Bewegungsbionik – Von der Natur laufen, schwimmen und fliegen lernen

Das Propeller- und das Rückstossprinzip sind nur zwei Beispiele aus dem Forschungsgebiet der Bewegungsbionik. Dieser spezialisierte Teilbereich der Bionik befasst sich mit der Umsetzung von Mechanismen und Strukturen aus der Natur in die Bewegung technischer Objekte.

Ahornsamen

Ahornsamen sind Mini-Propeller. Bild: CanStockPhoto

Die Bewegungsbionik, ein Teilgebiet der Bionik, hat zum Ziel, die Fortbewegung technischer Objekte zu optimieren, indem sie die Bewegung und Fortbewegung von Lebewesen erforscht und geeignete biologische Lösungen in technische umsetzt.

Das Propellerprinzip der Ahornsamen

Gyrokopter

Gyrokopter nach dem Prinzip des Ahornsamens. Bild: CanStockPhoto

Erfindungen der Natur haben die Menschen zu bahnbrechenden technischen Errungenschaften inspiriert, beispielsweise das Propellerprinzip von Ahornsamen. Jedes Kind kennt die Ahornsamen, die wie Mini-Hubschrauber zu Boden schweben. Während sich der Ahornsamen dreht, entsteht über der oberen Kante des Flügels ein Luftwirbel, der den Luftdruck oberhalb des Flügels sinken lässt, was für Auftrieb sorgt. So wird der Samen nach oben gesogen. Mit dieser Technik können sich die Samen von Windstoss zu Windstoss hangeln und kilometerweit tragen lassen. Auf diesem Prinzip basiert der Gyrokopter, auch Tragschrauber genannt. Er erinnert an einen Hubschrauber, aber sein Rotor wird nicht durch ein Triebwerk, sondern durch den Fahrtwind in Drehung versetzt.

Die Gemeinsamkeit von Quallen, Kraken und Raketen

Krake

Krake. Der Sipho, die schlauchartige Struktur, aus der das Wasser wie aus einer Düse gepresst wird, ist sichtbar. Bild: Wikimedia Commons

Ein weiteres faszinierendes Beispiel der Bewegungsbionik ist das sogenannte Rückstossprinzip, das man bei Quallen oder Tintenfischen findet. Sie nehmen Wasser in ihren Schirm bzw. Mantel auf und stossen es als Wasserstrahl wieder aus. Dabei bewegt sich der Tierkörper in die dem Wasserstrahl entgegengesetzte Richtung. Ähnlich funktioniert der Antrieb von Raketen. Bei der Verbrennung des Treibstoffs entstehen Gase, die aus den Düsen der Rakete ausgestossen werden. Dabei wird die Rakete in die entgegengesetzte Richtung gestossen.

Bewegung findet man aber nicht nur im Tierreich. Torfmoose schiessen ihre Sporen in die Höhe, damit sie vom Wind erfasst und möglichst weit verbreitet werden. Wenn die Sporenkapsel aufgrund des hohen Innendrucks platzt, werden die Sporen mithilfe des Rückstossprinzips 10-20 cm hoch geschleudert. Nicht sehr hoch würde man meinen, und dennoch höher als sie aufgrund ihrer Masse gelangen dürften. Ringförmige Wirbel, die aufgrund der Beschleunigung der Sporen am Rande der Flugbahn entstehen, erzeugen genug Auftrieb, damit die Sporen verhältnismässig grosse Höhen erreichen.

Wie Fische den Auftrieb beherrschen

Schwimmblase einer Laube

Die Schwimmblase in einer Laube (markiert mit S und S'). Bild: Wikimedia Commons

Eine interessante Erfindung im Bereich der Bewegungsbionik ist der U-Boot-Auftrieb, der von der Schwimmblase der Fische inspiriert ist: Um abzutauchen wird die Blase oder analog eine Kammer des U-Bootes mit Wasser gefüllt, bis die gewünschte Wassertiefe erreicht ist. Für den Auftrieb wird das Wasser wieder abgelassen und die Blase bzw. Kammer mit Luft gefüllt. Dieses Prinzip beruht darauf, dass Luft eine deutlich geringere Dichte als Wasser hat.

Vielversprechende Forschung an Fliegen

Das Innere des Brustkorbs der Fliege

Das Innere des Brustkorbs der Fliege. Sichtbar sind die fünf untersuchten Steuermuskeln (grün bis blau) und die Kraftmuskeln (gelb bis rot). Bild: PLOS Biology

Momentan noch Zukunftsmusik ist der Bau von mikromechanischen Geräten mit einer Funktionsweise analog derjenigen des Fluggelenks der Fliegen. Bei der Fliege bewirken grosse Kraftmuskeln im Brustkorb den symmetrischen Flügelschlag, während kleinere Steuermuskeln den asymmetrischen Flug, also zum Beispiel das Fliegen einer Kurve, kontrollieren. Die Frage der Wissenschaftler war, wie die viel kleineren Steuermuskeln die Leistung der grossen Kraftmuskeln kontrollieren können. Durch ein ausgeklügeltes Bildgebungsverfahren fanden sie heraus, dass Energie von einem Kraftmuskel in einen Steuermuskel umgeleitet werden kann, der diese überschüssige Energie aufnimmt. Das entspricht dem Schalten in einen tieferen Gang beim Auto, um die Geschwindigkeit zu drosseln. Die Aufklärung dieses genialen Funktionsprinzips könnte nun die Entwicklung neuartiger Motoren im Mikrobereich vorantreiben - ein neues, bahnbrechendes Forschungsfeld der Bewegungsbionik.

Dieses Video zeigt den Brustkorb der Fliege und hebt die Bewegungen des Brustkorbs und die Position der Muskeln hervor.

 

Quelle: PSI

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