Das Bionicum nahm seine Arbeit mit eigenen Forschungsprojekten auf. Bis 2019 wurden an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Technischen Hochschule Nürnberg Bewegungsmechanismen aus dem Tier- und Pflanzenreich für eine effizientere menschliche Technik erforscht und erprobt. Unterstützt wurden die Projekte durch das Bayerische Landesamt für Umwelt und den Tiergarten Nürnberg.
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Spinnen nutzen für ihren „Antrieb“ sowohl Muskeln als auch Hydraulik in ihren Beinen. Dieses Prinzip und eine intuitive Programmierung sind Vorbild für den OHM-Krabbler, ein Laufroboter, dessen acht Beine über je ein bionisches Gelenk verfügen. Als Fluid verwendet der OHM-Krabbler Druckluft. Bei der Programmierung der Schrittsequenzen wurde darauf geachtet, dass diese dem biologischen Vorbild ähneln.
Der Prototyp ist inzwischen in eine Höhle im Bionicum eingezogen – direkt neben ihrem biologischen Vorbild, der Rotknievogelspinne.
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Hornfeck / Stefan Landkammer Prof. Dr.-Ing. Peter Heß / Florian Winter
Muskeln aus Kunststoff statt Elektromotoren
Die günstigen Eigenschaften von Muskeln sind Vorbild für neuartige Antriebe von Robotern. Roboter sollen leichter und sicherer werden, sodass sie in direkter menschlicher Umgebung eingesetzt werden können. Darüberhinaus ergeben sich Alternativen, die im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotoren deutlich nachhaltiger sind.
Das Projekt setzte sich zusammen aus der Modellierung der Museklen als auch deren Konstruktion und Fertigung.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr. Sigrid Leyendecker / Tristan Schlögel Prof. Dr. Ing. Jörg Franke / Sebastian Reitelshöfer / Max Landgraf
Sonnenlicht einfangen mit BIOSOL
Sonnenlicht wird bisher nur zur Gewinnung von Strom und Wärme technologisch genutzt. Die direkte Nutzung des Lichtes ist Ziel des Projektes BIOSOL. Dafür wurde ein Flüssigkristall-Elastomer (LCE) mit lichtempfindlichen Zusatzstoffen entwickelt und ausführlich getestet, der sich bei Bestrahlung zusammenzieht.
Diese bionische Lösung ist nicht nur auf den Sollektor anwendbar, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten, Licht- oder auch Wärme-induzierte Aktoren zu bauen.
Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm Prof. Dr. Hans Poisel / Philipp Dengler / Michael Lippenberger
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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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.
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.
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.
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.
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.
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“.
