Bionik (Fach) / Fragenkatalog (Lektion)

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• Was versteht man unter Bionik bzw. Biomimetik? Biomimetik ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Biologie und Technik und befasst sich mit der Erforschung und systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur in technischen Anwendungen.  Ziel ist es durch Abstraktion/Übertragung/ Anwendung von Erkenntnissen aus biologischen Vorbildern (komplexe) technische Fragestellungen zu lösen.
• Welche grundlegenden vorbildlichen Merkmale der Natur werden bionisch umgesetzt? Prozesse Materialien Strukturen Organismen Erfolgsprinzipien Evolutionsstrategien
• Was sind Merkmale bionischer Entwicklungen? Enge Verzahnung unterschiedlicher Fachrichtungen Zwei Ausgangspunkte:  biologische Grundlagenerforschung (Bottom Up) technische Fragestellungen (Top down) Kriterien eines bionischen Produktes: Biologisches Vorbild Abstraktion eines natürlichen Prinzips (kein reines Kopieren) Übertragung in technische Anwendung
• Was versteht man unter Pseudo Bionik? Beispiele! Unterschiedliche Funktion in Biologie und Technik Beispiele: Seidenspinnermännchen → Fernsehempfänger Pantoffeltierchen → U-Boot Mohnkapsel → Salzstreuer
• Nennen Sie die Randbedingungen der biologischen Evolution und beschreiben Sie jeweils an einem Beispiel! Genetische Randbedingungen: Saurier, Vögel, Insekten → flugfähig, aber genetische komplett unterschiedlich! → Möglichkeit Fliegen resultiert aus untersch. Bereichen: Federn, Häute ... Ökologische Randbedingungen: Ein-Nischung, Ko-Evolution von Pflanzen und Tieren: Darwinfinken (unterschiedliche Ausprägungen des Schnabels → unterschiedliche Ernährung, Habitat), Liane (Ohne Baum keine Möglichkeit an Licht zu kommen → kann sich nicht weiterentwickeln) Physikalische Randbedingungen: Libellen: Sauerstoff- und Kohenstoffdioxidgehalt verändert → Blutversorgung nicht mehr ausreichend → Libellen sind kleiner geworden
• Was sind die 8 grundlegenden Merkmale biologischer Systeme? Nennen Sie jeweils mindestens ein Beispiel! Adaptivität Nachhaltigkeit Material- und Energie-Effizienz Selbstorganisation → Genetik (kein Impuls von außen) Hierarchischer/Gradienten-Aufbau Selbstheilung Leichtbau Multifunktionalität
• Aus welchen Grundwerkstoffen sind natürliche Faserverbundwerkstoffe aufgebaut? Lasttragende Fasern sind in eine formgebende, lasteinleitende Grundgewebematrix eingelagert. Organisch: Proteine (Eiweiße), Polysacharide (Zucker) Mineralisch: Hydroxylapatit-Keramik (Knochen), Silikat-Keramik (Pflanzen), CaCO3 Materialien Faser: Cellulose (Pflanzen), Kollagen/Keratin (Tiere), Chitin (Insekten, Krustentiere), Spinnenseide Materialien Matrix: Lignin, Hemicellulose, Kollagen
• Erklären Sie warum es sich bei Holz um einen Faserverbundwerkstoff handelt! Faser: Holzfaser (Cellulose) Matrix: Lignin Interface zwischen Faser und Matrix: Hemicellulose chemisch an Faser gebunden und ragt in Matrix Holz oder andere Pflanzen: gutmütiges Bruchverhalten durch untersch. Kettlänge der Hemicelluloseketten
• Nennen Sie fünf biologische Vorbilder bei der Entwicklung von bionischen Fahrzeugkomponenten (Jambor)! Welche Vorteile der Biologie werden in welche verbesserten Komponenten umgesetzt? Kofferfisch → Strömungswiderstandsreduzierung Libellenflügel → Leichbau Sandechse → Reibungsarmut, Verschleißschutzu für Lack Finray → Bewegungsprinzip Elefantenschädel → Leichtbau Knochen-Schaumstruktur Schmetterling → Physikalische Färbung
• Wie entsteht ein Unglücksbalken? Scherung, Delamination in FVW Oben kleinere Strecke als unten → Schub zwischen den Schichten
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• Entlasten Sie die Scharfe Kerbe am Übergang von Groß auf Klein mithilfe der Zugdreieck-Methode (Matthek)! Zeichnung! http://docplayer.org/docs-images/68/58888233/images/46-0.jpg https://idw-online.de/de/newsimage?id=23983&size=screen
• Wie müssen die Nägel in beiden Beispielen eingeschlagen werden, damit diese auf Druck belastet werden? Verwenden sie die Methode der Schubvierecke! http://docplayer.org/docs-images/68/58888233/images/94-1.jpg
• Die Wand der Waldhütte im Bild zeigt einen deutlichen Riss. Zeichnen Sie ein Schubviereck ein und erklären Sie damit, ob der Baum vor der Hütte für den Riss verantwortlich ist! Siehe Übungsblatt!
• Was ist das Leichtbauprinzip der Kieselalgen (Plankton) und warum ist dieses entstanden? Kauwerkzeuge der Krebse durch Kalzium-Einlagerung verstärkt → Plankton Verstärkung bei gleichbleibender Masse* durch: Fünf- oder Sechseck-Fachwerkstrukturen auf 3 hierarischen Ebenen *damit sie weiterhin an Wasseroberfläche schwimmen können → Photosynthese
• Auf was beruht der Lotus-Effekt? Nennen Sie die Strukturebenen! Funktionalisierung 3 hierarchische Ebenen: Garne bzw. Textile Struktur (mm Berreich) Einzelfasern (µm Berreich) Wachströpfchen-Beschichtung (nm Bereich)
• Wie wird Superhydrophobie erreicht? Überlagerte Doppelstruktur → "Rauigkeit" in mehreren Größenordnungen (µ und nano) Niedrige Oberflächenspannung → Oberflächenminimierung → großer Kontaktwinkel  Durch: Topologie der Oberfläche Chemische Zusammensetzung https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fd/Contact_angle_microstates.svg/440px-Contact_angle_microstates.svg.png
• Welche Kontaktwinkel erzielen welche Eigenschaften? (Bilder zeichnen) x > 90° → Hydrophob x < 90° → Hydrophil x > 150° → Superhydrophob http://www.haustechnikdialog.de/SHKwissen/Images/Lotus-Effekt-Kontaktwinkel.jpg
• Wie wird beim Lotus-Effekt Schmutz entfernt? Schmutz wird durch abrollenden Wassertropfen mitgenommen → Höhere Affinität des Schmutzes zum Wasser → Schmutzteilchen haftet nur an Spitzen der Wachskügelchen
• Wie ist das Anforderungsprofil an das Textil bzw. Gesamtsystem Nebelfänger hinsichtlich Materialeigenschaften, wirtschaftliche Aspekte und Konstruktionseigenschaften? Wirtschaftliche Aspekte: Kostengünstige Fertigung Geringe Wartungs-/ Instandhaltungskosten Verfügbarkeit Konstruktionseigenschaften: Große Filterfläche, auf kleinem Raum Einfaches Handling Einfacher Aufbau Materialeigenschaften: Hohe Reißfestigkeit → Wind Selbstreinigung → Sand Lebensmitteltauglichkeit Chem./ Phys. Stabilität optimierte, hohe Luftdurchlässigkeit Sehr gutes Wasserabscheideverhalten Sehr gutes Wasseranlagerungsverhalten
• Beschreiben Sie die Funktionsweise des Nebelauskämmers! Problem: Pflanze hat keinen Zugang zu Wasser → Tau auf Blättern schnell zu Wurzeln, da sonst bei Sonnenaufgang verdunstet Funktionsweise: Blätter besitzen längliche Rillenstruktur (Tropfen sammeln sich, vereinen sich → Koaleszenz) Größere Tropfen → schnellere Bewegung Aufrechte Anordnung der Blätter → direkter Weg zum Wurzelbereich
• Warum ist das Material des Nebelfängers schwarz und nicht weiß? Schutz gegen UV ist deutlich besser (Sonne verdunstet allerdings auch mehr Wasser)
• Warum wurde das Material des Nebelfängers nicht superhydrophob ausgerüstet? Sehr starke Winde mit Sandbeladung → sehr abrasiv auf Beschichtung
• Nennen Sie die Vorbilder für den Forschungspavillon! Beschreiben/skizzieren Sie die entwickelten Lösungen! Seeigel → Doppelschalenstruktur mit aussteifenden Säulen Hummerschere → Steifigkeitsübergang Deckflügel eines Käfers → Sandwich Unterwasserblase der Wasserspinne → Fasern innen in die Blase eingelegt
• Was ist die Motivation für die Entwicklung neuartiger Verschattung? Geringe Lebensdauer der aktuellen Verschattungssysteme:  Zusammenhalt durch Gelenke, die durch Reibung schnell abnutzen → NEU: Gelenklos  → Funktionsintegration z.B. Solarelemente → Verschattung für komplexere Geometrien
• Welche Parameter ermöglichen der Natur mit einem Material unterschiedliche Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten zu erreichen? Nennen Sie 2 Beispiele! Anzahl der Fasern Orientierung der Fasern Zellwanddicke Hohlräume, Schaumstruktur, teilweise mit unterschiedlichen Blasengrößen Gradientenaufbau, d.h. fließende Eigenschaftübergänge Kleine Änderungen auf molekularer Ebene: Kettenlänge oder "Endungen" Beispiel: Collagen im Körper, durch Anzahl der Fasern und der Faserorientierung unterschiedliche Eigenschaften in Sehnen, Blutgefäßen Beispiel: Oktopus, Schnabel und Fangarme beide aus Chitin, aber untersch. Härte
• Nennen Sie die Parameter, die einen Einfluss auf die Lebensdauer haben! Belastung: Art, Intensität und Dauer Material: z.B. isotrop, anisotrop mit angepasster Faserrichtung, molekularer Aufbau Design: Geometrien, Oberflächen, Bsp. Hüftgelenkprothesenschaft
• Erklären Sie das Phänomen Perlmutt! Aragonit Lagen und organische Zwischenschichten (Mixtur Proteine und Polysacchariden) → Brick-Mortar (Backstein-Mörtel) - Struktur dünne, organische Zwischenschichten  → Rissstopper und Verteiler der Last auf gr. Fläche → Vermeidung von Spannungsspitzen → hoher Risswiderstand und Bruchzähigkeit Hart-Weich-Aufbau (Aragonit-Organik) → Faserverbundwerkstoff mit hoher Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit → Perlmut doppelt so hart und tausendfach zäher als reines Aragonit
• Welche zwei wesentlichen Vorgehensweisen kennen Sie um Strukturen zu optimieren? Trial und Error: Wiederholen des Schritts "Bauteil herstellen und testen" bis zum Optimierungserfolg CAO: Software berrechnet Optimierung → Vorteil: Zeit und Geld sparen, da Bauteil nur einmal gebaut und getestet
• Was bedeutet ELISE und bei welchem bionischen Projekt wurde es angewendet? Evolutionary Light Structure Engineering Formoptiermungsprogramm für Leichtbaustrukturen nach Vorbild: Kieselalge Beispiele: Windräder, Pavillon, Autofelgen
• Wie kommt es zur Reibungsminderung bei untergetauchten Objekten und welches biologische Vorbild gibt es? spezielle Oberflächenbeschaffenheit → Luftschicht zwischen Festkörper und Wassern Schwimmfarn: Umsetzung durch kleine Härchen → Wasser gelangt nicht in Hohlräume zwischen Härchen → Luftansammlung
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• Was bedeutet lastadaptives Wachstum und welches biologische Vorbild gibt es? Verstärkung von Schwachstellen durch zusätzliches Material → Abbau von Material bei Stellen weniger Belastung  Bäume: Stellen hoher Belastung → stärkeres Wachstum (Wachstumsringe!); Nachteil: Baum kann Material nicht wieder entfernen) Knochen: Anbauung von Material an Stellen hoher Belastung → Probleme bei Prothesen: Knochenabbau, an entlasteten Stellen oder Knochenaufbau wenn Prothese "drückt" (falsche Konstruktion!)
• Was bedeutet FEM und wie funktioniert es? Finite-Elemente-Methode (Berechnungs-Software) → Komplexes Bauteil wird aus vielen einfachen Elementen zusammengesetzt (modelliert) → Strukturmechanischen Analyse auf Basis von: Materialeigenschaften, Belastungen, Randbedingungen, Verformungen, Spannungnen, Dehnungen
• Welche Arten der Selbstreparatur in der Technik kennen Sie? Selbstheilung: Verwendung von Harz-gefüllten Mikrokapseln Mikrokapseln + Härter im Werkstoff intigriert Mikroriss → Kapsel bricht auf → Aushärtungsreaktion zwischen Harz und Härter (Harz wird kapillar in Riss gesaugt) Selbstreparatur: Vorbild Blutgerinnung Harz und Härter (Verhältnis 2:1) in hohlen Fasern Riss → Harz und Härter laufen aus  quellen in Riss und verschließen ihn Selbstreparatur: Quellende Hydrogele Hydrogele quellen durch Umgebungsfeuchte oder Medium (das sie abdichten)
• Was ist die Motivation für selbstreparierende Elastomere für bionische Dichtungssysteme und Dämpfer? Polymere in Anwednung mit hoher mechanischer Belastung Versagen von Konstruktionen vor Erreichen der eigentlichen Beanspruchungsgrenze Plötzliche Fehler werden durch (unkontrolliert) wachsende Mikrorisse hervorgerufen Inspiration Biologie: Akzeptierung von Mikrorissen und Selbstheilung der Mikrorisse bei unterkritischer Länge
• Welche Eigenschaften biologischer Elastomere führten zur Entwicklung bionischer Elastomere? Keine Dämpfung, keine Verlustenergie, reine mechanische Feder, keine Energiedissipation Durch: Bei hohen, schnellen Belastungen → Erzeugung geringer/keiner Wärmeenergie (Wärme würde mechanische Eigenschaften reduzieren!)
• Erklären Sie den Unterschied zwischen technischer und biologischer "Bananen"-Kurve! Zusammenhang zwischen E-Modul und Bruchzähigkeit Technisch: Bruchzähigkeit nimmt mit steigendem E-Modul stark ab! geringe Steifigkeit → hohe Bruchzähigkeit, hohe Steifigkeit → sprödes Bruchverhalten Biologisch: hohe Steifigkeit + Bruchzähigkeit
• Was sind Faserverbundwerkstoffe der Zukunft? Maßgeschneiderte Bauteile mit höchster spezifischer Festigkeit und Steifigkeit, Dämpfung und integrierte Sensorik und Aktorik Fasern: hochfeste, leichte und wasserfeste Spinnenseidenrovings oder natürliche, besonders leichte Glasfasern nach dem Vorbild des Glasschwamms Fasern: beschichtet mit einem festen, zähen, wasserabweisenden Haftvermittlers nach dem Vorbild des Klebstoffs der Seepocken Matrix aus Biopolymeren feste und doch leicht austauschbare Bauteile in Gesamtstruktur mittels Haftstrukturen → Geckofüße
• Welche Tendenzen sind in der Bauweise von neuartigen Gebäuden zu erkennen und von welchem Vorbild kommen diese Erkenntnisse? kleine Bauteile entwerfen und vor Ort zusammenbauen → Transport möglich keine Standardbauteile: viele, verschiedene, spezialisierte Bauteile, d.h. unterschiedliche Optik, Funktion und Einsatz Verbindung der Bauteile durch lösbare Steckverbindungen → schneller Auf- und Abbau Sandwich-Strukturen → dünn, leicht, aber hohe Stabilität Vorbild: Schalenstrukturen (Seeigel)
• Was ist ein in der Vorlesung ausfühlrich behandeltes, großes Problem bei Leichtbaukonstruktionen? Nennen Sie Möglichkeiten, wie man dem Problem entgegenwirken kann und welche Vorbilder es aus der Natur gibt! Problem: Lärm und Vibration geringe Massedämpfung von FVW → Materialien geraten schneller in Schwingung (Dröhnen im Flugzeug, gefährliche Schwingungen bei Leichtbau-Brücken) Lösungen:  Passiv: Materialdämpfung → viskoelastische Materialien (Gummi, Filz, Kork) Strukturelle Dämpfung → diagonal verlaufende Fasern, Nanopartikel in Matrix Federdämpfer Aktiv: Schwingungs-Tilger → Piezo/ Nanotube-Aktuatoren Vorbilder: Pfahlrohr, Schachtelhalm, Igel
• Erklären Sie den Unterschied zwischen Self-Sealing und Self-healing und nennen Sie Beispiele! Self-Sealing: Selbstversiegelung Mikrorisse noch vorhanden, funktionell repariert und schnell versiegelt Self-Healing: Selbstheilung Mikrorisse nicht mehr vorhanden, strukturell repariert, mechanisch wieder stabilisiert und über längeren Zeitraum geheilt
• Welcher Effekt verhindert eine höhere Wasser-Steighöhe in der Technik? Wie umgehen Pflanzen/Bäume diese Begrenzung? Technik: Abriss der Wassersäule infolge der Zusammenlagerung von kleinen Luftblasen zu einer Großen Pflanze: Aufteilung des Transportweges auf zahlreiche Kapillaren Segmentierung des Transportwesens → Umgehung gasgefüllter Leitbahnen Ventile gegen Ausbreitung von Embolien Reparatur: Ausfilterung von Luft aus Leitbahnen Vermutung: Chemie der Oberfläche verhindert Zusammenlagerung zur großen Blase Nicht-Existenz von Gasräumen (durch Nass-in-Nass-Technik → Entstehung pflanzliches Material)
• Welches Problem einer Knochenstanze wurde mit welchem biologischem Vorbild verbessert? Skizzieren Sie das Funktionsprinzip! Problem: Kein vollständiges Abtrennen Lösung: Vereinfachte, schnellere Mehrfachprobenentnahme mittels "Widerhacken-Technik" Vorbild: Anakonda
• Welches biologische Vorbild wurde zur Entwicklung einer neuen Bohrtechnik in der Medizintechnik herangezogen? Wie arbeitet die bionische Umsetzung? Holzwespe → Pendelhub-Bohr-Prinzip
• Wie arbeitet eine bionisch optimierte Pinzette? Erläutern Sie das biologische Vorbild mit einer Skizze! Finray Effekt Bei Druck → Zusammenkommen der Spitzen (Mitte) → mehr Haftreibung Linienberührung verbessert das Greifen
• Wie erfolgt der Wassertransport in Pflanzen? Pflanzen: Wassertransport unterhalb des Sättigungsdampfdruckes möglich (bis hin zu negativen Drücken!) Holz: Längs ausgerichtete Kapillaren (abgestorbene, verholzte Zellen) → Wassertransport  Kapillarstruktur (längs): porös, dreidimensionale Fließmatrix, Segmentierung des Transportweges, Umgehung gasgefüllter Leitbahnen
• Wie kommen bei einem Seeigel hohe Festigkeiten zustande? Zusammensetzung bestimmter Winkel + kein Aufeinandertreffen gerader Linien
• Was sind Exoskelette? Wo liegen ihre Anwendungsbereiche? Roboter zur Unterstützung des menschlichen Körpers bei körperlicher Arbeit Erhöhung von: Ausdauer Belastbarkeit Zuverlässigkeit Gesundheit im Alter
• Nennen Sie die Problematiken bisheriger Exoskelette? Gewicht des Apparates Preis Antrieb durch Servomotoren Akkulaufzeit gering
• Was ist das bionische Vorbild des Pendel-Hub-Bohrers? Wo liegen seine Vorteile? Holzwespe → Prinzip: alternierende Bewegung der Stechlanze Vorteile: verschiedene Längsschnitt-Geometrien möglich Bohren mit wenig Axialkraft/Hitzeentwicklung Bohren ohne Drehmoment auf Werkstück Bohren und Sägen in Einem Bohrer verbleibt als Dübel oder Schraube im Loch
• Worauf basiert die Entwicklung einer Sportunterschenkel-Prothese? Wie findet deren technische Realisierung statt? Vorbild: Fotbewegungsmechanismus Vogelstrauß → Prothese dorsal am Fußstumpf → Schwungphase: ausgeklappte Prothese → Auftrittphase: eingeklappte Prothese  ⇒ Energiespeicherung!

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