Bionics

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk
Vinger for flygende maskiner
(Tegning av Leonardo da Vinci )

Bionikk (også biomimikk , biomimetikk eller biomimetikk ; et ord i sekken fra biologi og teknologi ) omhandler overføring av naturfenomener til teknologi. Et velkjent eksempel fra historien er Leonardo da Vincis idé om å overføre fugleturen til flygende maskiner. Et eksempel fra det moderne livet er bjørnehorn inspirert borrelås . Bionics er basert på antagelsen om at levende natur utvikler optimaliserte strukturer og prosesser gjennom evolusjonære prosesser, som mennesker kan lære av. [1]

Som et tverrfaglig forskningsfelt tiltrekker bionikk seg naturforskere, ingeniører, arkitekter, filosofer og designere. Bionics handler om systematisk anerkjennelse av løsninger fra levende natur; den skiller seg dermed fra formålsløs naturinspirasjon. Målet deres er alltid et teknisk objekt eller en prosess som er atskilt fra naturen, hvorved bionikk skiller seg fra vitenskaper som bruker og utvider biologiske prosesser, for eksempel bioinformatikk , biofysikk og biokjemi . Bionics gir viktige bidrag til prosessen med biologisering .

Definisjoner

Bionikk ved å bruke eksempelet på luftfart

En av grunnleggerne av bionics, Werner Nachtigall , definerte begrepet som følger:

“Bionics som vitenskapelig disiplin omhandler systematisk teknisk implementering og anvendelse av konstruksjoner, prosesser og utviklingsprinsipper for biologiske systemer. Dette inkluderer også aspekter ved samspillet mellom levende og livløse deler og systemer, samt økonomisk-teknisk anvendelse av biologiske organisasjonskriterier. " [2]

Den første setningen i definisjonen faller sammen med den i VDI - dette beskriver bionikk som følger:

"Bionics forstås som forsknings- og utviklingsmetoder som forfølger en teknisk applikasjonsinteresse, og i søket etter problemløsninger, oppfinnelser og innovasjoner, trekke på kunnskap fra analyse av levende systemer og overføre denne kunnskapen til tekniske systemer. Ideen om å overføre fra biologi til teknologi er det sentrale elementet i bionikk. " [3]

Konseptdannelse og historie

Steinhuder Pike som en ubåtmal

Det engelske begrepet bionics ble først introdusert av det amerikanske luftvåpenets major Jack E. Steele i 1960 på en konferanse under ledelse av Heinz von Foerster ved Wright -Patterson Air Force Base i Dayton , Ohio : 'Bionics Symposium: Living Prototypes - The Key til ny teknologi '. JE Steele, en nevrolog i militærtjeneste, stammer begrepet fra den greske stammen "bios" (liv) og endelsen "-onikk" som betyr "studie av". Det tyske ordet bionikk er en kombinasjon av biologi og teknologi .

I den engelsktalende verden er betydningen av bionisk stort sett begrenset til konstruksjon av kroppsdeler eller - mer generelt - en kombinasjon av biologi og elektronikk (også i forbindelse med ideen om cyborg ). Det som omtales som bionikk i tysktalende land, tilsvarer mer begrepet biomimetikk eller biomimikk på engelsk. Siden mange forfattere er klar over de språklige problemene, brukes de to begrepene bionikk og biomimetikk nå ofte synonymt .

Som en historisk pioner innen bionikk ledet den italienske oppfinneren Leonardo da Vinci for det meste i 1505 i sitt manuskript over fugleflukt analyserte fuglens flukt og prøvde å overføre sin kunnskap i flygende maskiner. Den første tyske patent innen bionics ble gitt til Raoul Heinrich Frankrike i 1920 for en “ny spreder” modellert på en valmuefrø kapsel . [4] I 1948 utviklet den sveitsiske vitenskapsmannen Georges de Mestral borrelåsen etter modellen til burgen .

Ingo Rechenbergs forelesning fra 1964 med tittelen: "Kybernetisk løsningskontroll av en eksperimentell forskningsoppgave" regnes som en milepæl i bionikkens historie. Her demonstrerte han eksperimentet i Darwin-i-vinden-tunnelen , der en hengselplate brettet til en sikksakkform utvikler seg til en flat form med minst motstand. [5]

Økonomisk vurdering av bionikk

Bionics er fortsatt en veldig ung vitenskap, og derfor er dens økonomiske betydning fortsatt relativt liten, men nylig har det vært mer og mer bionisk arbeid og interessen for bionisk utvikling øker. De siste årene har flere og flere forskningsresultater fra bionics strømmet inn i utviklingen av produkter, noe som viser den økende betydningen av bionics. Videre blir den økende relevansen av bionikk tydeliggjort av det stadig økende antallet prosjekter finansiert av Forbundsdepartementet for utdanning og forskning, det tyske føderale miljøfondet og det føderale departementet for økonomi og arbeid. I tillegg støttes mange små selskaper i bionisk forskning. Med disse subsidiene har mange produkter nådd produktmodenhet slik at de kan markedsføres. Et eksempel på et slikt produkt er Speedo -badedrakten, som ligner strukturen på haihuden og dermed også gjenspeiler dens fordeler, for eksempel lavere vannbestandighet.

Utvikling og avgrensning

Wingtip Optimization Spiroid

Bionics har bare utviklet seg til en etablert vitenskapelig disiplin de siste tiårene, særlig på grunn av nye og forbedrede metoder (datakraft, produksjonsprosesser, tverrfaglige hensyn). Når de utviklet tekniske funksjonelle elementer, var ingeniører ikke alltid klar over parallelle utviklinger i naturen. Så rammen ble utviklet uten kunnskap om den fine strukturen til trabeklene . Siden det ikke var noen form for overføring, blir slike formelle eller funksjonelle kamper referert til som korrespondanser og ikke bioniske.

Biomimetikk eller bionikk som vitenskapelig disiplin, derimot, søker spesifikt etter strukturer i naturen som kan ha teknisk betydning som rollemodeller. Denne fremgangsmåten kan ofte kalles et rent analogisøk . Imidlertid tillater det ofte bare små sprang i innovasjon , siden den tekniske applikasjonen allerede må være gjenkjennelig.

Lotuseffekten (datagrafikk)

Alternativt kan visse strukturelle eller organisatoriske prinsipper beskrives gjennom grunnleggende biologisk forskning , som først da blir anerkjent som egnet for overføring til teknologi. For eksempel, ved å undersøke beinstrukturen, utvikles nye rammekonstruksjoner (f.eks. For avstivning av dobbeltveggkonstruksjoner). Kunnskapen om ikke-fuktbarhet og selvrensing av visse plantebaserte overflater førte først senere til utvikling av så mangfoldige industriprodukter som fasademaling, takstein og markiser med den såkalte lotuseffekten, og aerodynamikk søkte mange stimuli i zoologi.

Bionic Learning Network er en forskningsforening for Festo -selskapet med universiteter, institutter og utviklingsselskaper. Målet med initiativet er å produsere nye typer teknologibærere gjennom bruk av bionics.

Bionikk kan deles inn i forskjellige underområder: Konstruksjonsbionikk sammenligner konstruksjonselementer og deres integrasjoner, sensorbionikk undersøker systemene for stimulusabsorpsjon, strukturell bionikk analyserer biologiske strukturelle elementer, bevegelsesbioniske drivmekanismer, overflateinnflytelse og flytjustering, neurobionikk observerer det naturlige overføring av informasjon og overføring til IT -systemer, konstruksjonsbionikk undersøker komplette konstruksjoner av levende vesener eller deres produkter, enhetsbionikk implementerer naturlige enhetskonstruksjoner, prosessbionikk er en analytisk studie av biologiske prosesser som f.eks. B. Fotosyntese , klimatisk biomimetikk leter etter systemer for passiv ventilasjon, kjøling eller oppvarming, antropobionikk studerer dyrebevegelser, ofte for bruk i robotikk , evolusjonær bionikk overfører evolusjonære prosesser til forskning (eksperimentell prøve-og-feil-utvikling).

Grunnleggende tilnærming

Otto Lilienthal 16. august 1894

I analog bionikk skjer en "ovenfra og ned" -prosess: du definerer problemet, ser etter analogier i naturen, analyserer disse analogiene og til slutt ser du etter løsninger på problemet med kunnskapen fra naturen. Eksempler:

  • Fly : Otto Lilienthal , Alberto Santos-Dumont og Wright-brødrene observerte flukten ( bevegelse ) av store fugler og optimaliserte dermed prototypene deres.
  • Winglets i enden av flyets vinger: store virvler ved vingespissene på fly forårsaker høyt drivstofforbruk, som kan reduseres med rundt fem til seks prosent ved bruk av winglets. Undersøkelse av vingene til svevende / glidende fugler som en flyanalogi. Beskrivelse av håndvingene til visse fuglearter (som musvåker , kondorer og ørner ), som i stedet for en stor virvel forårsaker flere mindre og dermed bruker mindre energi totalt sett. Produksjon av kunstige vinger med flere virvelformede strukturer (winglets). Flydesignere har videreutviklet winglets til en loop-profil ved vingespissen (split-wing loop) ( spiroid ). Eksemplet viser at på slutten av en optimalisering trenger ikke den bioniske avledningen å være alltid synlig.
  • Utvikling av nye typer profiler for bildekk : biologiske modeller er for eksempel kattepoter som utvides ved endring av retning og dermed har et større kontaktområde med bakken.
  • Edderkopplignende roboter hvis ben har autonome kontrollfunksjoner og derfor er bedre enn sentralt kontrollerte roboter.

En "bottom-up-prosess" finner sted i abstraksjonbionikken : grunnleggende biologisk forskning utføres, biomekanikken og funksjonell morfologi i biologiske systemer blir undersøkt, og et underliggende prinsipp blir gjenkjent og beskrevet, dette prinsippet er abstrahert (løsrivelse fra den biologiske modellen og oversettelse til ikke-teknisk språk), ser etter mulige tekniske applikasjoner og utvikler til slutt slike applikasjoner sammen med ingeniører, teknikere, designere, etc.

Santos-Dumont 14-bis- "gås" som konstruksjon

Eksempler:

  • Ikke-fuktbarhet og selvrensing av visse biologiske overflater: Observasjon og nærmere undersøkelse av det faktum at praktisk talt alle vannløselige stoffer ruller av et blad på lotusplanten, førte til patenter på ekstremt dårlig fuktbare og selvrensende overflatestrukturer (f.eks. for en ny kunstig overflate som fasademaling), lotuseffekten . Se også: Voksplanteblader , for eksempel fra lotusblomst, kålrabi , etc.
  • Strukturell optimalisering av komponenter ( CAO og SKO ): vekstformer av trær eller bein
  • Riblet -filmer: I hurtig svømmende haier består overflaten av huden av små, tettpakket skala. På disse skalaene er det skarpe kanter som er parallelle med strømmen. Disse mikroskopiske sporene reduserer friksjonsmotstanden . Denne dragreduserende effekten er effektiv i alle turbulente strømninger, inkludert luft. Fly kan dekkes med en spesiell film (såkalt riblet film), som har en lignende struktur på toppen og dermed reduserer flyets aerodynamiske drag . Det vitenskapelige grunnlaget kommer fra studier om fossile haier og deres "skalaer".
  • Adhesive hår og andre adhesive heter på overflaten av føttene til en rekke dyrearter, som strukturert biologiske overflater, blir brukt som modeller for tekniske anvendelser, herunder konstruksjonen av en selvstyrt robot klatre [6]

Et annet felt som er relatert til bionikk, er topologioptimalisering . Topp-ned-tilnærmingen brukes også her. Komponenter er designet for å ta hensyn til deres fremtidige belastning på en slik måte at unødvendige områder fjernes og bare tilkoblinger som er nødvendige for lasten.

Eksempler på korrespondanse mellom teknologi og natur

Regndråper som modell for forstørrelsesglasset

Se også

Teknisk implementering:

litteratur

  • Eberhard Forth og Eberhard Schewitzer (red.): Bionics. Meyers lommeordbok. VEB Bibliographisches Institut, Leipzig 1976, DNB-Info .
  • Werner Nachtigall , Kurt G. Blüchel : Den store boken om bionikk. Nye teknologier modellert på naturen. DVA, Stuttgart og München 2000, ISBN 3-421-05379-0 (spesialutgave 2003 under ISBN 3-421-05801-6 ).
  • Werner Nachtigall: Bionics. 2. utgave. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43660-X .
  • Torsten Rossmann, Cameron Tropea: Bionics: Aktuelle forskningsresultater innen naturvitenskap, ingeniørfag og humaniora. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21890-4 .
  • Zdenek Cerman, Wilhelm Barthlott, Jürgen Nieder: Naturens oppfinnelser. Rowohlt, Reinbek 2005, ISBN 3-499-62024-3 .
  • Antonia B. Kesel : Bionics. Fischer, Frankfurt am Main 2005, ISBN 978-3-596-16123-2 .
  • Kurt G. Blüchel: Bionics. Hvordan vi kan bruke naturens hemmelige tegninger. Goldmann, München 2006, ISBN 3-442-15409-X .
  • Martin Zeuch: Bionics. WAS IST WAS , bind 122. Tessloff, Nürnberg 2006, ISBN 978-3-7886-1509-3 .
  • Lothar Brehmer: Nature - en pacemaker for flyutvikling. Projekt-Verlag, Halle 2007, ISBN 978-3-86634-344-3 .
  • Sigrid Belzer: De mest geniale oppfinnelsene av naturen. Bionics for barn. S. Fischer Verlag, Frankfurt am Main 2010, ISBN 978-3-596-85389-2 .
  • Bionics. Fantastisk, selvfølgelig. Hovedemne i kulturbladet Westfalenspiegel , utgave 4/2011, s. 14-27.
  • Christian Johannsen: Potensielle energibesparelser gjennom haihudbelegg. I: Schiff & Hafen , utgave 9/2012, s. 82–86, Seehafen-Verlag, Hamburg 2012, ISSN 0938-1643 .
  • W. Barthlott, W. Erdelen, M. Daud Rafiqpoor: Biologisk mangfold og tekniske innovasjoner: bionikk . I: Konsept og verdi i biologisk mangfold. Routledge Studies in Biodiversity Politics and Management . 2014, ISBN 978-0-415-66057-0 , s.   300-315 .
  • MC Demirel, M. Cetinkaya, A. Pena-Francesch, H. Jung: Nylige fremskritt innen bioinspirerte materialer i nanoskala. I: Makromolekylær biovitenskap. [elektronisk publikasjon før utskrift] desember 2014, ISSN 1616-5195 . doi : 10.1002 / mabi.201400324 . PMID 25476469 .
  • Patricia Piekenbrock: Bionics. Læring fra naturen - impulser for innovasjon. Vogel Business Media, Würzburg 2018, ISBN 978-3-8343-3438-1 .

weblenker

Wiktionary: Bionics - forklaringer på betydninger, ordopprinnelse, synonymer, oversettelser
Bionics - Utstilling om bygninger og prosjekter av arkitekten Moti Bodek , Freiland Potsdam.

støttende dokumenter

  1. Mutschler, H.-D:. Natural Philosophy. Kohlhammer, Stuttgart 2002, her: 120f.
  2. ^ Werner Nachtigall: Bionics: Grunnleggende og eksempler for ingeniører og naturvitere. 2. utgave, Springer-Verlag Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-18996-8 , s.3 .
  3. ^ VDI Association of German Engineers (utgiver): VDI 6220 -ark 1. Bionics - oppfatning og strategi - differensiering mellom bioniske og konvensjonelle prosesser / produkter . 2012.
  4. Tysk patentkontor, nr. 723730
  5. ^ Rechenbergs foredrag fant sted på det felles årsmøtet i WGLR og DGRR i september 1964 i Berlin Congress Hall.
  6. ^ Stanislav Gorb & Dagmar Voigt: Funksjonelle biologiske overflater som modeller for teknologi. Opptreden. Dobbelutgave 2.2009 / 1.2010: 69–77. PDF nedlasting ( Memento av originalen fra 4. oktober 2015 i Internettarkivet ) Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og er ikke kontrollert ennå. Vennligst sjekk den originale og arkivkoblingen i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne merknaden. @ 1 @ 2 Mal: Webachiv / IABot / performance.ey.com
  7. BBC News om det amerikanske oppstartsselskapet NBD Nano [1]