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MASTERSTUDIENGANG BIONIK: MOBILE SYSTEME (M.Sc.) – Masterthesis

Bionik: Mobile Systeme ist ein forschungsorientiertes, interdisziplinäres Studium biologischer wie ingenieurwissenschaftlicher Inhalte, das mit dem berufsqualifizierenden Abschluss "Master of Science" (M.Sc.) abgeschlossen wird. Im dritten Semester wird die Masterthesis angefertigt. Im Folgenden finden Sie zusammengefasste Beispiele.

Entwurf und Konstruktion einer biologisch inspirierten Strömungshülle für OpenROV

Dominik Appel

Abschlussarbeit im Masterprogramm „Bionik: Mobile Systeme“ an der HS Bremen.

 



Der Unterwasserroboter OpenROV ist mit externer Steuerung und Datenversorgung ausgestattet, trägt aber eine integrierte Batterie. Das macht eine energieeffiziente Optimierung notwendig. Ziel der Arbeit war, die Außenhülle nach biologischen Vorbildern strömungsgünstig zu optimieren. OpenROV ist ein Open-Source Produkt. U.a. die CAD-Daten sind frei zugänglich.

 

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Aus OpenROV wird TurtleROV - Energieeffiziente Hüllenoptimierung

Ergebnisse:

  • Windkanalversuche: Reduktion der auf das ROV wirkenden Kräfte frontal um 67,5-77,6 %, lateral um 49,7-66,5 %
  • TurtleROV im Funktionstest um bis zu 94 % höhere Geschwindigkeit als OpenROV
  • Effektive Reichweite etwa verdoppelt bzw. die Einsatzzeit erheblich verlängert
  • TurtleROV bei Wendemanövern um die Vertikalachse etwa 3x schneller
  • Manövrierfähigkeit deutlich verbessert
  • Die TurtleROV Strömungshülle ermöglicht den Einbau weiterer funktionaler Komponenten, ohne die Umströmung negativ zu beeinflussen.
 


Nach bionischen Gesichtspunkten modifizierte TurtleROV Umhüllung des OpenROV 2.7/2.8.

     
 

OpenRov 2.7/2.8 im Original.

 

Vorbild Meeresschildkröte (Foto:schuetze77(2005)- CC 3.0)

Nach verschiedenen biologischen Vorbildern konstruierte Modelle wurden durch 3D-Druck in verkleinertem Maßstab (1:3) gefertigt und in Windkanal- und PIV-Messungen bezüglich ihrer strömungsmechanischen Eigenschaften untersucht. Die besten Ergenisse erzielten Formen nach Vorbild der Meeresschildkröte Chelonia mydas.  

 

 

 

Master-Thesis im Studiengang
Bionik: Mobile Systeme (M.Sc.)

 

 

 

 

The Hydrodynamic of Shark Skin

Johannes Oeffner

Abschlussarbeit im Masterprogramm „Bionik: Mobile Systeme“ an der HS Bremen in Kooperation mit dem Department of Organismic and Evolutionary Biology, Harvard University, USA.

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Haut von Haien steht seit geraumer Zeit im Fokus des bionischen Interesses. Diese Studie führte erstmalig dynamische Analysen an sich im Wasserkanal elastisch bewegenden Modellen durch.

 

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Abb: J. Oeffner

 

Die Haut von Haien, bzw. deren vollständiger Besatz mit mikroskopisch kleinen Zähnchen (Dentikel) steht seit geraumer Zeit im Fokus des bionischen Interesses. Noch bevor ihre Wirksamkeit gegen biogenen Bewuchs aufgezeigt werden konnte, stand sie Pate für widerstandsreduzierende Oberflächen wie der Riblet-Folie. In Testflügen erbrachte diese an Flugzeugrümpfen Reduktionen des Reibungswiderstands und damit des Kerosinverbrauchs von einigen Prozent. Auch Schwimmanzüge im Wettkampfbereich warben einige Zeit mit dem Haieffekt, konnten diesen in wissenschaftlichen Untersuchungen jedoch bis dato nicht belegen.

 

Analyse von Strömungseigenschaften der Haihaut im Wasserkanal

 


Die Haut von Haien ist vollständig mit mikroskopisch kleinen Zähnchen, so genannten Dentikeln, besetzt. Sie divergieren je nach Körperregion in Ausrichtung, Größe und Form und tragen so zu optimalen Umströmungsverhältnissen entlang des schwimmenden Haikörpers bei.

 

Abb. J. Öffner

     

Wurden bisher lediglich Untersuchungen an starren Körpern unter konstanten Strömungsbedingungen durchgeführt, so konnten in der vorliegenden Studie erstmalig dynamische Analysen an sich im Wasserkanal elastisch bewegenden Modellen durchgeführt werden. Sie geben erste Hinweise auf die Interaktion zwischen Haihaut und der sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Bewegungsphase ändernden Umströmung.

 

Untersuchungen mittels PIV (Particle Image Velocimetry) erlauben hierbei erste Einsichten in die Einflussnahme der Dentikel auf die Grenzschicht bzw. deren Ablöseverhalten. Makroskopisch, also auf den gesamten Modellkörper bezogen, lassen sich durch die Haihaut, bzw. deren Dentikel, Widerstandsreduktionen von bis zu 12 % generieren.

Grund genug die detaillieren Analysen fortzuführen und die Befunde auf ihre Anwendbarkeit hin zu überprüfen.

     
Öffner J. 2009: Hydrodynamic function of shark skin and its biomimetics application. Masterarbeit im „Bionik: Lokomotion in Fluiden“.
Öffner J., Lauder G.V. 2012: The hydrodynamic function of shark skin and two biomimetic applications. J. Exp. Biol. 215: 785 - 795.
 

Master-Thesis im Studiengang
Bionik: Mobile Systeme (M.Sc.)


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