Beuth Hochschule für Technik, Berlin
University of Applied Sciences Berlin, Germany
Bionic Research Unit, FB Maschinenbau, Umwelt- und Verfahrenstechnik
Artifizielle Gefieder
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Mi. Dienst, Berlin
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Bionik- Forschung an der Beuth-Hochschule für Technik, Berlin (BHT)
Die Bionik ist eine in die Zukunft weisende, interdisziplinäre Wissenschaft.
Sie erfreut sich an unserer Hochschule bei Studierenden und Lehrenden
einer außergewöhnlichen Beliebtheit. Die Bionik wird seitens der Industrie,
der Wirtschaft und der bundesdeutschen Bildungs- und Forschungspolitik
als eine der Schlüsselkompetenzen der folgenden Dekade angesehen.
Den hohen Erwartungen an diese junge Wissenschaft trägt die Beuth
Hochschule für Technik Berlin mit einer, im besonderen Maße auf Bionik-
Forschung fokussierten Fachgruppe für Bionik, der Bionic Research
Unit, Rechnung.
Mi. Dienst, Berlin im Mai 2010
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Artifizielle Gefieder
Beuth Hochschule für Technik Berlin
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FB VIII Maschinenbau, Umwelt- und Verfahrenstechnik
Dipl.-Ing. Michael Dienst
{midienst@beuth-hochschule.de}
, http://
www.beuth-hochschule.de
Gefieder. Bionik befasst sich mit der Untersuchung und Übertragung
optimaler Lösungsprinzipien der belebten Natur auf technische Systeme.
Viele biologische Systeme sind bis an den Rand des physikalisch
Möglichen optimiert. Ein gutes Beispiel: Vögel und Gefieder. Vögel sind
hervorragende Flieger, können große Geschwindigkeiten erreichen und
enorme Strecken zurücklegen. Der schnellste Vogel ist, mit über 170
Stundenkilometern Fluggeschwindigkeit, der Mauersegler. Die
Küstenseeschwalbe ist der Vogel, der bei seinen jährlichen Wanderungen
am weitesten fliegt: Sie unternimmt alljährlich einen Rundflug zwischen
Nordpol und Südpol.
In Vögel hat die biologische Evolution enorm viel Entwicklungsarbeit
investiert, sie sind hochoptimiert. Eine Ursache von Effizienz bei
künstlichen und biologischen Systemen ist die Häufigkeit des Auftretens.
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Das gilt von Generation zu Generation, also relativ und zeitlich horizontal,
als auch absolut und vertikal über weite Optimierungszeiträume hinweg. In
der Zeit, während der ein gewichtsgleiches Säugetier erwachsen wird, hat
das System Vogel schon 4 oder 5 Generationenfolgen hinter sich. Rein
statistisch ein guter Grund für Bioniker, auf der ständigen Suche nach
Innovationen, sich dem biologischen Hightech-Produkt Vogel und seiner
einzigartigen Verpackung besonders intensiv zu widmen. Fassen wir
Segeln als ebenes, zweidimensionales Fliegen auf, sollte es gelingen, bei
der Entschlüsselung der physikalischen Effekte fliegender, biologischer
Systeme auf die Lösungsprinzipien zu stoßen, die auf die Probleme
passen, deren wir uns beim Yachtdesign gegenübersehen. Die
Übertragung raffinierter Wirkmechanismen auf künstliche Systeme
erfordert Detailkenntnisse über die Naturvorgänge die sie realisieren, über
natürliche Konstruktionen und den äußeren Kontext der Wesen. Dieser
stimmt ja mit der Lebenswelt des Seglers überein.
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Was ist nun das typische an einem Vogel? Fragen wir nach den
Merkmalen. Jedes Fliegende System sollte ein Mindestprofil besonderer
Eigenschaften besitzen: hohes Leistungsvermögen, niedriges Gewicht
und aerodynamische Form. Für einen sicheren Flug müssen die Sinne,
insbesondere das Sehvermögen, scharf sein. Vögel besitzen
ausgezeichnete Augen, vielleicht die leistungsfähigsten aller Wirbeltiere.
Das Sehzentrum des Gehirns ist ebenso wie die motorischen Zentren gut
entwickelt, denn Fliegen als Bewegungsablauf erfordert eine
hervorragende Koordination. Der gesamte Körperbau eines Vogels ist an
die fliegende Lebensweise angepasst. Sein Knochensystem ist ein
Lehrstück in Leichtbau. Waben-, und räumliche Wölbstrukturen sind die
,,Konstruktionsmerkmale" dieser Tragwerke, die jedes System, das
natürliche und das künstliche fest und zugleich auch leicht machen. An
der Kunst der räumlichen Konstruktion waren die Ingenieure von je her
besonders interessiert, aber erst mit der Verfügbarkeit komplexer
Berechnungsverfahren, wie beispielsweise der Finite Elemente Methode
FEM gelingt es allmählich, das Geheimnis natürlicher Beul- und
Wölbstrukturen zu entschlüsseln. Und dennoch, das Leistungsgewicht
biologischer Flieger bleibt eine Herauforderung moderner Ingenieurskunst.
Ein Fregattvogel zum Beispiel, hat eine Flügelspannweite von mehr als
zwei Metern, sein Skelett wiegt aber lediglich etwa 115 g.
Eine weitere Anpassung, die das Gewicht reduziert, ist das Fehlen einiger
Organe. Die heutigen Vögel sind im Zuge der evolutiven Optimierung
zahnlos und ohne muskulösen Kieferapparat ausgestattet. Der
Vogelschnabel ist eine Anpassung, die das Gewicht des Kopfes erheblich
verringert. Fliegen erfordert einen hohen Energieaufwand und einen
intensiven, aktiven Stoffwechsel. Betrachtet man den Energieverbrauch
beim Fliegen pro Zeiteinheit, dann zeigt sich, dass fliegende Tiere in der
gleichen Zeit mehr Energie verbrauchen als rennende oder schwimmende
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Tiere. Vögel halten mittels ihrer eigenen Stoffwechselwärme eine warme,
konstante Körpertemperatur aufrecht.
Gefieder birgt eine Vielzahl unterschiedlichster Geheimnisse. Federn sind
mikrostrukturiert und sie sind hydrophob. Das sind gute Voraussetzungen
für Selbstreinigungseffekte, wie wir sie von zahlreichen Pflanzen kennen.
Das Gefieder speichert Luftmasse, wirkt also als Barriere gegen
Wärmeaustausch und ermöglicht dem Vogel die vom Stoffwechsel
erzeugte Wärme zu behalten. Als Tragfläche bildet Gefieder einen
Universalflügel aus, mit dem extrem unterschiedliche Manöver geflogen
werden können: Kraftflug, Gleiten und Bodeneffekt-Segeln! Wie manche
Kunststoffgewebe, neigt Gefieder dazu, sich im Fluge elektrostatisch
aufzuladen. Wozu das dient, wissen wir noch nicht! Genauso wenigweiß
man darüber, welchen Nutzen die Gasdurchlässigkeit von Federn birgt.
Eine einzelne Feder ist gasdurchlässig. Werden viele dieser Elemente
dachziegelartig angeordnet, tritt eine neue Qualität auf. Der Widerstand
gegen Massendurchfluss in einem Gefieder ist variant, vielleicht ist er
regelbar. Vogelfedern sind genial. In romantischen Worten sprechen wir
gerne über das Federkleid, aber Gefieder ist weit mehr als nur eine
farbenprächtige Verpackung. Gefieder (jedes) funktioniert nach dem
Prinzip des Klettverschlusses. Der wurde ja in der Natur mehrfach
erfunden. Bei Insekten und vor allem bei Pflanzen ist dieses Prinzip
bekannt. Hier dient es der Mobilität. Da Pflanzen nicht laufen können,
haben sie im Laufe der Evolution raffinierte Transportsysteme entwickelt,
sozusagen Mobilität in Fremdvergabe. Klettverschlüsse im Pflanzenreich
funktionieren nach einer einfachen Formel:
Klette in Verbindung mit Wildschweinfell = Mobilität und Verbreitung der Pflanze.
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Strukturmechanisch ist das Vogelgefieder, dank des Klettenverfahrens,
ein ,,selbstausheilendes" Gefüge. Geraten Vögel miteinander in Konflikt,
oder zerzaust sich ihr Gefieder auf andere Weise, genügt eine rasche
kämmende Bewegung (putzen) um den Auftriebsapparat zu reformieren.
Gefieder ist sowohl extrem leicht als auch äußerst fest und gehört zu den
bemerkenswertesten aller Anpassungen von Wirbeltieren. Federn
bestehen aus ß-Keratin - demselben Protein, das auch die Schuppen der
Reptilien bildet. (Dagegen bestehen Haare, Hufe und Nägel aus dem
andersartigen a-Keratin.).
Gefiedertaschen. Gefieder bildet, im Gegensatz zum Segeltuch, das im
umströmten Zustand eher dem physikalischen Modell einer gewölbten
Platte entspricht, räumliche Tragflächenprofile aus. Zukünftige künstliche,
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