress Hall.
  6. ↑ Stanislav Gorb & Dagmar Voigt: Funktionelle biologiske overflader som modeller for teknologi. Ydeevne. Dobbeltudgave 2.2009 / 1.2010: 69–77. Download PDF ( Memento af den originale fra 4 Oktober 2015 i Internet Archive ) Info: Den arkiv link blev indsat automatisk, og er endnu ikke blevet kontrolleret. Kontroller venligst det originale og arkivlink i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. @1@ 2Skabelon: Webachiv / IABot / performance.ey.com
  7. ↑ BBC News om det amerikanske opstartsfirma NBD Nano [1]