Bionik - Zusammenfassung PDF

Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Bionik - Zusammenfassung =Wissenschaft, die technische Probleme nach dem Vorbild biologischer Funktionen zu lösen versucht - ähnliche Begriffe: Biomimese, Biomimikry, bioinspirierte Bionik Womit beschäft...

Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Bionik - Zusammenfassung =Wissenschaft, die technische Probleme nach dem Vorbild biologischer Funktionen zu lösen versucht - ähnliche Begriffe: Biomimese, Biomimikry, bioinspirierte Bionik Womit beschäftigt sich Bionik? Die Bionik beschäftigt sich mit der Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihrer innovativen Umsetzung in der Technik. Methode: Beobachten und Studium der Natur für Erkenntnisgewinn Biologisches und technisches Vorwissen ist notwendig, um die genialen Lösungen der Natur zu erkennen! Louis Pasteur: „Im Bereich der Beobachtungen erhält nur ein vorbereiteter Geist eine Chance“(University of Lille (7 December 1854) Bionische Strategie − Abstrahieren und Umsetzen: Basis ist das Erforschen, Erkennen und Beschreiben der zugrunde liegenden Gegebenheiten. − Max Planck, sinngemäß: "Vor dem Umsetzen muss das Erkennen stehen.“ Interdisziplinäre Zusammenarbeit Bionische Forschung bedarf auch Vertreter anderer Disziplinen wie Architekten, Philosophen, Luftfahrtingenieure, Techniker und Designer. Geschichte der Bionik ❖ Der Italiener Leonardo da Vinci (1452-1519) war nicht nur ein berühmter Erfinder, sondern auch ein bedeutender Maler und Bildhauer. ❖ Er zeichnete Entwürfe für Flugapparate, die Vögeln oder Fledermäusen ähnelten. ❖ Die gedrehte Frucht des Schneckenklees regte ihn zur Konstruktion eines Hubschraubers an. ❖ Er erkannte wesentliche Strömungsmechaniken, baute Panzer und innovative Waffensysteme, die nur teilweise funktionierten. ❖ Problem: Er konnte nicht rechnen und der Vogelflug basierte nach seiner Sicht auf der Flügelbewegung. ❖ Vogelflug basiert eigentlich auf Auftrieb: Die Flügel und der Körper sind stromlinienförmig gebaut. Durch die spezielle (nach oben gewölbte) Form der Flügel wird die Luft beim Fliegen nach unten abgelenkt. Es entsteht dadurch ein Druck nach Erstellt von Lea Braun Seite 1 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! oben, man spricht von dynamischem Auftrieb. Damit Vögel fliegen können, haben sie ein geringes Körpergewicht und einen leistungsfähigen Stoffwechsel. ❖ „Bionik“ wurde erstmals 1960 von dem amerikanischen Luftwaffenmajor Jack Steele verwendet. ❖ Ursprünglich leitete sich der Begriff auf den beiden Komponenten „bio“ und „electronics“ ab, welcher also wesentlich enger gefasst war als der heutige (deutsche) Begriff der Bionik Anwendungsbereiche Bionik  Produktentwicklung  Design-Bereiche  Bionische Sensorik  Gebiete der Biologie, Mikrobiologie und Medizin  Technische Bereiche, z.B. Verkehrstechnik, Haus- und Gerätetechnik, Maschinenbau  Bereich Energieversorgung  Informatik und Robotik Vor- und Nachteile der Bionik ✓ Vielversprechender Bereich für Neuentdeckungen und bahnbrechende Innovationen. ✓ Bereich flexiblen Denkens, Verbindung von divergentem und konvergentem Denken ✓ Interdisziplinäres Wissen wird zusammengetragen und erweitert.  Zur Problemlösung in Unternehmen nur mit Einschränkung nutzbar (sollte von einem Bionik- Experten begleitet werden).  Die Randbedingungen in der Natur waren oft anders als die für die technische Anwendung. Messtechnik für bionische Fragestellungen o Dehnmesstreifen o Drehmomentwandler o Beschleunigungssensoren Erstellt von Lea Braun Seite 2 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! o Lichtsensoren o Bildgebung (Kamera) o Ultraschallsensor o Temperatursensor o Schallsensor o Feuchtigkeitssensor o Drucksensor Evolutionäre Grundlage der Bionik  Denn es ist die Evolution selbst, nach der die Lebewesen über Jahrmillionen entwickelt und optimiert wurden.  Mutation und Selektion sind Strategien der Evolution und führen zu genialen Problemlösungen.  Allerdings ist die Bionik kein reines Kopieren der Natur  Viele Prinzipien der Natur lassen sich nicht ohne Weiteres technisch umsetzen.  Bionik ist vielmehr die Konstruktion und Umsetzung dieser Prinzipien in modifizierter Form nachdem diese in ihrer natürlichen Funktion verstanden wurden. Analogien Eine verblüffende Ähnlichkeit nennt man Analogie (nicht Bionik). Beispiele 1. die kräftigen Oberkiefer der Ameisenlöwen und eine von Menschenhand geschaffene Kombizange, die eine deutliche Analogie aufweist 2. Saugnäpfe − Schon lange Zeit vor dem Menschen kam die Natur auf diesen Hafttrick − Das Männchen der Gelbrandkäfer besitzt an seinen Vorderbeinen einige Sockel, die den gezeigten Saugnäpfen an einer Seifenhalterung ähnlich sehen. 3. Holzbohrer − Den Holzbohrer bei einer Holzwespe kann man mit seiner technischen Analogie vergleichen. Die Wespe legt mit diesem ihre verformbaren Eier bis zu 1,5 cm tief in Nadelholz ab. Analogien sind nicht immer sinnvoll Die Evolution kann nur dann für den Entwickler sinnvolle Vorarbeit geleistet haben, wenn sie an  derselben Funktion  unter denselben Randbedingungen  und nach demselben Gütekriterium wirken konnte. Erstellt von Lea Braun Seite 3 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild!  Daher sind Prinzipien und Mechanismen der Natur nicht immer auf technische Lösungen übertragbar Bionik Dübel nach Zikadenvorbild Bioniker Markus Hollermann und Felix Förster Zikaden zum Vorbild: Mundwerkzeug durchbohren die Blattoberfläche, um Pflanzensäfte zu saugen. Bohrer verankert sich im Gewebe mit der rot dargestellten Struktur. Ähnlich wie bei Zecken. Bremsfallschirme − Außen wie ein Kürbis, innen eine Wabenstruktur (Bienen) Pseudobionik → Der Biotechnik-Pionier Raoul Heinrich Francé bemängelte das ungleichmäßige Streuen des handelsüblichen Salzfässchens. → Er entwarf und patentierte einen Salzstreuer nach dem Vorbild der Mohnkapsel. → Sein Fehler: Funktion und Randbedingung mögen zwar übereinstimmen. → Das Gütekriterium der Evolution für eine Mohnkapsel ist ein anderes als das Gütekriterium für einen Salzstreuer → In der Biologie gilt es, die Mohnkörnchen möglichst weit weg von der Mutterpflanze zu streuen. → Da also das Gütekriterium ein anderes war ordnet man diese Erfindung der Pseudobionik zu! Patentrecht und bionische Erfindungen  Wenn man in Patentschriften nachforscht: Die heutigen Patentschriften enthalten keine oder nur versteckte Hinweise auf das „Vorbild Natur".  Patentanwälte raten heute allgemein dazu, solche Hinweise nicht aufzunehmen, sie könnten sich patentschädigend auswirken.  Früher war das nicht so! Haihaut 1. Treibstoffsparung − Die Firma Airbus-Industries hat bereits Anfang der 90er Jahre einen A 320- Airbus probeweise mit Rillenfolien des amerikanischen Herstellers 3M ausgerüstet und in Flugversuchen eine Reibungsverminderung von 6% festgestellt. Daraus errechnet sich eine mögliche Treibstoffeinsparung pro Jahr und Flugzeug je nach Flugzeuggröße von 60 bis 200 Tonnen Kerosin. Beispiel für eine bionische Lösung. 2. Anti-Fouling Anstrich − Die Haihaut ist rau und mit winzigen kleinen Zähnchen besetzt. Erstellt von Lea Braun Seite 4 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! − Die spitzen Placoidschuppen der Haie verhindern die Anhaftung von Organismen. − Strömungswiderstand im Wasser wird vermindert und auch Seepocken können nicht so leicht haften. − Ein Bioniker der Hochschule Bremen unter Leitung von Professorin Antonia B. Kesel entschlüsselten den Bauplan der künstlichen Haihaut und entwickelten daraus den Silikonanstrich. Lotuseffekt Wilhelm Barthlott und Christoph Neinhuis vom Botanischen Institut der Universität Bonn untersuchten den Zusammenhang von Benetzbarkeit und Selbstreinigungseffekt bei Pflanzenoberflächen. „Lotus Effekt", da er sich an den schildförmigen Blättern der heiligen Lotuspflanze (Nelumbo nucifera), des Symbols für Reinheit im Buddhismus, besonders eindrucksvoll demonstrieren lässt. Blattoberfläche ist nahezu unverschmutzbar! An zweihundert verschiedenen schmutzabweisenden Pflanzenarten intensiv erforscht und experimentell nachgewiesen. Verantwortlich für den Effekt ist eine komplexe mikro- und nanoskopische Architektur der Oberfläche, die die Haftung von Schmutzpartikeln minimiert. Wassertropfen am Lotus hat nur eine Auflagefläche von 0,6% Die Fassadenfarbe Lotusan® verfügt über die einzigartige und patentierte Lotus- Effect®-Technologie Die Selbstreinigungsfähigkeit wasserabweisender mikro-nanostrukturierter Oberflächen wurde in den 1970er-Jahren von Wilhelm Barthlott entdeckt und er schuf dafür 1992 den Namen Lotus-Effekt. Effekt auch bei: Große Kapuzinerkresse (Tropaeolum majus), Schilfrohr (Phragmites australis), Gemüsekohl (Brassica oleracea), Broccoli, Akelei (Aquilegia), Insektenflügel etc. Lotuseffekt: wie funktioniert er? ❖ Die Benetzung eines Stoffes mit Wasser und Luft als umgebendem Medium hängt vom Verhältnis der Grenzflächenspannungen Wasser/Luft, Festkörper/Wasser und Festkörper/Luft ab. ❖ Das Verhältnis der Spannungen bestimmt den Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf einer Oberfläche. ❖ Kontaktwinkel von 0°bedeutet vollständige Benetzung, das heißt, ein Wassertropfen zerläuft zu einem monomolekularen Film. ❖ Kontaktwinkel von 180°bedeutet vollkommene Unbenetzbarkeit, der Tropfen berührt die Oberfläche in nur einem Punkt. Erstellt von Lea Braun Seite 5 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! ❖ Stoffe mit einer hohen Grenzflächenspannung werden besser benetzt als solche mit niedriger Grenzflächenspannung, zum Beispiel Teflon. ❖ Die rauhe Oberfläche des Lotus erniedrigt die Grenzflächenspannung. Salvinia-Effekt  beschreibt die dauerhafte Stabilisierung einer Luftschicht auf einer Oberfläche unter Wasser.  Basierend auf biologischen Vorbildern z. B. den Schwimmfarn (Salvinia), oder den Rückenschwimmer (Notonecta)  Notonecta: komplexe Doppelstruktur aus Haaren (Setae) und Microvilli  Salvinia molesta (Schwimmfarn): Molesta trichome bestehen aus4 Trichome, die wasserabweisend wirken und 4 Ankerzellen an der Spitze der Trichome zum “Festhalten” des Wassers: „Schneebesen-Haare“  Der Effekt kann von Schiffen benutzt werden, um mit weniger Reibung durch das Wasser zu gleiten - 10 Prozent geringeren Kraftstoffverbrauch bei Schiffen möglich!  Luftpolster am Bug kann den Strömungswiderstand verringern.  Kann auch benutzt werden, um einen Ölfilm von der Wasseroberfläche zu saugen Wasserabweisende Zikadenflügel von Psaltoda claripennis  Nanokegel als auch Nanozylinder von bis zu 115 Nanometer Höhe  Anti-Beschlag und selbstreinigend Katzenpfoten und Autoreifen  Autoreifen müssen zwei Aufgaben leisten, die sich widersprechen (Problem): ¡ Bei normaler Fahrt soll der Reifen möglichst wenig Widerstand erzeugen, damit der Kraftstoffverbrauch des Autos möglichst gering ist.  Beim Bremsen muss aber viel Kraft auf den Boden übertragen werden.  Um diesen Widerspruch zu lösen, nahmen sich Ingenieure die Katzenpfote zum Vorbild. Die Ballen der Katzenpfote sind beim Laufen schmal. Wenn die Katze jedoch einen Sprung auffängt, dann verbreitern sich die Ballen.  Nach dem gleichen Prinzip funktioniert auch der Katzenpfotenreifen- (ContiPremium- Contact®): Beim Bremsen verbreitert er sich stärker als übliche Sommerreifen.  Dadurch erzeugt er mehr Widerstand und das Auto kommt früher zum Stehen. Bärentatzen -> Winterreifen − Beim Conti Winter Contact TS 780 haben Ingenieure sich nicht nur Waben, sondern auch Bärentatzen näher angesehen. − Das Ergebnis ist ein spezielles Muster des Reifenprofils: Längslamellen sorgen für Seitenführung, Querlamellen für bessere Traktion. Erstellt von Lea Braun Seite 6 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! − Das Lamellengitter ist so angeordnet, dass es für mehr Sicherheit auf winterlichen Fahrbahnen sorgen soll. Ein weiterer Vorteil: Beim Aufbringen der Seitenkraft in Kurven gibt es mehr Griffkanten und somit mehr Stabilität in Kurvenfahrten. Klettverschluss  George de Mestral erfand für die Fa. Velcro (Schweiz) 1951 den Klettverschluss.  Angeregt durch die Kletten an seinem Hund.  Beispiel für bionische Lösung eines Verschlussproblems Atmungsaktive Membran o Bionische Forschung bei der Hautatmung der Lurche führte zur Erfindung: Symbionic TM o X-Technologie setzt auf eine geschlossene hydrophile Polyestermembrane, die im Gegensatz zur offenen Gore- Tex-Membrane keine Löcher hat. o Während bisherige Membranen plan (völlig glatt) sind, bringt X-Technology auf seiner Symbionic-Membran eine Struktur auf, hier liegt auch das Kernstück des Patentes. o Eigenschaften: Atmungsaktiv und wasserabweisend Spinnenfäden → Spinnen können bis zu 7 verschiedene Seidenarten produzieren, deren Eigenschaften perfekt an ihren Anwendungsbereich angepasst sind. → Spinnenseide ist ein biologisches Polymer, das mit Kollagen verwandt ist. → Hat eine einzigartige Kombination aus mechanischer Festigkeit und Elastizität. → Härtetest für Spinnenfäden: Ein Spinnenfaden ist einem Metalldraht gleicher Dicke in mancher Hinsicht überlegen. → Nachdem Forscher des Max- Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik ihn mit Metallionen → (TiO2) infiltriert haben, hält der doppelt genommene Faden sogar einen 27,5 Gramm schweren Würfel, drei Mal mehr als ein natürlicher Faden. → Biochemiker Professor Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth: Spinnenseide ist viermal belastbarer als ein Stahlfaden der gleichen Dimension und kann um das Dreifache gedehnt werden, ohne zu reißen - enorme Festigkeit des Spinnenseidenfadens → Biosteel® ist der Name der künstlichen Spinnenseide Brunel Hand Die Brunel Hand 2.0 ist eine fortschrittliche, leichte und präzise Roboterhand für Forscher. Mit einem kostengünstigen Open-Source- Design ist dieses voll bewegliche Gerät bestens gerüstet, um die Zukunft der Robotikforschung zu revolutionieren. Vier Motoren steuern dabei die Handbewegung. Erstellt von Lea Braun Seite 7 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Fin Ray Effekt Fin Ray Effect® wurde vom Berliner Bioniker Leif Knieseim Jahr 1997 im Angelurlaub entdeckt: Drückt man zum Beispiel mit dem Finger leicht gegen die Schwanzflosse einer Forelle, so knickt diese nicht in Druckrichtung weg, sondern die Flosse bewegt sich entgegen der Druckrichtung zum Finger hin. Adaptive bionische Greifer besteht aus einem pneumatischen Antrieb in einem robusten Grundkörper sowie drei Greiffingern. Diese sind mit dem Fin Ray Effect® (EvoLogics GmbH) ausgestattet und ermöglichen ein sicheres und zerstörungsfreies Greifen Greifwerkzeuge - Bionische Vorbilder: Hände, Mandibeln (Zangen), Gecko Füße, Saugnäpfe etc. Bionische Handprothese Komponenten Greifwerkzeuge Bionische Vorbilder:  Hände  Mandibeln (Zangen)  Gecko Füße  Saugnäpfe etc. Pinsenblätter und Bambus → Dienen als Vorbild für den Bau von Hochhäusern! Das Geheimnis liegt in dem variantenreichen Aufbau der Halme. Einige Grassorten haben Stützelemente versehen mit einer Doppelringwand. Selbst hydraulische Elemente konnten von den Forschern erkannt werden. Das Zellgewebe zwischen den Ringwänden ist mit Wasser aufgefüllt, so dass das Gewebe nicht zusammengedrückt werden kann. Dies stabilisiert die Konstruktion eines langen Halmes zusätzlich und macht ihn zum idealen Hochbau. Damit nicht genug. Ein Grashalm ist darüber hinaus auch noch intelligent. So kann er den Wassergehalt seines Gewebes und somit die Stärke der Biegefestigkeit aktiv verändern. Mit den Hohlräumen ist der Grashalm für die Architektur der Zukunft das ideale Vorbild zur Konstruktion von hohen Tragwerken. Erstellt von Lea Braun Seite 8 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Bionische Stoßstange ❖ Bionisches Design erhöht die Energieabsorption einer Stoßstange! Geheimnisse des Fliegens 1. Elastische und faltbare Flügel 2. Auftrieb durch Vortex 3. Langstreckenflieger Resilin Resilin ist ein langkettiges Protein, das zahlreich in der Natur vorkommt, vor allem bei verschiedenen Arthropoden. Es hat gummiartig elastische Eigenschaften, die daher rühren, dass sich das Eiweißmolekül auf die dreifache Länge ausziehen lässt, ohne dass es bricht. Es kommt wohl bei sehr vielen Insekten dort vor, wo hohe Elastizität und Energiespeicherung bedeutsam sind. So findet es sich im Bereich von Flügelgelenken, im Sprungapparat der Flöhe, im Rüssel von Schmetterlingen usw. Resilin sorgt z.B. beim Flügel der Libellen zwischen manchen Quer- und Längsadern für eine elastisch-bewegliche Verbindung, was den Flügel in sich beweglich macht und die Libelle so zu ihren herausragenden Flugmanövern befähigt. Ahornsamen Wenn Ahornsamen vom Baum fallen, fangen sie nach kurzer Zeit an, sich um ihre eigene Achse zu rotieren. Diese sogenannte Autorotation erzeugt Auftrieb und sorgt dafür, dass die Samen länger in der Luft bleiben. So haben sie bessere Chancen, von einem Windstoß in eine neue Heimat getragen zu werden. Wirbel über dem Flügel erhöhen die Flugweite. Erstellt von Lea Braun Seite 9 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Reynoldszahl Abhängig von seiner Größe und Fluggeschwindigkeit ist die Viskosität der Luft für das Insekt von unterschiedlicher Bedeutung. Diese drei Größen können zur Reynoldszahl zusammengefasst werden, die das Verhältnis von Trägheits- zu viskosen Kräften angibt. Besonders für kleine Insekten sind die viskosen Kräfte dominant, die Luft ist für sie aufgrund ihrer Größe und Fluggeschwindigkeit so zäh wie Wasser (siehe auch Weblinks: „Wenn die Luft klebrig wird“). Wie fliegen Heuschrecken? Flugversuche im Windkanal Stereo Particle image velocimetry Computersimulationen zeigen: Flügeldeformation und Struktur der Flügel ist entscheiden Heuschrecken fliegen besonders energiesparend! Mico Air Vehicle Als Micro Air Vehicle auch Micro Aerial Vehicle werden in der unbemannten Luftfahrt Drohnen bezeichnet, die sich durch ihre geringe Größe, geringe Fluggeschwindigkeit und niedrige Reynolds-Zahl auszeichnen. Anwendungsbereiche für MAVs sind vor allem die nachrichtendienstliche und militärische Aufklärung. Die MAVs tragen in der Regel eine Videokamera und sind wegen ihrer geringen Größe schwer zu entdecken. In Zukunft ist die Entwicklung von MAVs in Insektengröße zu erwarten. Erstellt von Lea Braun Seite 10 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Problemstellungen: ❖ Auftrieb durch Flügelschlag wird generiert bei der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Flügel (ähnlich bei Stubenfliegen) ❖ Faltung der Flügel ❖ Antrieb Winglet Winglets sind durch Adlerflügel inspiriert: Etwa elf Prozent verbesserte Gleitzahl bringt Treibstoffersparnis Geräuscharme Ventilatoren Vorbild: Flügelform von Schleiereulen Produkt FE3owlet: effizientes Strömungsverhalten, größere Luftmengen und drastisch verringerte Geräuschentwicklung Effiziente Lüfter  Vorbild: Flosse des Pottwals  Produkt Zabluefin: Die gewellte Vorderkante sorgt für optimale Anströmung auch bei gestörten Luftverhältnissen. Das Laufrad profitiert und weist dadurch eine deutlich bessere Luftleistung Erstellt von Lea Braun Seite 11 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Insekten inspirierten den Bau von resilienten Drohnen Flügel von Insekten sind verformbar! Der Bau von Drohnen kann davon profitieren! Gecko Klettermax Wie haften Geckos? Die Strukturen unter den Gecko-Sohlen werden nach Außen hin immer feiner. Am Ende befinden sich viele winzige Härchen, die unten spatelförmig sind. Zwischen den Härchen und Flächen wirken schwache Anziehungskräfte zwischen Molekülen und Atomen. Käfer nutzen auch ein solches System. Hydroxylapatit als Knochenersatz Bionische Nachtsicht und „was Bienen mit Röntgenbildern zu tun haben“ Online-Artikel von Scinexx: „Honigbienen sind dafür bekannt, visuelle Landmarken zur Orientierung zu nutzen. Jetzt haben schwedische Wissenschaftler entdeckt, dass auch nachtaktive Bienenarten sich bei ihrem Weg zu einer Nahrungsquelle und zurück zum Nest an optischen Signalen orientieren – und das, obwohl die Lichtintensitäten während der Nacht mehr als hundert Millionen Mal geringer sind als am Tage. Die von starker Konkurrenz aber auch vielen Fraßfeinden geprägte Welt des tropischen Regenwalds hat viele normalerweise tagaktive Tierarten im Laufe der Evolution dazu gebracht, sich einem nachtaktiven Leben anzupassen. Auch einige Gruppen von Wespen und Bienen darunter die zentralamerikanische Bienenart Megalopta genalis, machen sich den Erstellt von Lea Braun Seite 12 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! relativen Schutz der Dunkelheit zu nutzen, um einigermaßen ungestört nach Nahrung suchen zu können. Ein Forscherteam der Lund Universität unter Leitung von Eric Warrant hat nun herausgefunden, dass sich diese Art trotz ihrer nächtlichen Lebensweise und ihrer scheinbar unempfindlichen Augen bemerkenswerte visuelle Fähigkeiten erhalten hat. Bei Versuchen auf der Barro Colorado Insel in Panama konnten die Forscher mithilfe von Nachtsichtkameras beobachten, dass sich Megalopta mithilfe von einigen Orientierungsflügen erst die Landmarken rund um ihren Nesteingang merkt, bevor sie zur Nahrungssuche ausfliegt und diese Marken bei ihrer Rückkehr tatsächlich zur Orientierung nutzt. Als die Wissenschaftler die Landmarken während der Abwesenheit der Biene verschoben, suchte das Tier intensiv rund um die vertrauten Landmarken – aber damit an der falschen Stelle. Doch trotz dieses eindrucksvollen Nachweises ihrer Nachtsichtfähigkeiten, gab es zunächst keinen Hinweis darauf, wie die Bienen diese Landmarken in der Dunkelheit überhaupt erkennen konnten: Denn optische und physiologische Messungen zeigten deutlich, dass die Augen von Megalopta nur etwa 30 Mal lichtempfindlicher sind als der tagaktiven Honigbienen. Für die Orientierung bei Nacht ist dies jedoch bei weitem nicht ausreichend. Nach Ansicht der Forscher könnte die Lösung für dieses scheinbare Paradox nicht im, sondern vielmehr außerhalb des Auges liegen: Im Gehirn identifizierten sie spezialisierte Zellen, deren Morphologie besonders an die Aufnahme und Verstärkung von Lichtsignalen angepasst war. Weitere Forschungen sollen nun die genauen Mechanismen dieser Nachtsicht klären.“ Online-Artikel der FH-Joanneum: Die Idee „Manfred Hartbauer von der Universität Graz erforscht seit Jahren die sensorische Verarbeitung von Umweltreizen bei Insekten und dabei auch die visuelle Informationsverarbeitung. Nachtaktive Insekten wie etwa die Biene Megalopata genalis sind gerade für bionische Weiterentwicklungen besonders interessant, da ihre extrem lichtempfindlichen Augen das Vorbild für spezielle in der Bildverarbeitung anzuwendende Algorithmen ist. Für dieses Projekt bedeutet das, dass die Bildgebung eines schwach beleuchteten Röntgenbilds so weit verbessert werden kann, dass ein normal kontrastiertes Bild daraus entsteht. Eingesetzt werden soll dieser Algorithmus vor allem bei der Brustkrebsvorsorge, um die Strahlenbelastung für die Patientinnen deutlich reduzieren zu können. Methode des Algorithmus Der zum Patent angemeldete Bildverarbeitungsalgorithmus (METHOD AND DEVICE FOR IMAGE PROCESSING, Hartbauer 2016) imitiert die räumliche Summation von Photonen, die im Auge und Gehirn von nachtaktiven Bienen gefunden wurde. Dieser Bienenalgorithmus ist in der Lage, stark unterbelichtete Bilder so zu verbessern, dass der Kontrast verstärkt wird, ohne gleichzeitig das Sensorrauschen zu erhöhen. Denn bei jedem Sensor wird mit Abnahme Erstellt von Lea Braun Seite 13 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! der Belichtung das Rauschen stärker, was dazu führen kann, dass wichtige Bilddetails unsichtbar bleiben.“ Bewegungsdetektion bei der Heuschrecke Hinter jedem der beiden Facettenaugen befindet sich das sogenannte LGMD-Neuron (Lobula Giant Movement Detector), das auf Bewegungen empfindlich reagiert. Droht ein Zusammenstoß, senden diese Neuronen einen Impuls an Beine und Flügel, was die Heuschrecke blitzschnell ausweichen lässt. Ihre Reaktion ist sogar etwa fünfmal schneller als ein Wimpernschlag. Das LGMD-Neuron und die Augen der Heuschrecke dienen Wissenschaftlern als Vorbild beim Entwickeln eines Computersystems, das Roboter oder Drohnen befähigt, Hindernisse zu erkennen und ihnen auszuweichen — und das ganz ohne komplexe Radar- oder Infrarotsensoren. Forscher arbeiten daran, diese Technologie auf Fahrzeuge anzuwenden und sie mit einem schnellen und genauen Warnsystem auszustatten, wodurch Kollisionen verhindert werden sollen. (siehe auch Artikel im Standard online) Erstellt von Lea Braun Seite 14 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Jakobsmuschelaugen − Jakobsmuscheln haben bis zu 200 Augen am Muschelrand − Nanospiegel bringen Licht bis zur Retina − Ähnliches Prinzip wie bei modernen Teleskopen Seidenspinner Männchen → Bombyx mori Männchen haben ein äußerst sensibles Geruchsorgan → Können ein einzelnes Molekül des weiblichen Pheromons wahrnehmen. → Wie kann man das feststellen? Wie machen sie das? Elektroantennogram (EAG)  oder EAG ist eine Technik, um die gemittelten Impulse der Antenne oder einzelner darin enthaltener Neurone für einen gegebenen Geruch zu messen.  Verwendung in der Elektrophysiologie, um die Funktion der Geruchswahrnehmung bei Insekten zu studieren.  Die Technik wurde im Jahr 1957 von deutschem Biologen Dietrich Schneider erfunden Kiefernprachtkäfer (Melanophila acuminata) Legt Eier in verbranntes Holz Rauchgasdetektor in den Antennen brandspezifische Duftstoffe können wahrgenommen werden Zusätzlich: Infrarot-empfindliches Grubenorgan am Thorax (roter Pfeil) Sensillen sind mit Wachs gefüllt und können Wärmestrahlung detektieren. Reizwahrnehmung erfolgt mechanisch durch hitzebedingte Volumenänderung der Kuppel, was einen Druckreiz erzeugt. Antennen von M. acuminata Guajakol-Verbindungen im Rauchgas besonders empfindlich bis 1pg/ml Erstellt von Lea Braun Seite 15 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Die aus schwelendem Kiefernholz in Laborversuchen freigesetzten Menge Guajakol kann einen auf 2 m Höhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch in über 1 km Entfernung riechen. Diese Abschätzung konnte in Feldmessungen mit einem tragbaren Elektroantennograph, der mit einer Antenne von M. acuminata ausgestattet war, in der weiteren Umgebung eines Brandversuches (07.08.2001 Reisigwall in der Oberförsterei Hammer) bestätigt werden. Einen größeren Waldbrand kann der Kiefernprachtkäfer bis auf 50km riechen. Firma Biona Baut Mikrotechnologische Infrarotsensoren nach dem Vorbild des schwarzen Kiefernprachtkäfers (Melanophila acuminata) − Rauchmelder nach Insektenvorbild! Online-Artikel von biokon: „Als unmittelbare Vorlage zu ihrem Bau dienen die sogenannten photomechanischen Infrarotrezeptoren von Prachtkäfern der Gattung Melanophila. Durch Modellierung eines großen Öltankfeuers, welches in Kalifornien unglaublich große Mengen von Melanophila- Käfern anlockte, kann es als wahrscheinlich angesehen werden, dass die Käfer ein Großfeuer mit Hilfe ihrer IR-Sensoren aus über 100 km Entfernung orten können. Die thermomechanischen Eigenschaften der Infrarotstrahlung absorbierenden Strukturen werden zudem mit modernen materialwissenschaftlichen Methoden untersucht, um die Wirkmechanismen auch im Mikro- und Nanobereich zu verstehen. Mit den an den biologischen Infrarotrezeptoren gewonnenen Ergebnissen werden bereits seit einigen Jahren verschiedene Demonstratoren und Prototypen technischer photomechanischer Infrarotsensoren hergestellt. Hervorstechende Vorteile derartiger Sensoren sind eine relativ einfache Bauweise, die starke Miniaturisierung des einzelnen Sensorelements und eine geringere Störanfälligkeit. Die neuartigen Infrarotsensoren versprechen die Herstellung robuster Feuermelder und die Produktion von Feuer- sowie Hitzedetektoren zur Verwendung in Gebäuden und Fahrzeugen. Einfach zu betreibende und zu bedienende wärmebildgebende Sensoren könnten zudem als Nachtsichtassistenten in Automobilen, Infrarotsichtgeräten für Feuerwehreinsätze sowie der Grenzüberwachung und Minen-suche eingesetzt werden. Weitere Anwendungsfelder sind Diagnoseverfahren in der Medizin, Temperaturüberwachung in der Industrieproduktion oder die Qualitätssicherung im Baugewerbe. Beispielsweise ermöglichen einfach zu handhabende Infrarotsichtgeräte, dass Hausbesitzer selbst Wärmeleckagen ihrer Häuser ermitteln und Verbesserungen an der Dämmung durchführen können. Dies hilft bei der Energieeinsparung im privaten Bereich – dem Prachtkäfer sei Dank.“ Erstellt von Lea Braun Seite 16 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Kartoffelkäfer  Kann mit den Antennen das Blattgrün von Kartoffeln riechen  Grünblattduft Z-3-hexen-1-ol  Kann als biologischer Sensor benutzt werden in einem EAG Stabile Konstruktionen o Bäume o Bambus o Meeresschwämme Lernen von Bäumen ❖ In Astgabeln werden Kerbspannungen aktiv verhindert ❖ Holzfasern sind in einem optimalen Winkel zueinander angeordnet und garantieren höchste Stabilität ❖ Bäume sind Verpackungskünstler Claus Mattheck’s ‘Axiom des uniformen Stresses’ - Bauprinzip der Natur ✓ An Verzweigungen gibt es besonderen Stress, der durch mehr Material an der Schulter ausgeglichen wird ✓ Je verzweigter desto dünner Technische Implementierung  CAO (Computer Aided Optimation) Verfahren wird die Funktion des Kambiums bei Bäumen simuliert. Material wird so lange an den hochbelasteten äußeren Stellen angelagert, bis eine optimierte Kontur mit homogener Oberflächenspannung entstanden ist.  Im zweiten Verfahren, dem SKO (Soft Kill Option) Verfahren kann Material an unterbelasteten Stellen entfernt werden. Erstellt von Lea Braun Seite 17 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Strukturbionik Geniale Konstruktionen der Natur  Stabile Konstruktionen  Aufprallschutz  Flugbionik Bambus - Hochbau ⬧ Hohlraum innen ⬧ Gefäße sind außen dichter als innen Online-Artikel der FH-Joanneum: „Unter dem Arbeitstitel „Bambus als Baustoff“ versucht der Masterstudiengang „Architektur“ der FH JOANNEM Graz ein Forschungsprojekt zur Nutzung von lokal angebautem Bambus im konstruktiven Hochbau zu initiieren. Hintergrund ist der große Bedarf an nachhaltig erzeugtem, nachwachsendem Baustoff. Bereits heute lassen sich Bauholzsorten lokal nicht mehr in der notwendigen Menge nachhaltig schlagen. Die nutzbaren Festmeter werden zusätzlich durch die Auswirkungen des Klimawandels und durch Schädlinge wie beispielsweise den Borkenkäfer reduziert. Aus Bambus, einer verholzenden Süßgrassorte lässt sich ein Material herstellen, das wie Holz bearbeitet werden kann, ebenfalls nachwachsend ist und Kohlenstoff bindet. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber Holz ist das schnellere Wachstum von Bambus. Die Pflanze ist jedoch nicht in Europa heimisch und noch gibt es keine Erfahrungen mit Bambus beim großflächigen Einsatz als Nutzpflanze im mitteleuropäischen Raum.“ Tarnung des Tintenfisches Online-Artikel von scinexx: „Meister der Tarnung als Vorbild: Forscher haben die dynamische Tarnhaut der Tintenfische nachgebaut. Das dünne, mehrschichtige Tarnsystem erkennt von selbst, welches Muster der Untergrund hat und passt sich an – ohne dass eine Eingabe von außen erfolgen muss. „Intelligente“ Hüllen nach diesem Prinzip könnten zukünftig Gegenstände sogar auf sich Erstellt von Lea Braun Seite 18 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! verändernden Untergründen tarnen, wie die Forscher im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“ berichten. Tintenfische nutzen ein raffiniertes Dreischicht-System, um sich blitzschnell an die Farbe und das Muster des Meeresbodens anzupassen: In ihrer Haut sitzen zuoberst durch Muskeln kontrahierbare Pigmentzellen, die Chromatophoren. Unter dieser Farbschicht sitzt eine Schicht aus ebenfalls steuerbaren irisierenden, Zellen: Sie reflektieren bestimmte Anteile des Lichts und verstärken die Pigmentfarben. Die dritte Schicht bildet eine Lage weißer Zellen, die für den kontrastierenden Hintergrund sorgen. In der Haut sitzen zudem lichtsensible Zellen, die zusätzlich zu den Augen des Tintenfischs die Information liefern, wie der Untergrund aussieht. „Das Besondere an der Kopffüßler-Haut ist dabei die koordinierte Aktion von Zellen, Muskeln und lichtsensiblen Organen“, erklären Cunjiang Yu von der University of Houston und seine Kollegen. Erst das erlaubt es den Tintenfischen, innerhalb von Millisekunden ihre Farbe und Zeichnung zu wechseln und sich so zu tarnen. Ein technisches System, dass sich auf ähnliche Weise von selbst an den Untergrund anpassen kann, haben die Forscher nun erstmals entwickelt und getestet. Diese nachgebaute Tintenfisch-Haut kann ihre Farbe selbständig wechseln - je nach Untergrund. Farbkapseln, Dioden und eine biegsame Trägerschicht Die künstliche Tintenfisch-Haut hat ganz ähnliche Grundelemente wie die des natürlichen Vorbilds: Auch hier gibt es dynamisch steuerbare Farbzellen, eine weiße Hintergrundschicht und Lichtsensoren. Die oberste Schicht der künstlichen „Tarnhaut“ besteht aus kleinen Kapseln mit einem wärmesensiblen Farbstoff. Er ist bei Raumtemperatur schwarz, bei Temperaturen über 47 Grad Celsius farblos – dadurch lässt sich die Farbe dieser Schicht gezielt steuern. Unter den Kapseln folgt nach einer dünnen, weißen Kontrastschicht ein feines Netz aus Siliziumdioden, die die Farbkapseln punktuell erhitzen und so den Farbwechsel auslösen. Nach einer Trägerschicht aus Polymer folgt dann als Abschluss das entscheidende Element, um das Ganze „intelligent“ zu machen: Photodioden, die die Helligkeit des Untergrunds registrieren und entsprechende Impulse an die Heizdioden weitergeben. „Die Reaktionen der Photodioden definieren das Muster der Erwärmung und damit auch das resultierende Farbmuster“, erklären die Forscher. Dynamisches Schwarz-Weiß-Muster Dank der miniaturisierten Komponenten ist die künstliche Tarnhaut nur rund einen Millimeter dünn und wegen der flexiblen Polymermatrix sehr biegsam, wie die Forscher berichten. Für die Tests legten sie ein Stück davon auf einen Leuchttisch mit verschieden ausgeschnittenen schwarzen Abdeckschablonen. Innerhalb von ein bis zwei Sekunden reagierte das System auf den Untergrund und reproduzierte das Schwarz-Weiß-Muster des Leuchttischs mit seinen Farbzellen. Die künstliche Tarnhaut passt sich auch sich bewegenden Mustern an Erstellt von Lea Braun Seite 19 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! „Das Ganze funktioniert ohne Nutzereingabe oder externe Messgeräte“, betonen die Forscher. Und sogar bewegte Muster konnte die künstliche Tintenfisch-Haut reproduzieren, wie das Experiment zeigte: Das System passte sich auch an ein helles Quadrat an, das sich langsam über einen schwarzen Hintergrund bewegte. Nach Ansicht der Forscher bereitet diese künstliche Tintenfisch-Haut einen Weg zu Tarnhüllen, die sich von selbst an ihren Untergrund anpassen. Wegen ihrer flexiblen, biegsamen Bauweise lässt sich ein solches System zudem leicht um Gegenstände aller Art herumdrapieren. Eingesetzt werden könnte diese künstliche Tintenfisch-Haut beispielsweise zur Tarnung, aber auch, um Objekten gezielt wechselnde auffallende Farben oder Muster zu verleihen.“ Silikat Skelett der Venus’ Blume = Schwamm Pomelos haben perfekten Aufprallschutz ⧫ Luftgefüllte Zellen sind gepolstert in einem in Druck stehenden Gewebe (Mesocarp). ⧫ Luftzellen platzen während des Aufpralls Helmkasuare − Kasuar aus Neuguinea - Keratinhelm, um durch den Dschungel zu laufen Erstellt von Lea Braun Seite 20 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Blatt-Entfaltung Bei Blattfaltungen gibt es folgende Optimierungskriterien: I. Geringer “Kraftaufwand” bei der Entfaltung II. Optimales Verhältnis von Streckung und resultierender Blattfläche III. Formsteifigkeit mit minimalem Materialaufwand Buchenblattentfaltung  Das Blatt entfaltet sich durch den Aufbau von Turgordruck in den Blattvenen  Vergleichbar mit Origami Falttechnik  Diese Technik kann für Sonnensegel genutzt werden:  Eine nach Prof. Koryo Miura, Tokyo University, benannte Art der Faltung wird z.B. bei Satelliten zum Falten der Sonnenkollektoren verwendet.  Einfaches Auseinanderziehen entfaltet das Segel. Origami Stent  Gefaltetes künstliches Gefäß: Stent  Zur Behandlung von Arteriosklerose  Die Abbildung zeigt einen Origami Stent, der erst an Ort und Stelle in einer verengten Arterie entfaltet wird.  Es handelt sich dabei um den Prototypen eines von Zhong You und Kaori Kuribayashi- Shigetomi entwickelten Stents (Oxford, 2003). Druckbeanspruchung  Foraminiferen  Nautilus  Goldene Schuppen Schnecke Foraminiferen Foraminiferen sind Einzeller und gehören zur Gruppe der Amöbenartigen. Dementsprechend sind sie meist winzig. Dennoch spielen sie gleich mehrere wichtige Rollen im Ozean. Viele Arten bauen ein Gehäuse aus Kalziumkarbonat, das den Weichkörper der Einzeller vor Umwelteinflüssen schützt. o Benthische (Tiefsee) Foraminiferen umfassen rund 10.000 Arten o Entdecker der Foraminiferen - Antoni van Leeuwenhoek dokumentierte 1700 den Fund einer Foraminiferenschale „nicht größer als ein Sandkorn“ im Magen einer Garnele. Erstellt von Lea Braun Seite 21 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Nautilus ❖ Perlmutt ist stark belastbar ❖ Platten von Aragonit machen das Perlmutt 3000x härter Goldene Schuppen Schnecke (Crysomallon squamiferum) Tiefseeorganismus 3-Komponenten Material: (1) Organisch mit Eisenanteilen (2) Organisches Material (Shock Absober) (3) Harte Calziumschicht Projekt InWingSpeak: Insektenflügel als Vorlage für Lautsprecherdesign Erstellt von Lea Braun Seite 22 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Reißfeste Insektenflügel der Wanderheuschrecke Bestimmte Netzstruktur sorgt für reißfeste Flügel Die flügellose Schabe Saltoblattella montistabularis  23 fache der Erdbeschleunigung  Springt das 48 fache der Körperlänge Spinnen als Vorbild für Roboter → Die Kunststoffhülle des Roboters wird durch Druckunterschiede einer Flüssigkeit sehr effizient in Bewegung gesetzt. → Patentiertes hydro-dynamisches Spinnengelenk → Klassische Elektromotoren könnten in vielen Bereichen der Technik durch diese energiesparende Alternative ersetzt werden. → Spinnenroboter mit hydraulischen Aktuatoren Salamander-Roboter  Gelenke und Wirbel nach Vorbild des Salamanders  3D-gedruckten Knochen  Pleurobot: Statt 40 Wirbeln hat er nur elf Segmente  Statt Nervensystem integrierte Schaltkreise: Zentraler Mustergenerator Roboterwurm Für Katastropheneinsätze entwickelt:  Der Roboterwurm der HTL Wien 10 kriecht vorwärts, rückwärts, seitwärts, aufwärts - und sollte er abwärts rutschen, kann er sich automatisch in eine sichere Position begeben. Erstellt von Lea Braun Seite 23 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Robotergreifarm der Firma Festo  Greifarm ist dem Tentakel des Oktopus nachempfunden.  Eine weiche Silikonstruktur, die sich pneumatisch ansteuern lässt wird mit Druckluft gefüllt: krümmt das Tentakel nach innen und kann sich formschlüssig und sanft um das jeweilige Greifgut schlingen.  Wie bei seinem natürlichen Vorbild sind an der Innenseite des Silikontentakels zwei Reihen von aktiv und passiv geregelten Saugnäpfen angebracht.  Der OctopusGripper eine Vielzahl an unterschiedlichen Formen aufnehmen und halten. Armprothese für Kinder von Biokon → Die batteriebetriebe Prothese wird durch Muskelkontraktion gesteuert: Bei jeder Kontraktion des Muskels entsteht auf der Haut eine elektrische Spannung. → Lego Mindstorm Computer steuert die Prothese. → Kinder können die Prothese selbst programmieren. Neuromorpher Chip für Computer (2018) ❖ Neuronale Netze werden imitiert ❖ Schneller bei paralleler Datenverarbeitung: ❖ Spracherkennung, Bilderverarbeitung ❖ Langsamer als herkömmliche Chips bei Rechenoperationen Second Sight Inc. Behandlung von Retinitis pigmentosa, die zur Erblindung führt Eine Kamera in der Brille wandelt optische Signalein einen Nervenzellcode um Patienten können damit wieder Objekte erkennen Erstellt von Lea Braun Seite 24 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Zanonia macrocarpa  eine südostasiatische Kletterpflanze aus der Familie der Kürbisgewächse  Flugsamen durch trockene Flughäutchen mit zehn Zentimeter Spannweite  Konstruktionsprinzip wurde erfolgreich bei der Entwicklung des ersten Nurflüglers angewendet.  Nurflügler: 1903 von Igo Etrich entwickelt und vom Flugsamen inspiriert - Der Nurflügler war kaum steuerbar,  daher hat er das Vorbild von Tauben im Flugzeugbau umgesetzt  Nurflügler ist die Bezeichnung für Flugzeuge mit einer speziellen konstruktiven Auslegung, bei denen auf ein gesondertes Höhenleitwerk und auch auf ein Seitenleitwerk verzichtet wird. Kolibri Flügel für die Windkraft ⬧ Kolibri Flügelschlag: zwischen 50 und 200 Mal pro Minute ⬧ Flügelbewegung ist Ziel: leisere Windkraftwerke mit weniger Vogelschlag ⬧ Firmengründer: Anis Aouini Bionischer Lüfter der Firma Biokon für Computerprozessoren  Bioniker Dr. Rudolf Bannasch entwickelte das Prinzip des Schlaufenrotors:  Bionik-Propeller sind 30 Prozent leiser als herkömmliche Modelle  BionicLoopFan® ist der leiseste Lüfter der Welt Zitteraal für bionische Stromproduktion Erstellt von Lea Braun Seite 25 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Effiziente Lichtemission von Glühwürmchen Schmetterlingsflügel für bessere Lichtabsorption von PV Paneelen ❖ Prinzip: Kleinste Löcher absorbieren Licht über ein breites Spektrum besser als glatte Oberflächen ❖ Unregelmäßig angeordnete Löcher mit variierenden Durchmessern, wie sie beim Schmetterling zu finden sind, haben die stabilsten Absorptionsraten über das gesamte Spektrum und verschiedene Einfallswinkel. ❖ Die Löcher auf der Solarzelle haben Durchmesser von 133 bis 343 Nanometern. Eisbärenprinzip für Häuser  Eisbären haben ein weißes (lichtleitendes Fell) und eine schwarze Haut!  Gebäudeschicht besteht aus einem lichtdurchlässigen und UV-beständigen Kunststoff, der nach außen hin gut isoliert.  Innen ist eine schwarze Absorberfläche, die durch die Sonnenstrahlen aufgeheizt wird. Das Textil ist gleichzeitig eine luftführende Transportschicht.  Die Luft erwärmt sich, wenn sie an der Absorberfläche vorbeiströmt. Ameisen Suchalgorithmus  ACO (Ant Colony Optimization)-Metaheuristik von Marco Dorigo  Prinzip: Ameisenstrasse hat hohe Pheromonkonzentration, da dort viele Ameisen laufen und Phermone sind attraktiv. Erstellt von Lea Braun Seite 26 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild!  Verbindet man eine Futterquelle mit zwei unterschiedlich langen Wegen mit dem Nest, so betreten die Ameisen auf ihrer Suche nach Futter beide Wege etwa gleich häufig (links in der Grafik unten).  Die Ameisen auf dem kürzeren Weg kehren jedoch schneller von der Futterstelle zurück, so dass mit der Zeit auf dem kürzesten Pfad eine höhere Pheromonkonzentration als auf dem anderen vorherrscht.  In der Folge wählen die nachkommenden Ameisen bevorzugt diesen Weg. Anwendungen des Ameisen-Algorithmus  Busrouten, Müllabfuhr, Post- und Auslieferungsrouten.  Maschinenbelegungsproblem: Minimierung der Transportzeit bei räumlich weit auseinander liegenden  Produktionsstätten: Realisiert bei Unilever in England und Vincent Darley von der Bios-Gruppe in Santa Fe (New Mexico).  Routenoptimierung zur Nachschubversorgung von Fertigungslinien mit minimalem Transportmitteleinsatz (Routenbildung, -führung, -taktung in Verbindung mit der Behälterauswahl); realisiert im layoutbasierten Logistikplanungssystem MALAGA mit Algorithmen von INPRO.  Beschickung von Lackieranlagen: Losbildung zur Minimierung der Farbwechsel: Realisiert bei DaimlerChrysler.  Fertigungssteuerung: Losbildung zur Minimierung der Rüstzeiten und der Einhaltung von Endterminen; realisiert durch ein Programm von Carpe Retem.  Proteinfaltung: 20 Aminosäuren werden zu Proteinen mit 100 Aminosäuren kombiniert → 20100, dies ergibt etwa 10130 verschiedene Proteine.  Telefonnetzwerk und Internet: Durch ACO können schnell freie Strecken gefunden werden und zwar während des Betriebs (z. B. Antnet).  Personaleinsatzplanung bei Fluggesellschaften: Flugbegleiter und Piloten werden unter Berücksichtigung von Ruhephasen etc. monatlich geplant.  Staplerleitsysteme: Optimale Steuerung und Auslastung von Fahrzeugen und Fahrwegen. Bienenschwarm als bionisches Vorbild  BEE Technology von Continental und KIA  Hat nur sehr wenig mit echten Bienen zu tun (keine Biomimickry!)  Schwarmalgorithmen im Verkehr gleichen eher den Ameisenalgorithmen  (siehe Artikel auf Website von Continental) Erstellt von Lea Braun Seite 27 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Verkehrsforschung  Berthold Horn und Liang Wang vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (Massachusetts, USA)  Im Fachjournal "IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems" publiziert.  Vögel im Schwarm blicken auch nach Hinten, um den Abstand zu harmonisieren  Abstandssensoren von Autos sollten nach hinten blicken, um den Verkehr flüssiger zu gestalten  Tailgating soll vorgebeugt werden: Tailgating ist die Aktion eines Fahrers, der hinter einem anderen Fahrzeug fährt, ohne genügend Abstand zu lassen, um anzuhalten, ohne eine Kollision zu verursachen, wenn das vorausfahrende Fahrzeug plötzlich anhält. Bionischer Schwarm- und Suchalgorithmus  Wie können kleine Roboter mit beschränkter Sicht im Schwarm eine Oberfläche reinigen?  Bionischer Schwarmalgorithmus inspiriert von synchronisierenden Heuschrecken  Kleine Agenten können ihre gepulsten Leuchtsignale synchronisieren, ähnlich wie sich akustisch kommunizierende Heuschrecken über gekoppelte Gesangsoszillatoren synchronisieren  Dadurch entstehen selbstorganisatorisch Wellen der Synchronisation, die von den Agenten benutzt werden können, um ein Ziel zu finden.  Damit können Hindernisse umgangen werden und der Kürzere von zwei Wegen gefunden werden Soziale Amöben als Vorbild für Selbstorganisation  Dictyostelium discoideum (Slime moult)  Aggregationsverhalten als Vorbild für Selbstorganisation für Migration  Die einzelnen Zellen haben Eigenschaften, die man nicht im daraus resultierenden Schwarmverhalten findet (Emergenz). Erstellt von Lea Braun Seite 28 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild!  Die Zellen kommunizieren über cAMP, das für eine Verhaltensänderung eine bestimmte Konzentration im extrazellulären Medium überschreiten muss. Online-Artikel von Springer (automatisch auf deutsch übersetzt): „Kollektives Verhalten in der Natur bietet eine Quelle der Inspiration für die Entwicklung künstlicher Systeme (z. B. Robotik, Ökosysteme von Dienstleistungen), da ihre inhärenten Mechanismen die Anpassung an Umweltveränderungen begünstigen und es ermöglichen, dass komplexes emergentes Verhalten aus einem relativ einfachen Verhalten einzelner Einheiten entsteht. Die Emergenz erster Ordnung, auch als Schwarmintelligenz bezeichnet, ist gut untersucht, während höhere Ebenen des emergenten Verhaltens noch nicht viel Aufmerksamkeit erhalten haben. Emergentes Verhalten zweiter Ordnung entsteht aus den Interaktionen von Individuen, die selbst das Ergebnis von emergentem Verhalten erster Ordnung sind. Dictyostelium discoideum liefert ein überzeugendes Argument für die Untersuchung der Entstehung erster und zweiter Ordnung. Einzelne Zellen bewegen sich selbstständig, wenn es reichlich Nahrung gibt. Wenn die Nahrung knapp ist, aggregieren sich die Zellen selbst zu einer führenden Mittelzelle (emergentes Verhalten erster Ordnung), um einen Superorganismus zu bilden, ähnlich einer Schnecke. Die Schnecke zeigt Eigenschaften, die keine der Zellen allein hat (z.B. Licht- und Wärmeempfindlichkeit). Es bewegt sich als Ganzes (emergentes Verhalten zweiter Ordnung) und sucht nach einem geeigneten Ort, um sich in einen Fruchtkörper (auch Sporokarp genannt) zu verwandeln, wo die Zellen später ihr individuelles Verhalten wieder aufnehmen. Dieser Artikel konzentriert sich speziell auf die Aggregations- und Migrationsphasen von Dictyostelium discoideum. Wir stellen zwei agentenbasierte Modelle vor, die in Matlab für die erste Ordnung und Python für die zweite Ordnung implementiert sind. Sie zeigen eine Reihe von emergenten Eigenschaften, unter anderem homogene Aggregationsgebiete Größe (erste Ordnung) und Verschmelzung von Schnecken oder neue Eigenschaft als Lichtempfindlichkeit (zweite Ordnung). Zukünftige Arbeiten umfassen die Implementierung und Erprobung von Emergenz erster und zweiter Ordnung in der Schwarmrobotik sowie die Identifizierung von Entwurfsmustern für die Entwicklung von emergentem Verhalten höherer Ordnung in künstlichen Systemen.“ Phonotaxis = die sich nach Schallwellen richtende Ortsbewegung bestimmter Tiere (z. B. die Ultraschallortung bei Fledermäusen) Erstellt von Lea Braun Seite 29 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Bionischer Solarabsorber (Flächenkollektor)  Problem bei herkömmlichen Solarkollektoren: ungleichmäßige Durchströmung oder Druckabfall – dadurch sinkt ihre Energieeffizienz  Lösung: Bionischer Absorber nach Vorbild der Blattaderung Bionischer Vernebler für Einspritzdüsen − Bombardierkäfer haben einen speziellen Sprühmechanismus, mit dem eine Mischung aus Dampf und Giftstoffen gegen Angreifer sprühen: − Grundlage ist eine Art „Explosionskammer“ im Körper, bei der mittels einer chemischen Reaktion Wärme und hoher Druck entstehen (bis zu 100°C). − Bionik-Forschern Novid Beheshti und Andy McIntosh von der Universität Leeds ließen sich inspirieren für die Entwicklung einer neuartigen Verneblungstechnik, die bei Einspritzdüsen von Verbrennungsmotoren verwendet werden kann Faserbasiertes Wassertransportsystem  Forscher der Universität Tübingen und vom ITV Denkendorf:  Kapillarsystem in Textilien transportiert Flüssigkeiten über große Distanzen ohne Pumpe.  Vorbild ist der Transpirationssog bei Lianen Theodosius Dobzhansky  ist einer der bedeutendsten Evolutionsbiologen des 20. Jahrhunderts,  hat gemeinsam mit Ernst Mayr die Genetik und klassische Evolutionstheorie zu einer neuen Synthese verbunden.  Geboren 1900, gestorben 1975  Sein Dogma: „Nichts in der Biologie macht Sinn, außer im Lichte der Evolution“ Evolutionäre Optimierungsstrategien  Schon vor etwa 50 Jahren entwickelten die Professoren Ingo Rechenberg+ und Hans Paul Schwefel ein technisches Optimierungsverfahren nach dem Vorbild der biologischen Evolution  Evolutionsstrategien (ES) sind heuristische Optimierungsverfahren und gehören zu den Evolutionären Algorithmen.  Sie werden für Probleme eingesetzt, für die keine geschlossene Lösung vorliegt und stehen in Konkurrenz zu klassischen Optimierungsstrategien.  Viele biologische, technische und menschliche Prozesse laufen nach einem der biologischen Evolution ähnlichen Prinzip ab. Erstellt von Lea Braun Seite 30 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Evolutionsstrategie 1. Generierung neuer Elemente durch Rekombination und durch Variation vorhandener Elemente oder durch Neuentnahme aus einer Art Bibliothek bzw. Gedächtnis 2. Zusammenbringen dieser Elemente mit einem weiteren Prozess, der letztlich zu einer Auswahl von Elementen führt, indem einzelne Merkmale relativ gefördert und andere relativ geschwächt werden. 3. Es wird also innerhalb der Menge der Elemente als Ganzes eine Differenz, ein Kontrast, eine Auswahl, eine Form erzeugt.  In einem fortlaufenden evolutionären Kreislauf werden die in der Auswahlphase verstärkten Elemente als Grundlage für die Generierung neuer Elemente genommen.  Es entsteht eine sich selbstverstärkende bzw. sich stabilisierende Form  Die Evolutionsstrategie zur Optimierung von Gütekriterien (Selektionskriterium) ist heute eine Standardtechnik.  Gemeinsame Grundlage zur Optimierung ist ein Feedback über den Erfolg einer Veränderung (Mutation).  Das Ziel ist nicht eine möglichst genaue, sondern eine dem Problem angemessene Nachbildung.  Beispiel Evolution des Linsenauges: ES Schritte im Detail i. Initialisierung: Nach einem zufälligen Verfahren wird eine bestimmte Anzahl von Individuen generiert. ii. Selektion: Die Selektion bezeichnet die Methode, nach der ein Elter ausgewählt wird. Bei den Evolutionsstrategien werden die Eltern nach dem Zufallsprinzip ausgewählt - unter denen, die nach der Bewertung, die aktuelle Generation bilden. iii. Rekombination (Vererbung): Die Rekombination ist die Art, nach der aus einem oder mehreren Eltern ein oder mehrere Nachkommen generiert werden. Es gibt verschiedene Arten der Rekombination. Bei der einfachsten Methode wird ein selektierter Elter ohne Rekombination übernommen. Genetischer Algorithmus  GrayBinaryChromosome  Ein Gray code wird verwendet, um binäre Stränge zu erzeugen.  Der Gray-Code ist ein stetiger Code, bei dem sich benachbarte Codewörter nur in einer einzigen binären Ziffer unterscheiden.  Ist ein Kodierungsverfahren zur robusten Übertragung digitaler Größen über analoge Signalwege.  Der Physiker Frank Gray erhielt 1953 das Patent auf dieses Verfahren Erstellt von Lea Braun Seite 31 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Adelie Pinguine als optimierte Strömungskörper  Berliner Biologen und Evolutionstechniker Dr. Rudolf Bannasch:  Hat nach Vorbild der Adelie Pinguine Strömungskörper künstlich evolvieren lassen  Adelie Pinguine haben einen Widerstandsbeiwert (cw Wert) von 0,03  Autos haben einen cw Wert zwischen 0,2 und 0,5  Vorbild für den Bau von Unterwasserfahrzeugen  Kofferfische haben auch geringe Widerstandsbeiwerte Kuriose Lösungen der Natur  Saugnapf-Kopf  Synchronisation der Beinbewegung  Auferstehung einer Pflanze  Kletterroboter  Wassertrinkkäfer  Nesselzellexplosion  Laufen auf dem Wasser Remora hat ein ungewöhnliches Organ Die Schiffshalter sind eine Familie der Stachelmakrelenverwandten. Es sind schlanke Fische, die sich mit Hilfe einer Saugplatte, die sich aus dem Vorderteil der Rückenflosse gebildet hat, rücklings an größere Fische, z. B. Haie oder Meeressäuger, anheften, um sich so mitnehmen zu lassen.  Saughaftung durch weiche Lamellen und Unterdruck Der Sprung der echten Käferzikade (Issus coleoptratus) An der Innenseite der Beine befinden sich Zähne, wenn der Käfer springt, rasten die Zähne quasi zusammen und gleiten mit einer Anzahl von 50.000 Zähnen/Sek unde aneinander vorbei. Somit ist die Beinbewegung synchronisiert. Auferstehungsfarn (Pleopeltis polypodioides) ⬧ Verliert bis zu 95% des Wassers und kann nach Regen wieder auferstehen: ⬧ Unterseite des Farns nimmt viel mehr Wasser auf als die Oberseite, ermöglicht durch Dehydrine (Moleküle die Wasser aufnehmen können). Kletterroboter Vorbild für diesen künstlichen Kletterer ist die Ratte, die sich in engen Schächten und Röhrenhervorragend bewegen kann Klettern nach Gecko Vorbild Erstellt von Lea Braun Seite 32 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Geckotape (siehe oben)  Prof. Dr. Stanislav Gorb wurde in der Ukraine geboren und machte in Westeuropa Karriere:  Haftkraft beruht ausschließlich auf Mikrostrukturen und elektrischen Ladungen  Die zwischenmolekulare van der Waals-Kraft (eine elektrostatische Interaktion) bewirkt eine intermolekulare Anziehung ähnlich der eines Magneten  Milliarden von Nanohärchen am GeckoFuß sind das Geheimnis der außergewöhnlichen Haftkraft. Wassertrink Käfer − Die Elytren sind mit einer hydrophoben Wachsschicht überzogen, die Wasser ähnlich wie bei den Lotusblüten abperlen lässt. − Doch diese Beschichtung allein ist nicht das ganze Geheimnis. Die kleinen Beulen, sind wachsfrei und damit hydrophil. − Diese “Beulen” dienen damit als Saatpunkte für die wachsenden Wassertropfen, die zur Mundöffnung rollen und vom Käfer aufgenommen werden. − Dieses Konzept kann mit vorhandenen technischen Mitteln großtechnisch kopiert werden und zum Wassersammeln in trockenen Regionen eingesetzt werden – eine bucklige Textur kann Nebel 2,5 mal besser aufnehmen! Nesselzellexplosion bei Nesseltieren Schnelle Entladung z. B. der Stenothelen gab der Wissenschaft lang ein Rätsel auf, denn nur durch Überdruck kann die Bewegung nicht so schnell sein. Des Rätsel Lösung ist die Coulombexplosion:In einer schussbereiten Nesselkapsel herrscht ein niedriger pH-Wert und daher sind die PolyGlutaminsäure-Moleküle entladen und dicht gepackt. Das Auslösen der Entladung lässt den Protonengradienten zum Zytoplasma der Nesselzelle zusammenbrechen Protonen verlassen die Kapsel. Dadurch sind die Säuregruppen der Poly- Glutaminsäuren gleichzeitig und schlagartig geladen, sie stoßen sich ab. Der Prozess ist deshalb so extrem schnell, weil die Protonen sich im Wasser viel schneller bewegen als andere Ionen (es wird nur die Ladung transportiert) und weil ein Protonen-Konzentrationsgefälle von mehreren Zehnerpotenzen zwischen dem Zytoplasma der Nesselzelle und dem Inneren der Kapsel existiert. Der hohe Innendruck ist also nicht permanent vorhanden, sondern wird erst im Moment des Auslösens erzeugt. Erstellt von Lea Braun Seite 33 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Robostrider ein bionischer Wasserläufer o künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge o entwickelt von B. Chan, D. Hu Warum sinkt der Robostrider nicht? o Beinhaare mit Nanohärchen: o Erzeugen eine wasserunterstüzende Kraft von ca. 15 mal des Körpergewichts o Robostrider hat Nano-Rillen, die eine noch größere Kraft erzeugen Eötvös Zahl = Bond-Zahl Moskitobeine  Schuppen an den Beinen und Nanorillenverhindern, dass die Moskitoweibchenbei der Eiablage im Wasser versinken.  Nanostruktur der Beine erzeugen einen Kontaktwinkel von 150°  Erzeugt eine wasserunterstüzende Kraft von 23 mal des Körpergewichtes.# Photonische Kristalle – Pigmentierte Coloration Pfauenspinne ❖ Spinne ist nicht gefärbt: 3D-Kontur mit nanoskaligen Beugungsgitterstrukturen ❖ Anwendung: kleinere optische Systeme werden dadurch möglich. Erstellt von Lea Braun Seite 34 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Das schwärzeste Schwarz des Tierreiches - Wahnesparadiesvogel (Parotia wahnesi)  Federn sehen aus wie langgezogene Eichenblätter, die an den Ausbuchtungen noch längere Fortsätze tragen  Nanostrukturen schlucken Licht besser als Nanoröhrchen  Dunkler als Schlangenschuppen und Schmetterlingsflügelschuppen Wüstenameise - Cataglyphis sp.  Die „Silberameisen“ reflektieren das Sonnenlicht in der Wüste über dreiecksförmige Schuppen, die zu einer Totalreflektion der Lichtstrahlen führen.  Schutz vor Hitze! Kybernetik und biologische Forschung  Der Ausdruck ist hergeleitet von dem griechischen Wort „χνβερνήτης“ für den Steuermann eines Schiffes, den Schiffsherrn oder — übertragen — der Lenker eines Staates.  Kybernetik ist also nach dem Wortsinn die Wissenschaft vom Steuern.  Die grundlegenden Bücher über Kybernetik und Informationstheorie von NORBERT WIENER und CLAUDE E. Shannon erschienen 1948 und 1949.  Kybernetik ist also nach ihrem Begründer Norbert Wiener die Wissenschaft der Steuerung und Regelung von Maschinen und deren Analogie zur Handlungsweise von lebenden Organismen und sozialen Organisationen. Sie wurde auch mit der Formel „die Kunst des Steuerns“ beschrieben.  Seit 1956 ist eine ganze Reihe von Sammlungen von Aufsätzen, meist nach Kongressvorträgen, erschienen, die in Ihrer Gesamtheit das bisherige Wissensgut der biologischen Kybernetik ziemlich vollständig enthalten.  1961 wurde die Zeitschrift „Kybernetik“ begründet, in welcher seinerzeit die meisten wichtigeren Arbeiten dieses Gebietes veröffentlicht wurden.  Es existiert eine deutsche Gesellschaft für Kybernetik und das amerikanische Pendant “American Society for Cyber netics”. Erstellt von Lea Braun Seite 35 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Entropie und Kybernetik  Das Maß der Wahrscheinlichkeit heißt Entropie.  Zweites Gesetz der Thermodynamik: Natürliche Prozesse streben einen Zustand der Unordnung oder Chaos an. Dieser Fall tritt ein, wenn keine Unterstützung oder Steuerung erfolgt. Deshalb ist nach den Prinzipien der Kybernetik Ordnung (Verringerung der Entropie) am unwahrscheinlichsten und Chaos (erhöhte Entropie) am wahrscheinlichsten.  Darum sind zum zielgerichteten Verhalten von Menschen und Maschinen Steuerungsmechanismen notwendig, die die Ordnung optimieren, indem sie dem natürlichen Streben zur Unordnung entgegenwirken. Kybernetik, ein überholter Begriff ❖ Der Ausdruck Kybernetik bezeichnet heute nur noch selten ein eigenständiges Forschungsgebiet. Die meisten Forschungsaktivitäten in diesem Bereich konzentrieren sich gegenwärtig auf die Physiologie und die Untersuchung und den Aufbau künstlicher neuronaler Netze. ❖ Die Informationstheorie befasst sich: ❖ mit den mathematischen Gesetzen der Übertragung und Verarbeitung von Informationen ❖ das Messen von Information, der Darstellung von Information (z. B. Codierung) ❖ Erforschung der Leistungsfähigkeit von Kommunikationssystemen bei der Informationsübertragung und -verarbeitung. ❖ Codierung bezieht sich hier auf: ❖ die Übertragung von Sprache oder Bildern in elektrische oder elektromagnetische Signale ❖ das Verschlüsseln von Nachrichten aus Gründen der Geheimhaltung. Der Begriff „Signal“ Signale sind gekennzeichnet durch zwei Klassen von Eigenschaften: i. die physikalischen oder chemischen Eigenschaften des isoliert betrachteten Signalvorgangs, also die Schallwellen bei akustischen, die Lichtwellen bei optischen Signalen; Erstellt von Lea Braun Seite 36 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! ii. die „Bedeutung“ des Signals, d. h. sein Verhältnis zu denjenigen Gegebenheiten, mit welchen es auf der Sender- oder Empfängerseite in Verbindung steht. Diese zweite Klasse von Eigenschaften ist für den Signalcharakter entscheidend. Einem Signal als isolierten Faktum kann man seine Bedeutung nicht ansehen! erst die Kenntnis der Vorgänge am Sender und am Empfänger lässt sie erkennen. ,,Bedeutung“ heißt dabei, dass das Signal bestimmte Gegebenheiten der Senderseite oder Kommandos für den Empfänger „repräsentiert“. Daher immer Signal und Information des Signals trennen!!! Biologisches Signal → Im biologischen Sinn versteht man unter einem Signal jedes Merkmal bzw. jede Verhaltensäußerung, mit der ein Individuum ein anderes Individuum oder sich selbst beeinflusst. Der Code  Morsealphabet  genetischer Code  Binärcode (binäre Zeichen) Der„Code“ ist ein Ausdruck für die Gesamtheit der Symbole, die in einem bestimmten Zusammenhang, z. B. in einem bestimmten Übertragungsvorgang für Nachrichten, zur Verfügung stehen.Man kann Meldungen ohne Verlust an Information aus einem in einen anderen Code übersetzen, z. B. von Buchstabenschrift in Morsezeichen. Dies nennt sich Transcodieren:Zwei solche Umcodierungen im biologischen Bereich sind die Transkription (DNS — mRNS) und die Translation (mRNS —> Aminosäuren-Kette des zu ynthetisierenden Polypeptids oder Proteins). Informationsgehalt einer Nachricht  Wenn Nachrichten in einer beliebigen Kombination aus 26 Buchstaben des deutschen Alphabets, dem Leerraum und fünf Satzzeichen übertragen werden und wenn man annimmt, dass die Wahrscheinlichkeit jeder Nachricht gleich ist, dann ist die Entropie H = ld 32 = 5.  Das bedeutet, dass fünf Bits zur Codierung jedes Zeichens oder jeder Nachricht notwendig sind: 00000, 00001, 00010... 11111.  Formel für die Gesamtentropie H = ld N wobei N die Anzahl der möglichen Nachrichten in der Menge ist und ld der duale Logarithmus Systemtheorie  Systemtheorie, uneinheitlich verwendeter Begriff für theoretische Ansätze in den Natur- und Sozialwissenschaften, die die strukturellen Eigenschaften und funktionalen Leistungen von natürlichen, sozialen oder technischen Systemen zu beschreiben und erklären versuchen.  Gelegentlich wird Systemtheorie als Teilgebiet der allgemeinen Kybernetik definiert. Erstellt von Lea Braun Seite 37 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Regelungstechnik  Begriffe: Selbsttätige Regelung, Selbststeuerung, negative Rückkoppelung  negatives feedback: „Rückkopplung“ (feedback): wenn ein Zustand oder Vorgang Wirkungen ausübt, die ihn selbst auf einem gesonderten Funktionsweg rückwirkend wieder beeinflussen.  „negative Rückkopplung“ oder Regelung, wenn Änderungen eines Zustands oder Vorgangs automatisch gerade solche Rückwirkungen auslösen, die den auslösenden Änderungen entgegengesetzt sind. Homöostase  Durch negatives feedback werden im Idealfall etwaige Abweichungen der geregelten Größe zu Null kompensiert, und zwar ohne das Eingreifen einer nicht zum Regelmechanismus gehörigen Instanz, also „selbsttätig“ (‚‚automatisch“).  Dadurch wird diese Größe gegen ändernde Außenei nflüsse konstant gehalten Regelkreis Erstellt von Lea Braun Seite 38 von 39 Farbig markiert = Beispiel für Bionik bzw. bionisches Vorbild! Beispiele für Regelungen (1) Integralregler: Atmung: Aufsummierung der Impulse des Inspirationszentrums führt schließlich zur Aktivierung des Exspirationszentrums (2) Proportionalregler: Pupillenreaktion: o Die jeweils von der Netzhaut empfangene Lichtmenge bestimmt den Öffnungsgrad der Pupille, nicht die Änderungsgeschwindigkeit der Pupillenweite. o Die Pupillenreaktion kompensiert daher bei Sprüngen von einer Helligkeit zu einer höheren oder niedrigeren nicht 100, sondern nur etwa 50% der Helligkeitsänderung = Proportionalabweichung o Totzeit: Die Zeitdauer zwischen einem Lichtreiz und dem Beginn der Reaktion ist rund 200 msec. Effektive Blendung ✓ Bei Lichtreizen zwischen ca. 1 bis 2 Hz kommt es zu einer 7fach helleren Wahrnehmung wegen der Totzeit der Pupillenreaktion. ✓ Eine gepulste Taschenlampe könnte Einbrecher gleich gut blenden als eine 7fach Hellere mit Dauerlicht. Beispiele für Regelkreise Pupillenreaktion Muskelspindelreaktion (Stützmotorik) Willkürbewegungen Durch die folgenden fünf Beispiele wird gezeigt, wie mehrere Regelkreise ineinandergreifen können: Durchblutungsregulation Durchblutungsautoregulation Herzfunktionsregulation Thermoregulation Orientierung Erstellt von Lea Braun Seite 39 von 39