Bionischer Rundgang

Am Tiergarten 30, 90480 Nürnberg, DE

Das Bionicum ist eine interaktive Ausstellung zum Thema Bionik. Bionik setzt sich aus den beiden Wörtern Biologie und Technik zusammen und so geht es hier um alles, was sich der Mensch von der Natur abgeschaut hat.
Weil die Ausstellung während Corona leider geschlossen blieb, erkundet Roboter Nao im Film das menschenleere Bionicum.

Am Tiergarten 16, 90480 Nürnberg, DE

Giraffen erreichen im Galopp eine Geschwindigkeit von bis zu 55 Stundenkilometern. Was macht die großen Tiere so leichtfüßig? Und wie halten ihre dünnen Beine der Belastung stand?

Das Geheimnis liegt in den Knochen. Alle Knochen passen sich ein Leben lang an Belastungen an. Sie verstärken sich dort, wo es nötig ist, und bauen sich ab, wo sie nicht belastet werden. Im Innern haben Knochen eine löchrige, schwammartige Struktur. Daher sind sie nicht nur stabil, sondern auch leicht.

Auch in der Technik braucht man leichte und stabile Bauteile. Die Natur liefert die besten Ideen dafür. Wussten Sie, dass das Innere eines Knochens für die Leichtbauweise des Eiffelturms Modell stand?

Schmausenbuckstraße 166, 90480 Nürnberg, DE

Kängurus können bis 13 m weit und 2-3 m hoch springen. Sie haben extrem muskulöse Hinterbeine. Die Achillessehne dient als „Energiespeicher“ und langer Schwanz als Ruder. Ihr Sprung ist sehr energieeffizient (weniger Sauerstoffverbrauch als vergleichbare Tiere) und sie erreichen Spitzengeschwindigkeiten von 80 km/h.

Es erfolgt eine Speicherung der kinetischen Energie des Aufpralls für die Energie beim nächsten Absprung. Für die Technik wurde das BionicKangaroo (Fa. Festo) im Leichtbau entwickelt. Der Roboter kombiniert pneumatischen und elektrischen Antrieb. Es gibt eine effiziente Landung durch elastisches Federelement aus Gummi (Sprungdämpfung, Speicherung der kinetischen Energie, Freisetzung beim nächsten Sprung). Das BionicKangaroo springt 80 cm weit und 40 cm hoch (noch wenig vergleichbar mit „echtem“ Känguru).

Am Tiergarten 1, 90480 Nürnberg, DE

Fledermäuse rufen so laut wie ein Düsenjet. Glücklicherweise auf einer Frequenz, die zum Großteil jenseits unseres Hörvermögens liegt. Ähnlich wie die Delfine verständigen sich die nächtlichen Jäger mithilfe der Echoortung. Dadurch können sie Hindernisse umsegeln, Beutetiere aufspüren und zielsicher landen. Mit technischen Hilfsmitteln können sogar wir die Rufe der Fledermäuse hören.

Am Tiergarten 30, 90480 Nürnberg, DE

Delfine verständigen sich mit einem abwechslungsreichen Singsang. Für das menschliche Ohr sind ihre Töne allerdings viel zu hoch.

Schallwellen breiten sich im Wasser gut aus, werden aber durch Hindernisse wie Fischschwärme und Luftblasen abgelenkt und mit Echos überlagert. Die Delfine verhindern, dass sich ihre Botschaften mit dem Echo vermischen, indem sie ständig die Tonhöhe wechseln. Außerdem verbinden sie ihren Gesang mit einem zweiten Signal, einer Art Kenn-Melodie. Diese hilft dem Empfänger, den Rest der Nachricht richtig zu entschlüsseln.

Die Delfin-Technik war Vorbild für ein Unterwassermodem. Es wurde ab 2008 eingesetzt und funkte Seebebenwarnungen vom Meeresgrund zu speziellen Bojen, die das Signal über Satellit weiterleiteten. Mehr dazu bei den Bildern.

Am Tiergarten 1, 90480 Nürnberg, DE

Knochen, Zähne oder Muschelschalen: Viele Lebewesen bauen Schicht für Schicht eine leistungsfähige Biokeramik auf. In Muschelperlmutt wechseln sich Schichten von Kalk mit denen von Proteinen ab. Erst die Verbindung aus beiden macht Perlmutt so außerordentlich belastbar. Die Muschel spart dabei Material und Energie, denn das funktioniert bereits bei 4°C in der Tiefsee. Menschengemachte Keramiken dagegen müssen bei sehr hohen Temperaturen gebrannt werden und sind dennoch weniger stabil. Mit der Muschel als Vorbild versuchen Forscher der FAU eine stabile Biokeramik zu entwickeln. Bioinspirierte Beschichtungen eignen sich als Knochen-Implantate und bieten eine nachhaltige Alternative zu bisherigen Keramiken.

Am Tiergarten 1, 90480 Nürnberg, DE

Mensch, ganz schön dreckig! Bei der Arbeit im Tiergarten werden die Nutzfahrzeuge schnell schmutzig. Und leider sind die Traktoren meist zu groß für die Waschanlage an der nächsten Tankstelle.
Pflanzen können sich selbst reinigen - wäre es nicht super, wenn sich auch Traktoren selbst reinigen könnten? Daran forscht die TH Deggendorf. Das Video erklärt, wie genau Toni der Traktor sauber bleibt.

Am Tiergarten 30, 90480 Nürnberg, DE

Eulen haben den Dreh raus! Für eine gute Rundumsicht bewegen sie ihren Kopf fast komplett um die eigene Achse. Dieses Prinzip haben sich Wissenschaftler der TH Nürnberg zum Vorbild genommen, denn derart bewegliche Gelenke können in der Technik sinnvoll eingesetzt werden. Herkömmliche Gelenkroboter sind schwer und benötigen viel Energie, im Gegensatz zu einem Eulen-inspirierten Gelenk. Deswegen analysiert das Forschungsteam das Zusammenspiel der Eulen-Halswirbel und konstruiert energieeffiziente Gelenke für verschiedene Handling- oder Inspektionsanwendungen.

Am Tiergarten, 90480 Nürnberg, DE

Strauße legen die größten Eier. Sind nicht nur groß, sondern auch stabil. So stabil, dass Chris und Roboter Emma darauf stehen können. Auch viele Kuppeln von Kirchen und Palästen sind in der Form einer Eierschale gebaut. Das Video zeigt die erstaunliche Stärke der Eier.

Am Tiergarten 8, 90480 Nürnberg, DE

Pinguine tauchen bis zu zehn Stunden am Tag und brauchen dafür nur wenig Energie. Dass sie so mühelos durch das Wasser gleiten, liegt an ihrer Körperform. Sie bietet dem Wasser einen außergewöhnlich geringen Widerstand. Bezogen auf seine Größe, ist der Strömungswiderstand eines Pinguins achtmal kleiner als der eines Sportwagens!

Für Auto- und Flugzeugbauer ist der Pinguin ein spannendes Vorbild. Denn in der Luft kommt es ebenso auf eine schnittige Form an wie im Wasser. Allerdings ist die Pinguin-Form für Autos wenig geeignet und hat sich auch bei Flugzeugen nicht durchgesetzt.

Am Tiergarten 8, 90480 Nürnberg, DE

Seehunde verfolgen auch in trübem Wasser zielsicher ihre Beute. Denn sie nehmen die feinen Verwirbelungen wahr, die die Fische im Wasser hinterlassen.

Dazu dient den Seehunden ein empfindliches Sinnesorgan: der Schnurrbart. Ein Seehund besitzt zirka 100 Schnurrhaare, die sogenannten Vibrissen. Sie sind jeweils von rund 1500 Nervenzellen umgeben. Damit kann er Wasserbewegungen von Tausendstel Millimetern erkennen.

Diese Fähigkeit der Seehunde fasziniert auch Ingenieure. Sie arbeiten an elektronischen Vibrissen für Roboter. Aber es ist nicht einfach, die Signale, die die Haare empfangen, zu räumlichen Bildern zusammenzusetzen.

Neueste Forschungen betreffen die wellige Form der Schnurrhaare. Sie bewirkt, dass die Haare trotz Strömung ruhig stehen bleiben. In der Technik könnte eine solche Form zum Beispiel verhindern, dass Antennen in Schwingung geraten.

Am Tiergarten 8, 90480 Nürnberg, DE

Zähnen von Nagetieren wie dem Biber schärfens ich von selbst. Der Trick der Natur besteht in einem gesteuerten Verschleiß der Zähne, die bei Nagetieren ein Leben lang wachsen. Unterschiedlich harte Schichten bewirken, dass immer erst der weiche hintere Teil der Zähne abgenutzt wird, während die harte vordere Deckschicht als scharfe Kante bestehen bleibt und nur nach und nach abbricht. So schärfen sich die Schneidewerkzeuge bei jedem Biss von selbst. Diesen Trick der Natur haben Wissenschaftler für selbstschärfende Industrie- und Alltagsmesser in die Anwendung gebracht.

Unnamed Road, 90480 Nürnberg, DE

Das Fliegen haben die Menschen von den Vögeln gelernt. Vogelflügel sind immer nach oben gewölbt. Dadurch strömt die Luft an der Oberseite des Flügels schneller als an der Unterseite. Da der Luftdruck in der schneller strömenden Luft geringer ist, wird der Vogel nach oben „gesogen“. Auch Flugzeuge halten sich mit gewölbten Flügeln in der Luft.

An den Flügelspitzen entstehen „Wirbelzöpfe“, die den Flug bremsen. Vögel entledigen sich der starken Wirbel, indem sie die Federn an ihren Flügelenden nach oben spreizen und schwächere kleine Wirbel erzeugen. Nach oben gebogene Flügelspitzen, sogenannte Winglets, sparen auch bei Verkehrsflugzeugen Energie.

Am Tiergarten 8, 90480 Nürnberg, DE

Von 0 auf 100 in 3,5 Sekunden: Ein Gepard kann schneller beschleunigen als die meisten Sportwagen, und das im Gelände. Für eine Vollbremsung braucht der Gepard nur vier Meter. Der Sportwagen fährt noch rund 30 Meter weiter.

Beim Bremsen spreizt der Gepard seine Zehen und überträgt damit mehr Kraft auf den Boden. Grund genug für einen Reifenhersteller, auf die Raubkatze aufmerksam zu werden: Der bionische Reifen der Firma Continental verbreitert sich beim Bremsen und verringert den Bremsweg um zehn Prozent.

Das schnellste Tier ist auch Vorbild für den schnellsten Laufroboter. Er heißt „Cheetah“ und kann sogar von Trab zu Galopp wechseln. Er hat auch das biegsame Rückgrat des Geparden übernommen. Allerdings hat er noch Schwierigkeiten mit dem Gleichgewicht.

Der Geschwindigkeitsrekord des Roboters liegt bei 47 Stundenkilometern. Da bleibt die Leistung des Geparden mit über 110 Stundenkilometern einsame Spitze.