BayBionik Forschung

Die Bionik kann als Forschungsdisziplin einen erheblichen positiven Beitrag für unsere Gesellschaft und die Lösung aktueller Herausforderungen leisten. Das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanzierte daher von 2019 bis 2022 den Projektverbund „BayBionik – Von der Natur zur Technik“, um zukünftige Entwicklungen in Forschung und Industrie verantwortungsvoll und nachhaltig zu gestalten.

Das Bionicum betreute die Projekte mit Veranstaltungen und digitalen Angeboten. Zudem entstand die Sonderausstellung Bionik to the Future im Bionicum und die App Bionik2Future.

Einblicke zur Forschung sowie die Filme Bionik Science Backstage findet ihr unten bei den Projektbeschreibungen.

Für Kinder und Jugendliche haben wir Podcasts produziert. Die gibt es auf unserer YouTube Playlist:

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BayBionik Projekte im Überblick

Selbstreinigende Oberflächen inspiriert durch die Kannenpflanze

Muschelteppiche an Schiffen, Schneckenplagen in der Landwirtschaft: Stark abweisende Beschichtungen zu entwickeln, die so etwas in Zukunft vermeiden sollen, ist das Ziel des BayBionik–Projekts. Kannenpflanzen aus der Nepenthes Familie liefern dafür interessante Ansätze. Die fleischfressende Pflanze bildet an ihrem Kannenrand eine glitschige Oberfläche. Insekten können sich nicht festhalten und schlittern unaufhaltsam ins Innere der Kanne. Nach diesem Vorbild werden Antihaft–Beschichtungen hergestellt, die Verschmutzungen einfach an der Oberfläche abgleiten lassen.

→ YouTube: Auf Rutschpartie mit Kannenpflanzen

Friedrich–Alexander–Universität Erlangen–Nürnberg
Prof. Dr. Nicolas Vogel / Teresa Walter

Nachhaltige Oberflächenfunktionalisierung nach dem Vorbild der Natur

Praktische selbstreinigende Oberflächen von z. B. Nutzfahrzeugen, Wohnmobilen oder bei Möbeln sind oft beschichtet. Doch je länger diese Produkte in Gebrauch sind und je öfter sie gereinigt werden, desto mehr wird die Beschichtung geschädigt und die Funktion geht verloren. Das Ziel des Projekts war es daher Oberflächen zu entwickeln, die sich selbst erneuern können. Dafür wurden Zusatzstoffe identifiziert, die nach dem Vorbild der Natur
in der Lage sind, selbstständig an die Oberfläche eines Materials zu wandern. Diese werden in den Kunststoff des gewünschten Gebrauchsgegenstands eingemischt und bilden dort eine leicht zu reinigende Oberfläche. Die Schicht erneuert sich von selbst und
funktioniert über lange Zeiträume, ganz ohne umweltschädliche Beschichtung.

→ YouTube: Für immer sauber?!

Technische Hochschule Deggendorf
Prof. Dr. Martin Aust / Matthias Weichselgartner

Energieeffiziente Herstellung strukturierter Biokeramik

Knochen, Zähne oder Muschelschalen: Viele Lebewesen bauen Schicht für Schicht eine leistungsfähige Biokeramik auf. In Perlmutt z. B. wechseln sich Schichten von Kalk mit denen von Proteinen ab. Erst die Verbindung aus beiden macht Perlmutt so außerordentlich belastbar. Biokeramiken sparen dabei Material und Energie: Eine Muschel muss weniger Schale bilden, ein Skelett wird leichter. Der Aufbauprozess funktioniert bereits bei geringen Temperaturen, wie etwa bei 4°C in der Tiefsee. Menschengemachte Keramiken müssen bei 800 – 2.500°C gebrannt werden, damit sie sich ausreichend verfestigen können.
Ziel des BayBionik–Projektes war es, bioinspirierte Beschichtungen zu erzeugen. Solche Beschichtungen können beispielsweise für Knochen–Implantate genutzt werden und langfristig eine nachhaltige Alternative zu den energetisch aufwändigen Keramikprozessen darstellen.

→ YouTube: Muschelschalen, das Porzellan der Natur

Friedrich–Alexander–Universität Erlangen–Nürnberg
Jun.–Prof. Dr. Stephan E. Wolf / Sarah Haase / Simon Leupold

Bionische High–Tech–Materialien für optische Anwendungen (BionOptik I & II)

Das Ziel des Kooperations–Projektes zwischen der Universität Bayreuth und der Technischen Universität München, Straubing war die Herstellung von bioinspirierten „Glasfaserkabeln“, die aus den biologischen Materialien Cellulose und Spinnenseide bestehen. Als Vorbild dient der Gießkannenschwamm (Euplectella aspergillum), dessen Glasnadeln durch den besonderen Aufbau Licht leiten können. Cellulosepartikel fungieren als optische Leiter, während die Spinnenseide durch ihre herausragenden mechanischen
Eigenschaften die robuste und flexible Hülle der Faser bildet.

→ YouTube: High-Tech Optik aus Spinnenseide
→ YouTube: High-Tech Optik aus Pflanzen

Universität Bayreuth
Prof. Dr. Thomas Scheibel / Kai Mayer
Technische Universität München Campus Straubing
Prof. Dr. Cordt Zollfrank / Martin Reimer

Ein Eulenhalsgelenk für effizientere Maschinen

Für eine gute Rundumsicht drehen Eulen ihren Kopf fast komplett um die eigene Achse. Die genaue Analyse dieser Bewegung und vor allem die ununterbrochene Blutzufuhr des Gehirns während der starken Verdrehung des Halses standen im Fokus dieses BayBionik–Projektes. Denn in der Technik können derart bewegliche Gelenke sinnvoll eingesetzt werden. Herkömmliche Gelenkroboter sind zu schwer und benötigen sehr viel Energie.
Das Forschungsteam analysiert das Zusammenspiel der Eulenhalswirbel und konstruiert daraus beispielsweise energieeffizientere Gelenke für Baumaschinen oder Handlings–
Roboter in der Pflege.

→ YouTube: Rundumsicht wie eine Eule

Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
Prof. Dr. Rüdiger Hornfeck / Robin Löffler

Koordinierung zum Projektverbund BayBionik

In vielen Bereichen der Gesellschaft dominieren eine nicht nachhaltige Lebensweise und Wirtschaft. Das Erreichen langfristiger Ziele zum Schutz der Umwelt und des Lebens auf
der Erde erfordert im Sinne der Bioökonomie umfangreiche Transformationen in vielen Bereichen der Gesellschaft. Dabei sind Technik und Innovation zentrale Handlungsfelder, an denen angesetzt werden kann. Wissenschaftlich-technischer Fortschritt, der den Umweltschutz explizit berücksichtigt, ermöglicht nachhaltiges Wirtschaften und verantwortungsvolle Innovation. In diesem Zusammenhang fördert das Bayerische
Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz den Projektverbund „BayBionik – Von der Natur zur Technik“.

→ YouTube: BayBionik

Technische Hochschule Deggendorf
Prof. Dr. Kristina Wanieck / Kirsten Wommer

BayBionik Research

As a research discipline, bionics can make a significant positive contribution to society and to solving current challenges. The Bavarian State Ministry for Environment and Consumer Protection therefore funded the project network “BayBionics – From Nature to Technology” from 2019 to 2022 in order to shape future developments in research and industry in a responsible and sustainable manner.

The Bionicum promoted the projects with events and digital programmes – the special exhibition “Bionik to the Future” at the Bionicum and the app “Bionik2Future” being the main outcome of that.

More insights as well as the films Bionik Science Backstage (German and English) can be found below in the project descriptions.

Podcasts for children can be found on our YouTube playlist (German only):

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BayBionik research projects at a glance

Self-cleaning surfaces inspired by pitcher plants

Mussel carpets on ships, snail infestations in agriculture: the aim of the BayBionics project is to develop highly repellent coatings that will prevent such problems in the future. Pitcher plants from the Nepenthes family provide interesting approaches for this. The carnivorous plant forms a slippery surface on its pitcher rim. Insects cannot hold on and slide inexorably into the inside of the pitcher. Non-sticky coatings are produced along these lines, which allow dirt to simply slide off the surface.

→ YouTube: Slippery slopes of pitcher-plants

Friedrich–Alexander–University Erlangen–Nremberg
Prof. Dr. Nicolas Vogel / Teresa Walter

Sustainable self-healing surfaces following nature’s example

Practical self-cleaning surfaces of e.g. commercial vehicles, mobile homes or in furniture are often coated. But the longer these products are in use and the more often they are cleaned, the more the coating is damaged and the function is lost. The aim of the project was therefore to develop surfaces that can renew themselves. Additives were identified that, following nature’s example, are able to migrate independently to the surface of a material. These are mixed into the plastic of the desired article of daily use, where they form an easy-to-clean surface. The layer renews itself and works over a long period of time, without the need for environmentally harmful coatings.

→ YouTube: Forever clean?

Institute of Technology Deggendorf
Prof. Dr. Martin Aust / Matthias Weichselgartner

Structured bioceramics – energy-efficiently produced

Bones, teeth or shells: Many living organisms build up efficient bioceramics layer by layer. In nacre, for example, layers of calcium alternate with those of proteins. It is the combination of the two that makes nacre so extraordinarily resilient. Bioceramics save material and energy: a mussel needs to build less shell, and a skeleton becomes lighter. The build-up process already works at low temperatures, such as 4°C in the deep sea. Man-made ceramics have to be fired at 800 – 2,500°C to solidify sufficiently.
The goal of the BayBionics project was to create bioinspired coatings. Such coatings can be used for bone implants, for example, and in the long term provide a sustainable alternative to the energetically expensive ceramic processes.

→ YouTube: Mussel shells – the porcelain of nature

Friedrich–Alexander–University Erlangen-Nuremberg
Jun.–Prof. Dr. Stephan E. Wolf / Sarah Haase / Simon Leupold

Bionic high-tech materials for optical applications

The aim of the cooperative project (BionOptics I & II) between the University of Bayreuth and the Technical University of Munich, Straubing was to produce bioinspired “fiber optic cables” consisting of the biological materials cellulose and spider silk. The model is the venus flower basket (Euplectella aspergillum). Its glass needles can conduct light due to their special structure. Cellulose particles act as optical conductors, while the spider silk, thanks to its outstanding mechanical properties, forms the robust and flexible shell of the sponge.
properties, spider silk forms the robust and flexible cover of the fiber.

→ YouTube: High-tech optics made from spider silk
→ YouTube: High-tech optics from plants

University Bayreuth
Prof. Dr. Thomas Scheibel / Kai Mayer
Technical University Munich Campus Straubing
Prof. Dr. Cordt Zollfrank / Martin Reimer

Designing an owl joint for efficient machines

To observe the surrounding owls turn their heads almost completely around their own axis. The focus of this project was to analyze this movement and, above all, the blood supply to the brain during the strong twisting of the neck. After all, joints that can move like that come quite handy in technology. Conventional joint robots are too heavy and require a lot of energy. The research team modeled the interaction of the owl’s neck vertebrae and designed more energy-efficient joints for i.e. construction machinery or handling robots in nursing care.

→ YouTube: 360 vision like an owl

Institute of Technology Nuremberg Georg Simon Ohm
Prof. Dr. Rüdiger Hornfeck / Robin Löffler

Coordinating the projects BayBionik

Many sectors of society are dominated by unsustainable lifestyles and economies. Achieving long-term goals for the protection of the environment and life on earth requires extensive transformations in many areas of society concerning bioeconomy. In this context, technology and innovation are central fields of action that can be addressed. Scientific and technological progress that explicitly takes environmental protection into account enables sustainable economic activity and responsible innovation. Therefore the Bavarian
Ministry for the Environment and Consumer Protection is funding the “BayBionics – From Nature to Technology” project network.

→ YouTube: BayBionik

Institute of Technology Deggendorf
Prof. Dr. Kristina Wanieck / Kirsten Wommer