Startseite   Mitarbeiter   Anfahrt   Impressum       

 

Termine

2018
Delphi-Befragung

mehr ...

12. Juni 2018
Bionik-Seminar: Melanie Gralow - IAPT, Hamburg: Bionik und Additive Fertigung - eine vielversprechende Symbiose?

mehr ...

30. Mai 2018
Short Course in Biomechanics

mehr ...

26./27. Oktober 2018
9. Bremer Bionik Kongress
"Patente aus der Natur"

mehr ...

Pressemeldung

Seit 15 Jahren auf der Hannover Messe: Das B-I-C der HSB
mehr...

Hannovermesse: B-I-C auf dem FNR Gemeinschaftsstand
mehr...

B-I-C Blog

News und Informationen zu Studiengang, Projektarbeiten und Forschung.
mehr...

BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

Widerstandsreduktion durch Schwarmbildung - numerische Befunde

Kurzdarstellung des Projektes

Die Idee, dass sich Fische zu großen Schwärmen zusammenschließen, um hieraus neben dem Schutz vor Räubern zudem energetische Vorteile bei der Fortbewegung zu erzielen, ist zwar nicht neu, belegt ist sie unterdes noch nicht. Lediglich sehr vereinzelte Untersuchungen beschäftigen sich mit diesem Aspekt der Fischlokomotion (vgl. vorangehendes Projekt "Widerstandsreduktion durch Schwarmbildung") und liefern teils widersprüchliche Resultate.

Ungeachtet dessen ist das Interesse beträchtlich sowohl von wissenschaftlicher als auch von Anwenderseite her belastbare Informationen zu der Frage, ob das Ganze mehr als die Summe seiner Teile sein könnte, zu erhalten.

Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass eine hohe Sensitivität der potenziellen Effekte hinsichtlich sowohl der Strömungsgeschwindigkeit als auch der Anordnungsmuster, und hier explizit bzgl. der Abstände der Einzelkörper bzw. Individuen zueinander, existiert. Dadurch werden experimentelle Untersuchungen immens aufwendig.


Bild 1: Fischschwarm in Wasserkanal, die Anordnungsmuster der Tiere dienen als Vergleich zu den Resultaten der numerischen Simulation.

Numerische Strömungssimulationen scheinen hierbei die Methode der Wahl zu sein, wenngleich der Aufwand hierzu - zumindest aktuell - mitnichten geringer ist. Dennoch lässt sich durch die Kopplung unterschiedlicher computergestützter Methoden ein Zugewinn an Wissen & Information über die strömungsmechanischen Effekte des Schwarmschwimmens erlangen.

 

In der vorliegenden Untersuchung werden CFD-Verfahren mit der Evolutionsstrategie gekoppelt, ein Optimierungsverfahren, welches auf den Auswahl-Prinzipien der biologischen Evolution beruht (Reproduktion der Vorläufer-Generation, zufällige Mutation der betrachteten Parameter & Selektion unter gegebenen Randbedingungen).


Bild 2: Optimales Anordnungsmuster eines simulierten "Fischschwarms" mit 6 Individuen nach 356 Generationen (Iterationen). Der Gesamtwiderstand kann unter gegebenen Randbedingungen um 2,7 % gegenüber den aufaddierten Einzelwiderständen von 6 Solitärobjekten reduziert werden. Die zugestellten Werte geben den Widerstandswert des jeweiligen Individuums im Schwarm an (Solitärobjekte sind mit dem Wert 0,5 beaufschlagt). Die Resultate zeigen auch, dass es innerhalb des Schwarms aus energetischer Sicht sehr unterschiedliche Positionen gibt.

Erste Resultate zeigen unter aktuell noch sehr stark vereinfachten Randbedingungen eine Reduktion des Gesamtwiderstands des Schwarms in Abhängigkeit von der Anordnungsgeometrie gegenüber der Summe der Einzelwiderstände auf (Bild 2). Noch sind die Befunde vorläufig und auf wenige, zweidimensionale Tauchkörper beschränkt. Modellerweiterungen lassen größere Schwärme auch im dreidimensionalen Bereich erwarten. Die Simulationen könnten Aussagen liefern, inwiefern es energetische Vorteile bietet, z.B. autonome Unterwasserfahrzeuge in Schwärmen zu ihren jeweiligen Einsatzstellen zu entsenden, die sich dann vor Ort trennen, um der jeweiligen Mission nach zu gehen.

Auf jeden Fall offerieren die Simulationen erste Interpretationsansätze bzgl. des Schwarmverhaltens vieler Fische: die Positionen werden konstant gewechselt, obwohl die Tiere mit ihrer sensorischen wie neuromotorischen Ausstattung die Möglichkeit hätten nahezu "punktgenaue" Abstände zu Nachbarindividuen einzuhalten. Erstaunlich ist hierbei, dass die meisten Irritationen bzgl. der Schwimmposition aus dem Inneren des Schwarms heraus induziert werden. Die Widerstandsverteilung in Bild 2 könnte ein Hinweis auf die Begründung hierfür sein.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Nils Owsianowski, Manuel Langkau

Kooperationspartner
    - Zoologisches Institut, Universität zu Köln

Veröffentlichungen

  • Langkau, M. (2008): Piscivore versus planktivore: How does morphological change influence ecological performance? An intraspecific survey (Diplomarbeit an der Universität Köln, unpubl.).
  • Langkau, M.; Sonntag R., Kesel, A.B., Borcherding J. (in prep.): Piscivore versus planktivore: How does morphological change affect ecological performance? An intraspecific survey.
  • Owsianowski N.; Kesel, A.B. (2007): Drag reduction in schooling fish? – A CFD approach. In: SEB 2007 Abstracts. CBP Part A, Volume 150, Issue 3, Suppl. 1, p. S85.
  • Owsianowski N.; Kesel, A.B. (2009): Drag reduction in schooling fish – a CFD approach. In: "Bionik: Patente aus der Natur" (eds. Kesel A.B., Zehren D.), Bionik-Innovations-Centrum, Bremen, p. 187-194.

Informationen zu ...

   Delphi Befragung 2018

   Bionik Kongress 2018

   Tagungsband - Bionik Kongress

   Über das B-I-C

   Forschungsbereiche

   Publikationen

   B-I-C Blog

   Bionik in der Bildung

   Bionik Bachelor Studium

   Bionik Master Studium

   Mitarbeiter Bionik