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

Mechanische Dämpfung nach Insektenvorbild - eine FEM-Analyse

Kurzdarstellung des Projektes

Insekten gehören zu den erfolgreichsten Tiergruppen auf unserem Planeten, denen es in den letzten 400 Millionen Jahren gelang, nahezu alle Biotope der Erde zu besiedeln. Ihr enormer Erfolg gründet sich im Wesentlichen auf zwei Merkmalen: das kutikuläre Außenskelett sowie die meist vorhandene Flugfähigkeit. In vielen bionisch motivierten Untersuchungen stehen daher insbesondere die Flugfähigkeit bzw. die aerodynamischen Eigenschaften der ultraleichten Tragflächen der Insekten im Vordergrund.



Bild 1: Sequenz von Einzelbildern beim "Landevorgang" einer Schabe (argent. Waldschabe;
Blaptica dubia; Start: oben links, Ende: unten rechts; Δt = 2 ms). Die hohe Elastizität der Teilelemente überträgt sich dabei auf die Gesamtkonstruktion, die Schabe prallt - unbeschadet - vom Boden ab (Quelle: Philipp Kloss).

Das vorliegende Forschungsprojekt befasst sich jedoch mit den mechanischen Eigenschaften der Kutikula, bei der es sich um hochkomplexes, mehrschichtiges Faserverbundmaterial handelt. Unter Anwendung der Finite Elemente Methode (FEM) wird deutlich, dass sowohl der Verbundwerkstoff als auch dessen jeweilige Anordnung maßgeblich zur mechanischen Belastbarkeit der Tiere beitragen. Das gilt sowohl für den Gesamtorganismus (Bild 1) als auch en detail (Bild 2).



Bild 2: links: Raster-Elektronen-Mikroskopische Aufnahme des Vorderflügels eines Käfers, dieser ist deutlich als "Doppelschale" ausgebildet. Mitte: FEM-Modell nach dieser Geometrievorlage; rechts: 2D-Schalenmodell eines lokal belasteten Flügelquerschnitts via FEM. Erkennbar wird, dass von der Verformung der Oberschale kaum eine Übertragung auf die untere stattfindet, gleiches gilt für die Spannungen (Quelle: Kesel et al. 2003).

Von besonderem Interesse aus technischer Sicht ist hierbei, dass Strukturen aus diesem Werkstoff beim biologischen Vorbild in vielen Fällen als Leichtbauteile ausgebildet werden - was wiederum der Flugfähigkeit der Organismen geschuldet ist. So zeigen die Detail-Analysen des Vorderflügels (Elytra) eines Käfers, dass bei gleicher Materialmenge ein markant günstiger Spannungsablauf in den Außenschichten erreicht werden kann. Hier werden durch einfache Konstruktionsprinzipien lokal wirkende stoßabsorbierende Effekte erzielt. Auch die Betrachtung des Gesamtorganismus' zeigt ein hohes Potenzial hinsichtlich der Dämpfung von Impact-Ereignissen.



Bild 3: links: Grüne Bananenschabe (Panchlora nivea), das Tier zeigt einen flachen, elliptischen Habitus (Quelle: Andrew Martin), Mitte: das am elliptischen Körperbau des Tieres orientierte FEM-Modell bestehend aus 7 Segmenten, die jeweils über hochelastische Werkstoffanteile (Resilin) miteinander verbunden sind. Durch die Integration der elastischen Thorax-Anteile wird eine stärkere Abflachung und somit großflächigere Verteilung des Impacts nach dem Auftreffen auf den Boden erreicht (rechts). Zudem werden die kalkulierten Maximalspannungen hier um 35 % reduziert. (Auftreff-Winkel: 10°; Mitte: Modell ohne Resilinanteile; rechte: inkl. Resilin).

Das gilt auch bei den sog. kontrollierten Abstürzen, die von einigen Insekten beim Landevorgang durchgeführt werden (Bild 1). Die vorliegenden Verformungs-Simulaionen werden am Modellorganismus Schabe bzw. an deren Thorax (Außenskelett) durchgeführt.

Projektziele

Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs Kutikula werden aktuell lediglich im Ansatz berücksichtigt. Bereits dieser stark vereinfachte Ansatz, bei dem die Kutikula lediglich als mechanisch optimiertes Verpackungsmaterial interpretiert wird, offeriert eine große Vielfalt an potentiellen Übertragungsmöglichkeiten in technische Anwendungen: vom robusten Lander für extraterrestrische Exploratoren bis hin zur stoßfesten Verpackung für Transportgut mit unterschiedlichster Dimensionen und Empfindlichkeiten.

Projektleitung
Prof. Dr. Susanna Labisch (Leitung), Andrew Martin, Prof. Dr. Antonia Kesel

Veröffentlichungen

  • Kesel A.B., Philippi U., Grossmann U. (2003): Mechanische Eigenschaften der Käfer-Elytren: Leichtbau durch Hohlprofilbauweise. In: Biona Rep. 16: 199 - 203, (eds. Wisser A., Nachtigall W.) Akad. Wis. Lit., Mainz.

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