Ringvorlesung Bionik Zusammenfassung PDF

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Ri Ring ng ngvo vo vorl rl rles es esu ung B Bio io ioni ni nikk – ZZu usa sam mmenf nfas as asssun ungg - erstellt auf Basis der im Sommersemester 2015 zur Verfügung gestellten Vortragsfolien -

VL1: Bionik und Neurobionik (Prof. H. Luksch) Definitionen:  Nachtigall (1979): Lernen von der Natur für eigenständiges ingenieurmäßiges Gestalten  VDI (1993): Wissenschaftliche Disziplin, befasst sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme  International Biomimetrics oder bioinspired technology verwenden (bionics meint Geräte, die der Funktion eines Körperteils nachempfunden sind) Warum kann Bionik interessante Lösungen liefern?  Evolution hat viele Ideen bereits getestet  Erfolg führte zur Fortpflanzung  Nutzung des erprobten Ideenreservoirs: Biodiversität: 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  Kann inspirierend und zukunftsweisend sein  Hat ein hohes Potential zur Nachhaltigkeit (Material- und Energieeinsparung, Rezyklierbarkeit, angemessene Lebensdauer bzw. Haltbarkeit) Notwendigkeit für Bionik  Man sucht Lösungen da, wo man sie vermutet Fehleinschätzungen der Bionik: 1. Bionik liefert optimale Lösungen: optimiert ist nicht optimal, Organismen sind innerhalb ihrer Randbedingungen auf verschiedenste Ziele hin optimiert 2. Biologie ist ressourcenschonend und liefert „sanfte“, umweltverträgliche Lösungen: Biologie ist nicht per se umweltschonend 3. Bionik besteht v.a. aus „Heureka“-Übertragungen von der Natur in die Technik: Bionik ist v.a. Grundlagenforschung (mit dem Aspekt der Anwendung im Hinterkopf) Vorgehensweisen: 1. Top-Down: Lösen eines vorgegebenen Problems o Vorteil: prognostizierter Erfolg, abschätzbarer Zeitbedarf, gesicherter return of investment o Nachteil: geringe Innovationshöhe, da fokussierte Suche 2. Bottom-Up: Analyse des biologischen Systems in seinen Randparametern o Vorteil: große Innovationshöhe o Nachteil: Erfolg nicht prognostizierbar, Zeitbedarf nicht abschätzbar, kein gesicherter return of investment Neurobionik:  Neuroprothetik: Einkoppeln ins Gehirn  Schnittstellen zwischen dem Nervensystem und der Anbindung an ein elektronisches Bauteil zur klinischen Anwendung und medizintechnischer Forschung  Biohybridtechnik: Funktionelle Kopplung biologischer und technischer Systeme  Bionisch inspirierte Robotik: Inspiration durch Bewegungsmuster  Inspiration durch „Embodiment“: Zentrale Überlegung = Komplexe Berechnungen werden oft einfacher bzw. sogar unnötig, wenn die „Inteligenz der Struktur“ einbezogen wird

VL2: Dynamik und Regelung eines Sechsbeiners (Prof. Pfeiffer) Sechsbeinige Konstruktionen sind eine ideale Grundlage für statisch stabile Laufroboter. Sie sind geeignet für Bewegungen in unebenem Gelände. Gangmuster:  Tripoder Gang: Es sind immer 3 Beine auf dem Boden (3 Stand- und 3 Schwingbeine)  Tetrapoder Gang: Es sind stets 4 Beine am Boden (4 Stand- und 2 Schwingbeine)

VL3: A Life-Sized Hydrodynamical, Micromechanical Inner Ear (Prof. Hemmert) Warum ist das Innenohr (Hörschnecke) mit Flüssigkeit gefüllt?

Am Beginn der Schnecke sitzt eine kleine Membran, an der die Gehörknöchelchen hängen. Sie schwingen im Takt des Schalls, der vorher auf das Trommelfell auftraf. So gerät die Flüssigkeit in der Hörschnecke in Bewegung. In der Hörschnecke verläuft eine Membran, auf der 15000 kleine Härchen sitzen (Haarsinneszellen). Sie bewegen sich in der Flüssigkeit im Takt der Wellenbewegung. Die Bewegung führt zu elektrischen Reizen, die über Nervenbahnen dem großen Hörnerv zugeführt werden. Bei großem Lärm können die Haare beschädigt oder sogar zerstört werden. Aufbau des mikromechanischen Innenohrs: Schichten von unten nach oben  Silicium,  Gold,  Chrom,  Gold,  Fotolack (SU-8),  Fotomaske 1 (Membran),  Fotomaske 2 (Druckmittel)  Fotomaske 3 (Rahmen)

VL4: Taub und trotzdem hören können – Audiotechnik für den Menschen (Prof. Seeber)  Die Lautstärke eines Tones steigt oberhalb der Hörschwelle an  Akustik und auditorisches System: Ausbreitung von Druckänderungen in der Luft  Schwerhörigkeit: Schädigung der inneren und äußeren Haarzellen Probleme:  Sprachverstehen in Ruhe  gut möglich  Auditorische Szenenanalyse: with a cochlear implant you become strangely aware of all the reflections in a room Richtungshören:  Interaurale Zeitdifferenzen (ITD) = Laufzeitdifferenz zwischen beiden Ohren  ITD’s helfen im Hall, denn Cl Träger mit hoher Sensitivität auf interaurale Zeitdifferenzen sind weniger durch Hall beeinträchtigt  Interaurale Pegeldifferenzen (ILD) = frequenzabhängige Pegeldifferenzen zwischen beiden Ohren  Testmethoden: Lichtzeigermethode  Direct-to-reverberant ratio (DRR) = erhält das Reflexionsmuster und damit binaurale Merkmale o DRR = Direktschallintensität – Intensität der Reflexionen o Mit abnehmendem DRR verschiebt sich die wahrgenommene Richtung hin zu den Reflexionen o Lokalisation normalhörender Personen ist bis -8dB Direktschall-zu-Nachhall-Verhältnis nicht durch Raumhall beeinflusst  extreme Robustheit (Ursache: Präzedenzeffekt = trifft das gleiche Schallsignal zeitverzögert aus unterschiedlichen Richtungen bei einem Hörer ein, nimmt dieser nur die Richtung des zuerst eintreffenden Schallsignals wahr) o Raumhall beeinträchtigt die Lokalisation mich Cochlea Implantaten bereits ab +10dB Direkt-zu-Nachhall Verhältnis Cochlea Implantate:  Stimulieren den Hörnerv elektrisch  Binautrales Hören: Interaurale Zeit- und Pegeldifferenzen genutzt  Zeitdifferenz am Schallanfang besonders wirksam im Hall  Onset enhancement Algorithmus: bessere Lokalisation im Hall

VL5: Wet but not slippery: Adhesion and Friction in Tree Frogs (Prof. Barnes) Haftmechanismus von Klettertieren:  Starke Haftung  Rückbildungsfähige Haftung  Selbstreinigung  Kleben/Haften nur wenn erforderlich, Wesentliche Kraftkomponente:

 Kapillarität Zusammenfassung:  Die hexagonale Mirkostruktur des Zehenpolsters aus Epitehlialzellen, getrennt durch flüssigkeitsgefüllte Kanäle… o … fördert engen Kontakt zu unebenen Oberflächen o …hilft Schleim auf der Polsteroberfläche auszubreiten o …ermöglicht überschüssige Flüssigkeit im Nassen abzuführen  Zehenpolster Nanostruktur (nanopillars) o Nanopillars sind essenziell für gut Reibung in einem nassen adhäsiven System, indem sie direkten Kontakt zur Oberfläche bieten  Geringes Elastizitätsmodul: o Erlaubt Formung entsprechend Oberflächenunebenheiten o Größere Steifigkeit der Außenschicht reduziert Abnutzung, während geringere Steifigkeit der Innenschicht zur Folge hat, dass wie bei einem Autoreifen, das Polster stoßdämpfende Eigenschaften hat  Zehenpolster-Schleim befeuchtet wasserabweisende Oberflächen o Frösche sondern einen wässrigen Schleim ab, der Tenside beinhaltet (Substanzen, die die Pberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen und die Bildung von Dispersion (Vermischung) ermöglichen oder unterstützen), die kapillare Adhäsion erlauben, sogar auf wasserabweisenden Blattoberflächen

VL6: Internally Coupled Ears (ICE): The Cool Part of Sound Localization (Prof. vHemmen) ICE = Mechanical Model of internally coupled ears Aims:  Präzise Reproduktion der Richtungs- und Frequenzabhängigkeit  Analytische Lenkbarkeit

VL7: Living Prototypes: Innovationsimpulse aus der Natur (Prof. Kesel) Definition Bionik:  Systematische Erforschung der Errungenschaften der biologischen Evolution und Überprüfung auf deren Verwertbarkeit im technischen Bereich Anwendungsfelder:  Energie  Globalisierung  Ressourcen Vorgehensweisen:  Techno-Pull  Bio-Push Richtlinien:  VDI 6220: Bionik: Konzeption und Strategie – Abgrenzung zwischen bionischen und konventionellen Verfahren/Produkten Funktionsoberflächen:  UV-Schutz  Verdunstungsschutz  Pathogenenabwehr (Krankheitserreger)  Stoff- und Gasaustausch  Mechanische Resistenz  Thermoregulation  Signalgebung  Kontakt mit dem Substrat  Interaktion mit dem Fluid Biofouling:

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Bewuchs unter der Wasserkante

VL8: What is Life? (M. Karl) Eigenschaften von Leben:  Austausch mit Umgebung (Metabolismus)  Reproduktion  Anpassung an Umgebung Definition für intrinsische (von innen her kommende) Motivation:  Schönheit: niedrige Komplexität  Interesse: Ableitung der Schönheit nach der Zeit What is Life? (Schrödinger)  Gleichgewicht zwischen Ordnung und Unordnung  Prägte den Begriff negentropy (negative Entropie, Maß für die Abweichung einer Zufallsvariablen von der Gleichverteilung)  Leben ernährt sich nicht von Energie sondern von negentropy  Entropie nach Shannon: 𝑆 = ∫ 𝑝(𝑥) log 𝑝(𝑥)𝑑𝑥 o Maß für Unordnung o Misst fehlende Informationen in Bits (Negentropie ist groß, wenn in einer Zeichenfolge viel Information steckt; klein in einer zufälligen Zeichenfolge)  Entropie misst wieviel Information beim Übergang von einem Zustand z in einen Zustand z‘ verloren geht  Empowerment: Stragien & Maßnahmen, die den Grad an Autonomie und Selbstbestimmung im Leben von Menschen oder Gemeinschaften erhöhen sollen uns es ihnen ermöglichen, ihre Interessen eigenmächtig und selbstbestimmt zu vertreten

VL9: Bionische Lösungssuche (Prof. Lindemann) Vorgehensweisen: 1. Top-Down: Problemorientierte Herangehensweise o Ausgehend von einer technischen Problemstellung wird durch Abstrahieren nach biologischen Phänomenen gesucht o Technische Problemstellung  Problemmodell Abstraktion Biologisches Phänomen  Abstraktion  Lösungsideen Konkretisierung Technische Lösung 2. Bottom-Up: Lösungsorientierte Herangehensweise o Basierend auf Grundlagenforschung biologischer Systeme werden technische Lösungsideen generiert o Es bedarf der Charakteristika des biologischen Systems in das technische Anwendungsgebiet o Analyse und Beschreibung des biologischen Systems  Suche nach technischen Anwendungsfeldern  Zielgerichteter Vergleich des biologischen und des technischen Systems, weitere Forschungsaktivitäten auf technischer und biologischer Seite Technische Lösungsideen Herausforderungen:  Biologen und Ingenieure haben verschiedene Ziele: o Biologen: Beschreibung biologischer Systeme o Ingeneure: Generierung innovativer Lösungen  Fehlendes Wissen über die jeweils andere Disziplin  Finden einer gemeinsamen Sprache Kriterien zur Beschreibung bionischer Entwicklungen:  Randbedingungen: technisch / biologisch  Skalierungsbereich: technisches Anwendungsgebiet / biologischer Effekt  Funktionen/Effekte: technisch / biologisch  Abstraktionsgrad der Übertragung Anwendungsfelder:  Materialien  Strukturen  Robotik  Fortbewegung

 Anthropotechnik  biomedizinische Technik  Informationstechnik  Softwarealgortihmen  Bau  Klimatisierung  Management organisatorische Abläufe  Wissenschaft Methoden zur bionischen Lösungssuche:  Bionisches Vorgehensmodell nach Gramann mit Assoziationsliste nach Gramann  Lösungssuche nach Hill mit Hills Katalog biologischer Prinzipien  Sprachanalyse nach Shu mit Identifikation „bionischer“ Brückenbegriffe durch Bildung von Synonymen, Hypernymen und Troponymen auf Basis von Grundlagenliteratur  Lösungssuche im interdisziplinären Team Quellen für die Lösungssuche:  Fachliteratur  Rundfunk- und Fernsehbeiträge  Internet

VL10: Insekten als Brandmelder: Die Infrarotsensoren „feuerliebender“ Käfer und Wanzen (Prof. Schmitz)   

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Spezies namens Pyrophilous/Pyrophilie wird häufiger auf verbrannten als auf unverbrannten Flächen gefunden Ursache für dieses Verhalten: Fortpflanzung Bekannte pyrophile Insekten mit Infrarotsensoren: o Acanthocnemus nigricans: 4mm L, Position des IR-Sensors: prothorax (vor den Vorderbeinen) o Merimna atrata: 20mm L, Position des IR-Sensors: abdomen (ganzhinten an den Seiten) o Melanophila spec.: 10mm L, Position des IR-Sensors: metathorax (direkt seitlich hinter den Hinterbeinen) o Aradus spec.: 4mm L, Position des IR-Sensors: pro-/mesothorax (bei den Vorderbeinen und quasi auf den Schultern) Die Käfer und Wanzen müssen die Fähigkeit haben Infrarot zu registrieren Funktionsprinzip: Strahlungssensor Mögliche Funktion: Frühwarnsystem, Detektion von Hot Spots von größerer Distanz...