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Bionik (Fach) / Klausurfragen (Lektion)

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• Was versteht man unter Bionik bzw. Biomimetik? Bionik ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Biologie und Technik und befasst sich mit der Erforschung und der systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur in technische Anwendungen.  Ziel ist es, durch Abstraktion/Anwendung/Übertragung von Erkenntnissen aus biologischen Vorbildern komplexe techn. Fragestellungen zu lösen.
• Welche grundlegenden, vorbildlichen Merkmale der Natur werden binonisch umgesetzt? - Prozesse - Materialien - Strukturen - Organismen - Erfolgsprinzipien - Evolutionsstrategien
• Was sind die 8 grundlegenden Merkmale biologischer Systeme? Nennen Sie jeweils1 Bsp.! 1. Adaptivität: Libelle, Plankton, aerodyn. adaptive Flügel 2. Nachhaltigkeit: schwingungsdämpfende Palette 3. Selbstorganisation: Genetik, Bienenschwarmintelligenz, kein Impuls von außen 4. Hierarchischer Gradientenaufbau:  5. Selbstheilung: Gel-Kapsel, Hydrogel 6. Leichtbau: Plankton 7. Multifunktionalität: Lotus-Effekt 8. Material- und Energieeffizienz, Nachhaltigkeit: Termitenbauten
• Nennen Sie 5 biologische Vorbilder bei der Entwicklung von Bionischen Fahrzeugkomponenten (Jambor). Welche Vorteile der Biologie werden in welcher verbesserten Komponente umgesetzt? 1. Kofferfisch: Strömungswiderstandsreduzierung, Bionic-Car-Außenhülle 2. Libellenflügel: Leichtbau, guter Strömungsverlauf 3. Sandechse: Reibungsarmut, Verschleßschutz, Lack kann Stöße aufnehmen 4. Finray: Bewegungsprinzip, Knochenfisch-Flosse 5. Kieselalge: sehr belastbar, Felgen, Kindersitze 6. Elefantenschädel: Leichtbau, Knochen-Schaumstruktur, Kopfstütze 7. Schmetterling: aufklebbare Folie
• Welche Kontaktwinkel erzielen welche Eigenschaften? hydrophob: > 90° hydrophil: < 90° superhydrophob: > 150° Winkelberechnung durch 3-Phasenkontaktpunkt: Luft-Flüssigkeit-Festkörper
• Wie wird beim Lotus-Effekt Schmutz entfernt? Schmutz wird durch abrollenden Wassertropfen mitgenommen. Höhere Affinität des Schmutzes zu Wasser als zu den aufgebrachten Wachskügelchen an der textilen Oberfläche. Dadurch haftet Schmutzpartikel stärker an Tropfenoberfläche.
• Wie ist das Anforderungsprofil an das Textil bzw. Gesamtsystem "Nebelfänger" hinsichtlich Materialeigenschaften, wirtschaftliche Aspekten Konstruktionseigenschaften? Wirtschaftlichkeit: kostengünstige Fertigung geringe Wartungs-/Instandhaltungskosten Verfügbarkeit Konstruktion: große Filterfläche auf kleinem Raum einfaches Handling einfacher Aufbau Materialeigenschaften: hohe Rissfestigkeit → Wind Selbstreinigung → Sand Lebensmitteltauglich chemische/physikalische Stabilität hohe Luftdurchlässigkeit sehr gutes Wasserabscheidungsverhalten sehr gutes Wasseranlagerungsverhalten
• Beschreiben sie die Funktionsweise des Nebelauskämmers! Problem: die Pflanze hat keinen Zugang zu Wasser und muss somit das Wasser aus dem Tau nutzen. Wichtig ist, dass das Wasser auf den Blättern nicht verdunstet, sondern vor Sonnenaufgang zu den Wurzeln gelangt.  Funktion: Die Blätter weisen eine längliche Rillenstruktur auf, in der sich die Tropfen sammeln können. Größer werdende Tropfen berühren sich und werden größer (Koaleszenz). Größere Tropfen haften schwächer am Blatt und setzen sich schneller in Bewegung. Durch aufreche Anordnung der Blätter rollen/rutschen Tropfen entlang der Rillenstruktur zum Wurzelbereich, ohne sich schon vorher zu lösen. 
• Warum ist das Material des Nebelfängers schwarz und nicht weiß? Da der Schutz gegen UV-Licht deutlich besser ist. Allerdings "klaut" die Sonne mehr Wasser.
• Nennen Sie die Vorbilder für den Forschungspavillon. Beschreiben/Skizzieren Sie die entwickelten Lösungen. Seeigel: Doppelschalenstruktur mit aussteifenden Säulen, 3 Plattne treffen sich in einem Punkt = stabiler als wenn sich 4 treffen würden Hummerschere: Steifigkeitsübergang Deckflügel eines Käfers: Sandwich, viele Hohlräume, Faserschichten um Hohlräume, GFK, CFK, einzelne Elemente gewickelt und zusammengesteckt Unterwasserblase der Wasserspinne: Fasern innen in Blase gelegt, verstärkte Fasern für Hauptlasten werden integriert
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• Nennen Sie die Parameter, die einen Einfluss auf die Lebensdauer haben! Belastung: Art (Zug, Druck), Höhe, Dauer Material: isotrop/anisotrop mit angepasster Faserrichtung, molekularer Aufbau Design:Geometrien, Oberflächen (Hüftgelenkprothesenschaft)
• Erklären Sie das Phänomen "Perlmutt"! Perlmutt besteht aus Aragonitlgen und organischen Zwischenschichten (Mixtur aus Proteinen & Polysacchariden) à Brick-Mortar-Struktur (Backstein-Mörtel). Die dünnen organischen Zwischenschichten wirken als Rissstopper und verteilen die äußere Last über einen größeren Bereich → Vermeidung von Spannungsspitzen. → hoher Risswiderstand & Bruchzähigkeit Durch den hart-weich-Aufbau von abwechselnd Aragonit und Organik entsteht ein FVW mit hoher Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit → Perlmutt = doppelt so hat und tausendfach zäher als reines Aragonit → Optimierung auf allen 3 Hierarchieebenen
• Welche 2 wesentlichen Vorgehensweisen kennen Sie, um Strukturen zu optimieren? Trial & Error: ausprobieren; jedes Bauteil einzeln herstellen und testen CAO: Software berechnet und erkennt Optimierung → Vorteil: Zeit- und Geld sparend, da das Bautl nur einmal gebaut und gestestet werden muss Weiterentwicklung: CIAO (Fasern werden ausgerichtet), SKO (Material wird an weniger belasteten Stellen weggenommen)
• Was bedeutet lastadaptives Wachstum und welches binomisches Vorbild gibt es? = Schwachstellen werden durch zusätzliches Material verstärkt, an Stellen mit weniger Belastung wird Material weggenommen. Bäume: an Stellen mit höheren Kräften wächst der Baumstärker, Wachstumsringe werden dicker → Baum kann allerdings kein Material entfernen Knochen: zu starke Entlastung → Knochenabbau → Spannungsspitzen werden abgebaut and Stellen mit zu wenig oder zu viel Belastung, baut an höher belasteten Stellen Material auf
• Was bedeutet FEM und wie funktioniert es? = Finite-Elemente-Methode =Berechnungs-Software für Ingenieure ein komplexes Bauteil wird im Rechner aus vielen, einfachen Elementen zusammengesetzt (modelliert). Für strukturmechanische Analysen werden Materialeigenschaften, Lasten und Randbedingungen zugewiesen und entsprechend die Verformungen, Spannungen, Dehnungen etc. berechnet.
• Was ist ein großes Problem bei Leichtbaukonstruktionen? Nennen Sie Möglichkeiten, wie man dem Problem entgegenwirken kann und welche Vorbilder es aus der Natur gibt! Problem: Lärm & Vibration, geringere Massendämpfung von FVW kann Dröhnen im Innenraum von Flugzeugen erzeugen, Material gerät schneller in Schwingung (z.B. bei Brücken) Lösungen:  passiv: Materialdämpfung → Verwendung viskoelastischer Materialien (Gummi, Filz, Kork) strukturell: diagonal verlaufende Fasern, Nanopartikel in der Matrix Vorbilder: Pfahlrohr, Schachtelhalm, Igel
• Welches Problem einer Knochenstanze wurde mit welchem biologischen Vorbild verbessert? (Skizze) Probleme:  kein vollständiges Abtrennen, reißen notwendig, nur 1 Stück kann aufgenommen werden Vereinfachte, schnellere Mehrfachprobenentnahme, Teilchen werden durch Widerhaken nach hinten transportiert und dort gehalten Vorbild: Anakonda = Stanzen mit Reißzahnoptimierung von Katzen → Klinge gleitet formschlüssig über Amboss, eher klingen-schneiden statt stanzen
• Wie arbeitet eine bionisch optimierte Pinzette? Erläuterung mit Skizze Fin-Ray-Effekt Spitze kommt bei Druck in der Mitte vorne zusammen → mehr Haftreibung durch Umschlingung Linenberührung verbessert das Greifen
• Wie kommen bei einem Seeigel hohe Fertigkeiten zustande? Durch die Zusammensetzung bestimmter Winkel und kein Aufeinandertreffen gerader Linien
• Wie kann Leichtbau erreicht/verbessert werden? Wahl des Werkstoffs (Metall, Kunststoff, Keramik, FVW) Wahl der Struktur (Geometrie, Form, Topologie) → Schaumartige Strukturen Wahl des Fserverlaufs Bionische Vorbilder für Leichtbau beispielsweise durch die Struktur des Schalenverlaufs der Kieselalgen.
• Erklären Sie kurz die Besonderheiten von Pflanzenhalmen und die Abstraktion dreier Vorbilder zum technischen Pflanzenhalm! Winterschachtelhalm: pflanzlicher FVW, optimierter Leichtbau und Dämpfung, Gradientenaufbau, Sandwichstruktur für Profile mit kreisförmiem Querschnitt Pfahlrohr: allmählicher Steifigkeitsübergang (abnehmender Lignifizierungsgrad), allmählicher Steifigkeitsübergang zw. Fasern und Grundgewebematrix Gradientenkonzept Holz: Pultrusionstechnik - technischer Pflanzenhalm, Verlustfaktor (Maß der Dämpfung) sehr hoch
• Was bedeutet reduktionistischer Ansatz in der Forschung im Vergleich zum phänomenologischen Ansatz? Redutktionistisch:  Quantitative Vorhersagen zukünftiger Beobachtungen. Beziehungen zwischen Parametern können im Voraus berechnet werden. Phänomenologisch: Experimentelle Untersuchung und Ableitung von Beziehungen.
• Worin liegt der Nutzen der Superhydrophobie von Oberflächen? Wo liegen weitere Entwicklungspotentiale? Stets trocken, selbstreinigend, Dauerhaftigkeit, Ästhetik, Sicherheit, Effizienz, Mikrofluidik, nicht kontaminierender Flüssigkeitstransport Weitere Entwicklungen nötig: Effektstabilität, Herstellprozessstabilität, Alterungsbeständigkeit, Mikro- und Makrofluidik
• Worauf basiert die Entwicklung einer Sportschenkel-Prothese? Wie findet deren technische Realisierung statt? Die Entwicklung basiert auf dem Fortbewegungsmechanismus des Vogelstraußes. Die Prothese wird dorsal am Fußstumpf angebracht. Während der Schwungphase ist die Prothese ausgeklappt. Beim Auftreten "klappt" sie zusammen → Energiespeicherung → brauch wenig Muskelkraft →Schnappmechanismus im Gelenk → Energiespeicherung → Intersal-Gelenk
• Nennen Sie die Problematik bisheriger Exoskelette! Gewicht des Apparates Preis Antrieb durch Servomotoren Akkulaufzeit gering
• Was sind Exoskelette? Wo liegen ihre Anwendungsbereiche? Exoskelette sind eine Art Roboter, die den menschlichen Körper bei körperlicher Arbeit unterstützen sollen. Um Ausdauer, Ermüdung, Zuverlässigkeit  und die Belastbarkeit des meschlichen Körpers auszugleichen. Erhöhung der Gesundheit im Alter.
• Wie erfolgt der Wassertransport in Pflanzen? Pflanzen sind in der Lage Wasser unterhalt des Sättigungsdampfdruckes zu transportieren, bis hin zu negativer Drücken (Zugspannung).  Holz: Wassertransport findet im Holz statt, fließt durch abgestorbene, verholzte Zellen. Diese bilden longitudinal ausgerichtete Kappilare. Kapillarstruktur in Längsrichtung: porös, dreidimensional Fließmatrix, Segmentierung des Transportweges möglich, Umgehung gasgefüllter Leitbahnen
• Was ist das Bionische Vorbild des Pendelhubbohrers? Wo liegen seine Vorteile? Inspiriert durch die Holzwespe, dem Prinzip desr alternierenden Bewegung der Stechlanzen. Vorteile: verschiedene Längsschnittgeometrien Bohren mit wenig Axialkraft und Hitzeentwicklung Bohren ohne Drehmoment auf das Werkstück gleichzeitig bohren und sägen Bohrer verbleibt als Dübel oder Schraube im Loch
• 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 Luftblase. Pflanze:  Aufteilung des Transportweges auf zahlreiche Kapillare Segmentierung des Transportweges ermöglicht die Umgehung gsgefüllter Leitbahnenin den Pflanzen Ventile gegen Ausbreitung von Embolien "Reparatur": Luft wird aktiv aus den Leitbahnen "ausgefiltert" Vernutung: Chemie der Oberfläche der Leitbahnen bindet kleine Luftblasenund verhindert das Zusammenlagern zur großen Blase planzliche Materialien entstehen in Nass-in-Nass-Technik → es existieren per se keine Gasräume
• Erklären Sie den Unterschied zwischen Self-Healing und Self-Sealing und nennen Sie ein Beispiel! Self-Healing: Selbstheilung (Narbenbildung): Mikrorisse sind nicht mehr vorhanden, strukturell repaiert, mechanisch wieder stabilisiert und werden über längeren Zeitraum geheilt. Self-Sealing: Selbstversiegelung (Blutkruste): Mikrorisse sind noch vorhanden, funktionell repaiert und schnell versiegelt
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• Welche Tendenzen sind in der Bauweise von neuartigen Gebäuden zu erkennen und von welchem Vorbild kommen diese Erkenntnisse? kleinere Bauteile entwerden und vor Ort zusammenbauen → Transport möglich viele verschiedene spezialisierte Bauteile, d.h. alle Elemente sehen anders aus, haben verschiedene Funktionen und werden je nach Einsatz optimiert → keine Standardmodule Verbindung der Bauteile durch lösbare Steckverbindungen → schneller Auf- und Abbau Säulensysteme textil: Sandwichstrukturen → dünn, leicht, hohe Stabilität Vorbild: Schalenstrukturen (Seeigel)
• Was sind FVW in Zukunft? maßgeschneiderte Bauteile mit höchster spezifischen Festigkeit, Steifigkeit, Dämpfung, integrierter Sensorik, Aktorik Fasern: hochfeste, leichte, wasserfeste Spinnenseidenrovings oder natürliche, sehr leichte GFK anch dem Vorbild des Glasschwamms Fasern beschichtet mit einem festen, zähen, wasserabweisenden Haftvermittler nach dem Vorbild des Klebstoffs der Seepocken Matrix aus Biopolymeren Fügen der einzelnen Bauteile zur Gesamtstruktur, fest und doch leicht austauschbar mit Haftstrukturen ähnlich der Geckofüße
• Erklären Sie den Unterschied zwischen der technischen und der biologischen Bananen-Kurve! = Zusammenhang zw. E-Modul und Bruchzähigkeit technisch:  BZ nimmt mit steigendem E-Modul ab wenig Steifigkeit = hohe BZ hohe Steifigkeit = sprödes Verhalten biologisch: hohe BZ und Steifigkeit Eigenschaften, die sich in der Technik gegenseitig ausschließen, sind in der Bionik keine Gegensätze.
• Welche Eigenschaften biologischer Elastomere führten zur Entwicklung bionischer Elastomere? keine Dämpfung, keine Verlustenergie, reine mechanische Feder, keine Energiedissipation bei hohen, schnellen Belastungen wird keine/wenig Wärme erzegt (Wärme reduzieren mechanische Eigenschaften durch innere Reibung) biologische Elastomere = Resilinblöcke von Flöhen und anderen Insekten
• Was ist die Motivation für selbstreparierende Elastomere für Bionische Dichtungssysteme und Dämpfer? Polymere in Anwendung mit hoher mechanischer Belastung Versagen von Konstruktionen vor Erreichen der eigentlichen Beanspruchungsgrenze Plötzliche Fehler werden vor allem durch (unkontrolliert) wachsende Mikrorisse hervorgerufen Inspiration aus Biologie: Akzeptierung von Mikrorissen und Selbstheilung der Mikrorisse bei unkritischer Länge
• Welche Arten der Selbstreparatur in der Technik kennen Sie? Selbstheilung durch die Verwendung von mit Harz gefüllten Mikrokapseln  Selbstreparatur nach dem Vorbild der Blutgerinnung Selbstreparatur durch quellende Hydrogele
• Wie kommt es zur Reibungsminderung bei untergetauchten Objekten und welches biologisches Vorbild gibt es? Vorbild: Schwimmfarn durch die spezielle Oberflächenbeschaffenheit entsteht zwischen dem Festkörper und dem Wasser eine Luftschicht Beim Schwimmfarn wird dies Mit Hilfe von kleinen Haaren umgesetzt; das Wasser gelangt nicht in die Hohlräume zwischen den einzelnen Haaren → Luftansammlung Blasen zwischen Oberfläche und Wasser
• Was bedeutet ELISE und bei welchem Bionischen Projekt wurde es angewendet? = Evlutionary Light Structure Engineering Formoptimierungsprogramm für Leichtbaustrukturen nach dem Vorbild der Kieselalge z.B. Unterkonstruktion von Windrädern, Pavillons, Autofelgen
• Welche Parameter ermöglichen der Natur mit einem Material unterschiedliche Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten zu erreichen? Nennen Sie 2 Bsp.! Anzahl der Fasern Orientierung der Fasern Zellwanddicke Hohlräume, Schaumstruktur, teilweise unterschiedliche Blasengröße Gradientenaufbau = fließende Eigenschaftsübergänge kleine Änderungen auf molekularer Ebene Collagen im Körper, ist überall im Körper verbaut. Durch Anzahl Fasern und Faserorientierung können unterschiedliche Materialeigenschaften erreicht werden. Oktopus-Schnabel: Chitin kann hart und weich sein
• Was ist die Motivation für die Entwicklung neuartiger Verschattungen? atkuelle Verschattungssysteme werden durch Gelenke zusammengehalten, die sich durch mechanische Reibung beim Öffnen und Schließen sehr schnell abnutzen → neu: gelenklos Funktionsintegration: z.B. Solarelemente Verschattungen für kompelexere Geometrien
• Warum wurde das Material des Nebelfängers nicht superhydrophob ausgerüstet? sehr starke Winde mit hoher Sandbelastung wirken sehr abrasiv auf die superhydrophobe Beschichtung, die deswegen nach kurzer Zeit komplett verschwunden wäre.
• Wie wird Superhydrophobie erreicht? Durch:  Überlagerte Doppelstruktur → Rauigkeit in mehreren Größenordungen (mirko und nano) Niedrige Oberflächenspannung → Oberflächenminimierung → großer Kontaktwinkel Ob ein Werkstück hydrophob/hydrophob ist, ist abhängig von: Topologie der Oberfläche Chemische Zusammensetzung
• Auf was beruht der Lotus-Effekt? Nennen Sie die Strukturebenen! Funktionalisierung auf 3 Hierarchieebenen: Garne bzw. textile Struktur (mm-Bereich) Einzelfasern (mikro-Bereich) Wachsrtröpfchen-Beschichtung (nm-Bereich)
• Was ist das Leichtbauprinzip der Kieselalgen und warum ist dieses entstanden? Fünf- oder Sechseck-Fachwerkstrukturen auf 3 Hierarchieebenen, Kauwerkzeuge der Krebse haben sich durch Einlagerung von Kalzium verstärkt, Plankton musste auch verstärken ohne schwerer zu werden, müssen an Wasseroberfläche sein um Photosynthese betreiben zu können.
• Wie entsteht ein Unglücksbalken? entsteht durch Scherung, Delamination in FVW, oben kleinere Strecke als unten → Schub zwschen den Schichten
• Erklären Sie, warum es sich beim Holz um einen FVW handelt? Faser: Holzfaser (Cellulose) Matrix: Lignin Interface/Zwischenschicht zwischen Faser und Matrix: Hemicellulose ist an die Faser chemisch angebunden und ragt in die Matrix hinein Holz oder andere Pflanzen: gutmütige Bruchverhalten durch unterschiedliche Kettenlänge der Hemicelluloseketten
• Aus welchen Grundwerkstoffen sind natürliche FVW aufgebaut? Ein Grundprinzip lasttragender, lebender Materie ist der Aufbau der Materialien als FVW, d.h. lasttragende Fasern sind in eine formgebende, lasteinleitende Grundgewebematrix eingelagert. organisch: Proteine (Eiweiße), Plysaccharide (Zucker) mineralisch: Hydroxyapatit-Keramik (Knochen), Silikat-Keramik (Pflanzen), CaCO3 Verstärkungsfasern: Cellulose, Kollagen/Keratin, Chitin, Spinnenseide Matrixmaterialien: Lignin, Hemicellulose, Kollagen
• Nennen Sie die Randbedingungen der biologischen Evolution und beschreiben Sie diese jeweils an einem Beispiel! Genetisch: → Wandelt Vorhandenes um, kein neues Erfinden. Saurier, Vögel und Insekten sind alle flugfähig, aber genetisch komplett unterschiedlich. Die Möglichkeit zum Fliegen resultiert aus unterschiedlichen Bereichen: Federn, Häute Ökologisch: Ein-Nischung, Koevolution von Pflanzen und Tieren: Liane braucht einen Baum um in die Höhe zu gelangen. Wenn das nicht geschieht, keinLicht, keine Entwicklung Physikalisch: Libellen wurden im Laufeder Jahre kleiner, da sich der Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidgehalt in der Luft verändert hat und hierdurch die Blutversorgung nicht mehr ausreichend war.
• Was versteht man unter Pseudobionik? Nennen Sie Beispiele! = unterschiedliche Funktionen/Rnadbedingungen in Biologie und Technik Seidenspinnermännchen = Fernsehempfänger (untersch. Funktionen) Pantoffeltierchen = Unterseeboot (untersch. Randbedingungen) Mohnkapsel = Salzstreuer (untersch. Gütekriterien)
• Was sind Merkmale bionischer Entwicklungen? enge Verzahnung unterschiedlichen Fachrichtungen 2 Ausgangspunkte: a) biologische Grundlagenforschung (Bottom Up) → Entdekct was in der Natur, könnte man als neue Produkt entwickeln b) technische Fragestellungen (Top Down) es gibt ein technisches Problem und sucht Lösungen in der Natur um das Produkt zu verbessern Ein Produkt, welches als ein bionisches Produkt angesehen wurdd, muss 3 Kriterien erfüllen:  Produkt muss bionisches Vorbild haben Muss Abstraktion eines natürliches Prinzips stattgefunden haben und nicht eins kopieren muss eine Übertragung in eine technische Anwendung erfolgt sein

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