Bionik - erfurter-technologiedialog.de · • Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik • Bionik versus Biotechnologie • Teilbereiche der Bionik • Selbstorganisation - eine

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Thomas Speck & Tom Masselter

Funktionelle Morphologie & BionikBotanischer Garten der Universität Freiburg

Freiburger Materialforschungszentrum &Freiburger Institut für bioinspirierte Materialien Kompetenznetze Biomimetik und BIOKON e.V.

BionikLernen vonder Natur

Natürliche und technische Lebenswelt: ein Gegensatz ?

Physikalische Randbedingungen sind für biologischeund für technische Konstruktionen identisch.©

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Biologen analysieren die inder Evolution durch zufällige Prozesse entstandenen biologischen Strukturen, die aber dennoch im Rahmen derSelektion hochgradig undmeist multifunktional adaptiert undoptimiertsind.

Ingenieure arbeiten zielgerichtet .

Technische Konstruktionen werden meist auf eine oder

wenige Funktionen hin optimiert.

© Wissen Media-Verlag: Spektrum Bionik

• Einführung und Begriffsdefinitionen• Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik• Bionik versus Biotechnologie

• Teilbereiche der Bionik• Selbstorganisation - eine zentrale Self-X-Eigen-

schaft für die Entstehung biologischer Materialien• Beispiele für bionische Self-X-Materialien

• Selbstadaptives Haften, Kleben und Antihaften• Selbstreparierende Materialien• Selbstadaptive Formgebung

• Strukturoptimierte bionische Leichtbau-Materialien• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde

• Biodiversität und Bionik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Bionik

© Plant Biomechanics Group Freiburg

Bionik – oder was die Technik von der Natur lernen kann







Was ist Bionik ?Bionik oder Biomimetik ?


Bionik: zusammengesetzt aus Biologie und Technikerstmals verwendet 1960 von Jack E. Steele (bionics)

Bionik (im deutschsprachigen Raum) entspricht Biomimetics, Biomimikry, Biomimesis, bio-inspired

Bionik: Bionik verbindet in interdisziplinärer ZusammenarbeitBiologie und Technik mit dem Ziel durch Abstraktion,Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die anbiologischen Vorbildern gewonnen werden, technischeFragestellungen zu lösen. (VDI-Richtlinie 6220, 2012)

Keine direkte Übertragung, sondern ein kreativesUmsetzen in die Technik, d.h. ein durch die Naturangeregtes „Neuerfinden“.

Umsetzung in die Technik in der Regel über mehrereAbstraktions- und Modifikationsschritte.

Zusammenhang und Wirkungsgefügevon Technischer Biologie & Bionik


Quantitative Analyse biologischer Strukturenund Funktionen mit

Methoden der Ingenieur‐wissenschaften und Physik

Verbessertes Verständnis von biologischen

Strukturenund Funktionen

Erfolgreiche Übertragung von Funktionsprinzipien

und Entwicklung innovativer technischer

Produkte nach dem Vorbild der Natur

Geschlossene heuristische Spirale,die Technische Biologie, Bionikund Reverse Bionik verbindet.

Kontinuierlicher Wissens‐zuwachs in Biologie und Bionik©

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Zusätzlicher Aspektmoderner Bionik:

„Going beyond Biology“

Technische Biologie









Bionik / Biomimetik: Lebewesen dienen als Ideengeber für technische Umsetzungen, sind aber nicht in die Herstellung bionischer Produkte eingebunden.

Molekulare Bionik: eine Kombination von Bionik und Biotechnologie

Biotechnologie (Biotechnik):Eindeutig mit mikro- und molekularbiologischensowie biochemischen Inhalten belegt.Nutzung von Lebewesen für die Produktion der gewünschten Stoffe oder den Abbauunerwünschter Substanzen.

Molekulare Bionik: Kombiniert beide Ansätze entweder in paralleleroder in sequentieller Weise.


Technische Spinnenseide:Sequentielle Abfolge von biotechnologischen und bionischen Methoden in einem FuE-Projekt.

Molekulare Bionik: Technische Spinnen-seide ein Material mit hohem Potential

Araneus diadematus(Gartenkreuzspinne)

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BionischerSpinnapparat

Biotechnolo-gisches

Spinnenseide-protein









Teilbereiche der Bionik: eine Erfolgsgeschichte

mit vielen Facetten

© Plant Biomechanics Group Freiburg & verschiedene Quellen

Teilbereiche der Bionik

© Schroedel Verlag & Plant Biomechanics Group Freiburg

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Biomimetische Hybrid-Materialienauf Polymer-Kristall-Basis

Biologisches Vorbild:Perlmutt in Abaloneschale

Bruchfläche von Perlmutt mitStapeln von Aragonitplättchen

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Calcit-Einkristall

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Calcit-Einkristall durch Selbstorganisationsprozesse

gewachsen durch eine nanoporöse Polymerschicht

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tBiomimetische Hybrid-Materialien auf

der Basis von Polymer-Kristall-Laminaten



Biologisches Vorbild: Blattoberflächen

Nicht selbstreinigendeglatte Oberfläche

SelbstreinigendeOberfläche:Lotus-Effect®

Selbstreinigende Oberflächen nachdem Vorbild von Pflanzenblättern

Wilhelm Barthlott & Christoph Neinhuis

Selbstreinigende OberflächenLotus-Effect®

© W. Barthlott, Nees Institut Univ. Bonn

Selbstreinigende Oberflächen: Lotus-Effect®

© Nees-Institut Universität Bonn und Plant Biomechanics Group Freiburg

Selbstreinigende Fassadenfarbe

Lotosan®

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GLotus-Effect®: Blockbuster mit zahlreichen Nebeninnovationen

Selbstreinigende Gläser (z.B. bei LKW-Mautsystem) und selbstreinigende Metalle

Fa. Rhenotherm &BWB Flugzeuggalvanik

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Mercedes Bionic Car: Ein bionisches Konzeptfahrzeug

© Mercedes-Benz / Daimler AG

Biologisches Vorbild: Kofferfisch

• niedriger cw-Wert (0,19)• geringer Benzinver-

brauch (4,3l / 100 km)• Leichtbau• hohe Stabilität

Vom Schwimmen lernen fürs Fahren:Mercedes Bionic Car



Holk Kruse & Josef Schmitz

Bionische Roboter nach demVorbild von Insekten

© J. Schmitz, Universität Bilefeld

Biologisches Vorbild: Stabheuschrecke

(Carausius morosus)

• Modularer Aufbau und dezentrale Steuerungder sechs Beine

• Statisch stabile Gangart: sechs- und mehrbeinige Tiere - Stabilität auch bei Stand

• Dynamisch stabile Gangart: Vier- & Zweibeiner- hohe Stabilität nur bei Bewegung

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Sechs-beinige Laufroboter nachdem Vorbild der Stabheuschrecke



„Sweep Spread Carrier“ Ultraschallmodem (S2C)

Evologics GmbH

© R Bannasch / Evologics GmbH

• Sweep Spread Carrier: Ein Trägersignal (Carrier), dasdie ganze verfügbare Frequenzbreite (Spread) nutzt und dabei die Tonhöhe kontinuierlich ändert (Sweep)

• Unterwasserkommunikation und Datenüber-tragung (z.B. Rohstoffdetektion, Kabel- undLeitungsüberwachung, Tsunami-Frühwarnsysteme)

Biologisches Vorbild: Delfine

Neuartige Sensorsysteme nachdem Vorbild von Delfinen



Technische Umsetzung:Computerprogramme CAO, SKOBeispiel orthopädische Schraube

Claus Mattheck (KIT)

Form- & Gewichtsoptimierungnach dem Vorbild vonBäumen und Knochen

Biologisches Vorbild: Bäume und Knochen

Maschinenbauteile wachsen wie Bäume und optimieren wie Knochen

Methode der Zugdreiecke:

Vereinfachung der technischen UmsetzungFormoptimierte Leichtbaukonstruktionenmit Geodreick und Zirkel

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Deckenkonstruktion desChemie-Rundbaus der

Universität Freiburg

© Universitätsbauamt Freiburg / Plant Biomechanics Group Freiburg

• Leichtbau• Ressourcenschonung durch

geringeren Materialverbrauch• optimierte Lastverteilung• hohe Stabilität

Biologisches Vorbild: Knochenbälkchen im

Oberschenkel von Säugern

Leichtbau-Architektur nach dem Vorbildder Knochenbälkchen im Knochen









Selbstorganisationin Biologie und Technik

Eigenschaften selbstorganisierter Systeme: Systementwicklung, bei der formgebende, gestaltende & beschränkende Einflüsse vom System selbst ausgehen.(1) Komplexität, (2) Selbstreferenz, (3) Redundanz & (4) Autonomie

Definition nach Lexikon der Biologie Bd 12, 2003

Selbstorganisation in Biologie und Technik: Spontane Strukturbildung in nichtlinearen dynamischen Systemen.

Durch Selbstorganisation entstehenzeitlich, räumlich oder funktionalgeordnete Strukturen. © Uwe Kils

Selbstorganisation bei biologischen Materialien:Bei geeigneten Umweltbedingungen, spontan aufgrund der Molekül-eigenschaften (ohne Wirkung äußerer Faktoren) erfolgende Bildung komplexer Strukturen bei: Makromolekülen, Zellen, Zellverbänden …

Biologische ‘Produkherstellung’: genetisch kontrollierte Selbstorganisation

Molekül Organell Zelle Gewebe Organ Lebewesen


Wenige (leichte) gut zugängliche C, H, O, N, S,Elemente dominieren: Ca, P, Si ...

Biologische Strukturen basieren auf Hierarchien sowieGrenz- und Oberflächen auf allen Größenbereichen

Konstruieren vom Kleinen zum Großen:Komplexitätszunahme durch hierarchisches Wachsen

Konstruieren vom Großen zum Kleinen: kein hierarchischen Produktaufbau

© ITV Denkendorf

„Traditionelle“ technische Produktherstellung Werkstück-Rohling aus einem Material Sägen, Stanzen,Schneiden, Spänen, Fräsen etc. Endpodukt

Materialorientiertes Konstruieren unter Verwendung vieler ver-schiedener (schwerer) Elemente & oft bei hohen Temperaturen

Entstehung und Eigenschaften biologischer Materialien und Strukturen

P. Fratzl & R. Weinkammer (2007) Prog. Mater. Sci. 52, 1263-1334.

T. Speck & O. Speck (2009)TEC 21, 37/38: 18 – 21.

Biologische ‘Produkherstellung’: genetisch kontrollierte Selbstorganisation

Molekül Organell Zelle Gewebe Organ Lebewesen


Biologische Strukturen sind adaptiv & multifunktional:Anpassungsfähigkeit an (variable) Umweltbedingungen

Hohe Schadenstoleranz und Selbstreparaturvermögen

Evolutionäre Randbedingungen müssen berücksichtigtwerden, um den Form-Struktur-Funktions-Zusammenhang‘biologischer Konstrukte’ im Detail zu verstehen

Entstehung und Eigenschaften biologischer Materialien und Strukturen

P. Fratzl & R. Weinkammer (2007) Prog. Mater. Sci. 52, 1263-1334.

T. Speck & O. Speck (2009)TEC 21, 37/38: 18 – 21.









Hedera helix: Habitus und Haftwurzeln mit Wurzelhaaren

hierarchischeStrukturierung

Adaptive Selbstverankerungnach dem Prinzip Efeuwurzel

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Kooperationsprojekt FMF, PBMG-FR & Karlsruher Institut für Technologie

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Hedera helix: Anhaftungsvorgang auf der Ebene der Wurzelhaare

Eintrocknungsvorgang: Seitenansicht

Zellulosemikrofibrillenorientierung entlang eines Wurzelhaares

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Efeu (Hedera helix):Anhaftung auf einerrauhen Oberflächen

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Frisches Wurzelhaar

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Ziele:(1) Verständnis der mechanischen Wechsel-wirkung an organisch/anorganischen Grenz-flächen von der Makro- bis zur Nanoebene(2) Entwicklung (selbst-)adaptiver bionischerHaftstrukturen und Klebeverbindungen(3) „Going beyond Biology“: Klebeverbindun-gen mit bond/debond-Eigenschaften, Farb-indikation von aktueller Haftkraft&Fehlstellen

Weitere Ideengeber: Haftpads und Klebsub-stanzen des Wilden Weins (Parthenocissus)


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Die Kutikula ermöglichtPflanzen das Überleben

in verschiedenenHabitaten

Epidermis & Kutikula: Grenzflächezwischen Pflanzen und Umwelt

Bionische Antihaft-Oberflächen nach dem Vorbild von Blattoberflächen

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Ilex aquifolium

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Ebene I: Strukturierung auf Zellebene: Zellform

Hierarchische Strukturierungsebenenpflanzlicher Oberflächen

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Ebene II: Mikro- und Nanostrukturierung(Kutikularfalten, Wachskristalle)

Messgerät zur Analyse der Lauf-Reibungskräfte

Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Univ. Kiel/MPI Stuttgart & TU Dresden

Wechselwirkung zwischen hierar-chisch strukturierten Oberflächen

Tarsus Klauen und ver-schiedenen Haartypen

Blattoberfläche mitverschiedenen Zell-formen,

Kutikularfalten und/oder Wachskristallen


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Messungen von Lauf-Reibungskräften

Kartoffelkäfer auf Glasoberfläche


Kartoffelkäfer auf Blattoberfläche Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Univ. Kiel/MPI Stuttgart & TU Dresden

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KutikularfaltenHöhe: ca. 0,5 µmBreite: ca. 0,5 µmAbstand: 0,5 – 1,5 µm

Glatte Glas-oberfläche

(44,4 ± 6,8 mN)

Lauf-Reibungskräfte - Absolutwerte: glatte Oberflächen mit unterschiedlicher Strukturierung


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plan mitmittel-hohen Kutikularfalten


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Konvexe Zellen (Strukturebene I)

Epikutikulare Wachse (Strukturebene II) Kutikularfalten (Strukturiebene II)

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Kartoffelkäfer auf künstlicher Oberfläche

Messungen von Lauf-Reibungskräften


Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Univ. Kiel/MPI Stuttgart & TU Dresden

Künstliche Oberfläche: Replikat der abaxialen Blattoberfläche

von Litchi chinensis

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plan + WachskrusteMagnolia grandiflora

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plan + WachskrusteIlex aquifolium

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kleine KutikularfaltenLitchi chinensis

(adaxial)

mittlere KutikularfaltenHevea brasiliensis

(adaxial)

mittlere KutikularfaltenCyclamen persicum

(flower)

hohe KutikularfaltenHevea brasiliensis

(abaxial)

hierachische OberflächeMit KutikularfaltenLitchi chinensis

(abaxial)

3D-epikutikulareWachskristalleDiospyros kaki

(fruit)


Oberflächenstruktur (SEM) und Benetzbarkeit

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Andere Tensairity®-Projekte

Parkhaus, Montreux (Schweiz), Luscher Architectes SA

Tensairity®-Autobrücke8m Spannweite, 3.5 Tonnen Nutzlast

Zusammenarbeit mit EMPA Dübendorf und Industriepartnern: prospective concepts ag

© prospective concepts ag

Prozess des bionischen Arbeitens„Top-Down-Prozess“ - Technology Pull

Förderung: BMBF-Ideenwettbewerb Bionik & Innovationen als Schlüssel für NachhaltigkeitPartner: PBMG & Makromolekulare Chemie Univ. Freiburg, EMPA Dübendorf

Biologisches Vorbild Liane:Rissreparatur

Querschnitt durchzweijährige Achse

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Lianen der Gattung Aristolochia(Pfeifenwinde)

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Frühe Phase Rissreparatur

Späte Phase Rissreparatur

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Innere Schaumschicht aus unter Druck stehenden Zellen: bionische Umsetzung

der Selbstreparatur bei Pflanzen

Äußere faserverstärkte Membrander pneumatischen Struktur

Unter Druck stehende Innenseite einerpneumatischen Struktur

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Luftausstrom

VersiegeltesLoch

Funktionsmodell für eine selbstreparierende Membran

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gSelbstreparierende bionischeMembranen für Pneusysteme

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Mit unter 1 bis 2 bar Überdruck polymerisierten geschlossenporigen

Polyurthanschäumen kann derLuftausstrom bei Löchern bis zu

5mm Durchmesser um das mehr als 1000fache verlangsamt werden.

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Funktionsweise selbstreparierender Membranen

Unbeschichtete Membran Beschichteteselbstreparierende Membran

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Membran mitselbstreparierender,bionischer Schaum-

beschichtungPneumatische

Sitzmöbel

Architektur: Pneumatische Bauten& Bauten mit Membranstrukturen

Pneumatische & gasgefüllte Luft- und Wasserfahrzeuge

© Plant Biomechanics Group Freiburg& prospective concepts ag

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Membranstrukturen fürBehälter und als Hüllen

Einsatzbereiche

© Flexible Containment Products

Selbstreparierende bionischeMembranen für Pneusysteme









Wandelbarer Leichtbau: Biegsame Flächen-tragwerke - Bionik inspiriert von Blüten

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Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart&ITV Denkendorf

Biologisches Vorbild

Deformierung der ‚Sitzstange‘unterder Last des Bestäubers

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Paradies-vogelblume(Strelitziareginae)

© Rouslou Korts

1. Abstraktionsschritt: Physikalisches Modell

Funktionsmodelle für Fassadenverschattung

3. Abstraktionsschritt Simulation (FEM)

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Simulation & Prototyp Fassadenverschattung: Lamellen verformen sich aktuiert oder autonom

Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart&ITV Denkendorf

Clauss Markisen

Wandelbarer Leichtbau: Biegsame Flächen-tragwerke - Bionik inspiriert von Blüten

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© Architekturbüro soma, Wien

© ITKE Universität Stuttgart

Themen-Pavillon auf derWeltausstellung 2012 (Yeosu, Süd-Korea)

Architekturbüro soma (Wien) und Ingenieurbüro Knippers Helbig (Stuttgart)

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© ITV Denkendorf

Prozess des bionischen Arbeitens„Bottom-Up-Prozess“ - Biology Push

Förderung: BMBF-Ideenwettbewerb BionikPartner: MPI Potsdam, PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, Univ. Bayreuth

Pfahlrohr (Arundo donax), ca. 4m hoher Bestand

Biologische Vorbilder: Pfahlrohr, Bambus

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Für bionische Umsetzungen interessantestrukturelle und mechanische Eigenschaften:• Optimierter Faserverlauf und Faserverteilung• Gradueller Übergang zwischen Fasern und Matrix• Strukturoptimierung auf mind. 5 hierarchischen Ebenen• Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit

und einem gutmütigen Bruchverhalten

© ITV DenkendorfKooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth

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Struktur- und gewichtsoptimierte Faserver-bundmaterialien mit Gradientenaufbau

Ziel sind gewichts- undstrukturoptimierte Faser-verbundmaterialien mitGradientenaufbau und:• guter Schwingungsdämpfung• dauerhaft hoher dynamischer

Belastbarkeit• gutmütigem Bruchverhalten

Produktion durch neueTechniken:• 3D-Flechttechnik• Pultrusionsverfahren

Der Technische Pflanzenhalm (mitte), ein patentiertes strukturoptimiertes Pultrusions-produkt und zwei der biologischen Vorbilder, Pfahlrohr (links) und Schachtelhalm (rechts)

© ITV Denkendorf

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© ITV DenkendorfKooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, Univ. Bayreuth

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© ITV Denkendorf

Flechtpultrusions-Anlage ITV Denkendorf

Struktur‐ und gewichtsoptimierte Faserver‐bundmaterialien mit Gradientenaufbau

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© Holländisches Fernsehen

Flechtpultrusion beim ITV DenkendorfM

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© ITV DenkendorfKooperationsprojekt: PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, TU Dresden, ILK Dresden

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© Plant Biomechanics Group Freiburg & ITV Denkendorf

Verzweigungen von Pflanzenstämmen: Ideengeber für verzweigte Faserverbünde

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© ITV Denkendorf

Patentiertesgewichts- und

strukturoptimiertesEndprodukt

(technischer Pflanzenhalm)

Luft- & Raumfahrttechnik(Rumpf- & Flügelbau)

Automobilbau und Fahrzeugbau

Sportartikel

Architektur & Gerätebau © Plant Biomechanics Group Freiburg

Medizintechnik (Prothetik)

Einsatzbereiche










Biodiversität ein erst Ansätzen genutzter ‘Ideenpool’ für bionische Entwicklungen

1,5 - 30 Millionen Tierarten0,1 - 1,5 Millionen Pilz- & Flechtenarten0,4 - 1,5 Millionen Pflanzenarten0,05 - 2,5 Millionen Bakterien & Cyanobakterien

© Plant Biomechanics Group Freiburg, W. Barthlott Bonn, S. Gorb Stuttgart & Stiftung Brandenburger Tor

Keine bionischen Projekte und Produkteohne Grundlagenforschung im Bereich der

Biologie, Ingenieur- und Materialwissenschaften!


Es rentiert in jedem Falle „sich auf Bionik einzulassen“.

Dies gilt insbesondere für Forschung sowie Produkt- und Technologieentwicklung

aber auch für die Lehre an Hochschulen und Schulen sowie für die außerschulische Bildung.

Man muss sich aber dessen bewusst sein,dass Bionik kein „Allheilmittel“ und keine „grüne

Alternative“ zur traditionellen Technik darstellt.

Die Artenvielfalt ist die Grundlage der Bionik.

Was kann Bionik leisten?

Bionik: Der Traum von der Natur zu lernen wird Realität

Ökopark Hartberg

„Der menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen (…), doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner,

ökonomischer oder geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts und ist nichts zu viel.“

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Leonardo da Vinci(1452-1519)

Bionik ist die Zukunft der Innovation!

Danksagung

Plant Biomechanics Group – Botanischer Garten der Universität Freiburgwww.botanischer‐garten.uni‐freiburg.de

Kompetenznetz ‚Biomimetik‘ Baden‐Württemberg (MWK‐BW)www.kompetenznetz‐biomimetik.de

BIOKON e.V & BIOKON international – The Biomimetic Association (BIONA‐BMBF)www.biokon.net & www.biokon‐international.net

Bildung und Lehre in Bionikwww.bionik‐online.de www.bionik‐vitrine.de www.bionik‐blog.de

5 Arbeitsgruppenleiter/innen, 10 Doktoranden/ innen, 10 Diplom-, Staatsexamens- und Bachelor-Kandidaten/innen, 5 Techn. Mitarbeiter/innen, 12

Gärtnerische Mitarbeiter/innen

5 Arbeitsgruppenleiter/innen, 10 Doktoranden/ innen, 10 Diplom-, Staatsexamens- und Bachelor-Kandidaten/innen, 5 Techn. Mitarbeiter/innen, 12

Gärtnerische Mitarbeiter/innen

Documents

Bionik - erfurter-technologiedialog.de · • Bionik - Technische Biologie - Reverse Bionik • Bionik versus Biotechnologie • Teilbereiche der Bionik • Selbstorganisation - eine