„Smart Materials“ – Materialien mit adaptiver Form- und Steifigkeitsregulation
Was ist Bionik?Seit der Entstehung der ersten Lebewesen vor mehr als drei Milliarden Jahren entwickelt sich das Leben auf unserem Planeten kontinuierlich fort und bringt dabei eine sehr große Anzahl ?genialer? und teilweise überraschender Konstruktionsansätze und Problemlösungen hervor. Die Bionik befasst sich mit der Analyse und Übertragung dieser enormen ?biologischen Kreativität? in technische Anwendungen.Was sind Smart Materials?Smart Materials sind Materialien oder Strukturen die in vorhersehbarer und reversibler Art und Weise auf Veränderungen ihrer Umwelt reagieren oder auf diese hin angepasst werden können. In dem vorliegenden Projekt werden Strukturen entwickelt die (selbst-)adaptiv ihre Steifigkeit verändern und so in ihrer Form und ihren Dämpfungseigenschaften regulierbar sind.Vorbildsysteme in der NaturVor etwa 460 Millionen Jahren entstanden die ersten Landpflanzen. Neben dem Problem der Verankerung mussten sie vor allem auch Strukturen und Mechanismen entwickeln, um den Kräften von Gravitation und Wind sowie den Bedingungen in einer austrocknenden Umwelt zu widerstehen. Der Übergang vom Wasser zum Landleben war deshalb mit der notwendigen Ausbildung zahlreicher neuer Eigenschaften und Strukturen verbunden. Zwei dieser Strukturen werden in diesem Projekt untersucht und die Übertragung der zugrunde liegenden Prinzipien in technische Systeme geprüft und vollzogen. Dies sind zum einen zelluläre Druckmantelsysteme und zum anderen Druckröhrensysteme wie sie in krautigen Pflanzen zu finden sind. Dabei werden sowohl Pflanzen mit hohlem als auch mit massiven Achsen untersucht.Untersuchung der biologischen VorbilderAn den Versuchspflanzen werden morphologisch-anatomische Untersuchungen der für die Steifigkeit der Achsen verantwortlichen Strukturen durchgeführt werden. Hierfür werden Frischschnitte und Dauerpräparate der Sprossachsen hergestellt. Die zu untersuchenden anatomischen Parameter der Zellen werden anhand von Längs- und Querschnitten vermessen, bei denen die verschiedenen Gewebe mit Färbemethoden kenntlich gemacht werden. Diese Daten werden mit Daten aus der Untersuchung der Biege- und Torsionssteifigkeit der Pflanzenachsen numerisch beschrieben und in rechnergestützten Simulationen eingesetzt.Umsetzung in bionische ProdukteDie Umsetzung soll bis zur Fertigstellung von Demonstratoren im Labormaßstab erfolgen. Dabei steht der Einsatz von Technischen Textilien und Schäumen im Vordergrund. Diese ermöglichen die Herstellung von technischen Strukturen die pflanzlichen Strukturen sehr nahe kommen und wurden bereits bei der Entwicklung und Produktion des Technischen Pflanzenhalms in der Plant Biomechanics Group Freiburg verwendet. Die Technischen Textilien dienen dabei der Strukturgebung und bilden Steifigkeitsgradienten im Produkt nach. Technische Schäume mit zellähnlichen Strukturen sollen für die Bildung von technischen Druckmantelsystemen eingesetzt werden. Beide Elemente sind außerdem aufgrund ihres geringen Gewichts sehr gut für den Leichtbau geeignet. Die Umsetzung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf, dem Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg und dem Center for Synergetic Structure der EMPA in Duebendorf(CH).