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Forschung

Plant Biomechanics Group Freiburg

An den Botanischen Garten und den Lehrstuhl für "Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik"  ist die Plant Biomechanics Group Freiburg unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Speck (CV, Publikationen, Drittmittel) angeschlossen. Die Forschung konzentriert sich auf die Bereiche Funktionelle Morphologie, Biomechanik und Bionik sowie Evolution und ökologische Bedeutung pflanzlicher Strukturen. 

Forschungsschwerpunkte

Aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich  Biomechanik und Funktionsmorphologie der Pflanzen sind:

  1. Bewegungen bei Pflanzen (z.B. bei Blüten und karnivoren Pflanzen)
  2. Verzweigungen bei Pflanzen
  3. Selbstreparaturprozesse bei Pflanzen
  4. Aufpralldämpfung und Durchstoßschutz bei Früchten und Samen
  5. Permanente und reversible Haftung bei Pflanzen
  6. Evolution pflanzlicher Wuchsformen und anderer funktionelle Parameter
  7. Öko-Biomechanik von Pflanzen in tropischen Regenwäldern
  8. Interaktionen zwischen pflanzlichen Oberflächen und Insekten

 

Ein weiterer zentraler Forschungsbereich ist die von den Ergebnissen der Grundlagenforschung inspirierte Entwicklung bionischer Materialien und Strukturen, die in enger Zusammenarbeit mit dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) und dem Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT) erfolgt. Aktuelle Forschungsschwerpunkte umfassen hier:

  1. Bio-inspirierte Materialien, Strukturen und Oberflächen (z.B.: selbst-reparierende Materialien, selbst-adaptive Materialen, Haft- und Antihaft-Oberflächen, Dämpfungs- und Isolationsmaterialien, verzweigte und unverzweigte Faserverbundmaterialien)
  2. Bionik und Architektur (z.B. bionische Fassadenverschattungen, bio-inspirierter Leichtbau und bio-inspirierte elastische Architektur, bionische Konzepte für energiesparende bzw. energieautarke Gebäude, lebende Bauwerke)
  3. Methoden der Bionik (Vorgehensweise bei bionischen Projekten, insbesondere Optimierung des Abstraktions- und Übertragungsvorgangs von den biologischen Ideengebern zu den bio-inspirierten technischen Produkten)
  4. Bionik und Nachhaltigkeit
  5. Didaktik der Bionik, Biomechanik und Funktionsmorphologie und Vermittlung aktueller Forschungsergebnisse in allgemeinverständlicher Form

  

Strelitzie   Flectofin.jpg
Strelitzienblüte Bioinspirierte Fassadenverschattung Flectofin®

© Plant Biomechanics Group (Freiburg) &
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (Stuttgart)

© Boris Miklautsch / Werkstatt für Photographie / Universität Stuttgart

  

Bionik: Lernen von lebenden Organismen für technische Lösungen

Der Begriff Bionik ist ein Kunstwort und setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Unter Bionik versteht man das kreative Übertragen von Wissen und Anregungen aus der Biologie in die Technik. Bionik ist eine hochgradig interdisziplinäre Wissenschaft. Die Entwicklung innovativer biologisch inspirierter technischer Produkte oder Prozessabläufe, läuft ausgehend vom biologischen Vorbild in der Regel über mehrere Abstraktions- und Modifikationsschritte ab. Bei bionischen FuE-Projekten können zwei prinzipielle Vorgehensweisen unterschieden werden, die als Bottom-Up-Prozess und Top-Down-Prozess der Bionik bezeichnet werden. Beim Bottom-Up-Prozess der Bionik (Biology Push) steht die für eine technische Umsetzung interessante Entdeckung aus der Biologie am Anfang des Projekts. Der Top-Down-Prozess (Technology Pull) beginnt mit der Frage nach einer gezielten bionischen Verbesserung von Seiten der Technik bzw. Industrie.

In der Bionik werden heute meist sieben Teilbereiche unterschieden: (1) Leichtbau & Materialien, (2) Oberflächen & Grenzflächen, (3) Fluiddynamik, Schwimmen & Fliegen, (4) Biomechatronik & Robotik, (5) Kommunikation & Sensorik, (6) Optimierung und (7) Architektur & Design. Aufgrund der hochgradig dynamischen Struktur der bionischen Forschungslandschaft sind die Übergänge zwischen den Teilbereichen fließend und es bilden sich immer wieder neue spannende Forschungsrichtungen heraus. Beispiele hierfür sind die molekulare Bionik (z.B. Kombination von Ansätzen aus der Biotechnologie und der Bionik) und die Energie-Bionik (z.B. bionische Energiekonzepte im Bauwesen), die sich gerade in den letzten beiden Jahren als vielversprechende neue Teilbereiche erwiesen haben und in vielfältiger Weise mit den sieben etablierten Teilbereichen vernetzt sind.  In den letzten Jahren vor allem auch die Bereiche Leichtbau & Materialien (hier insbesondere die sogenannten Self-X-Materialien), Oberflächen & Grenzflächen, Sensorik und Architektur als sehr innovative und anwendungsrelevante Gebiete für bionische Forschungs- und Entwicklungsprojekte erwiesen.
Nicht nur durch die verstärkte Suche nach innovativen und nachhaltigen Technikkonzepten hat die Bionik in den letzten Jahren einen starken Aufschwung genommen. Mindestens genau so wichtig waren die Entwicklung neuer Analyse-, Modellierungs- und Fertigungsmethoden. Neuartige Untersuchungsmethoden (z.B. konfokale Lasermikroskopie, Rasterkraftmikrokopie, Mikrotomographie, Synchrotron-Röntgenbeugung) und Modellierungsverfahren sowie neuartige (mikro-)mechanische Testmethoden, erlauben es, den Form-Struktur-Funktions-Zusammenhang der biologischen Vorbilder und der dadurch inspirierten bionischen Produkte mit höchster Genauigkeit bis auf die molekulare Ebene quantitativ zu analysieren. Neuartige Produktionsmethoden, wie die verschiedenen generativen Fertigungsmethoden (z.B. Lasersintern, Stereolithographie) und Flecht-Pultrusions-Techniken, erlauben es – ähnlich wie in der Biologie – technische Produkte hierarchisch strukturiert, d.h. aufbauend vom Kleinen zum Großen, in marktfähiger Menge herzustellen.

Der Botanische Garten vertrat die Universität Freiburg im vom MWK Baden-Württemberg geförderten Kompetenznetzes Biomimetik und ist Mitglied im bundesweiten Bionik-Netzwerk BIOKON. 

 

Kooperationen

 
Kooperationen in Freiburg (Universität, Fraunhofer Institute und andere Forschungsinstitute):
Prof. Dr. Siegfried Fink (Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie), Dr. Rainer Grießhammer (Öko-Institut e.V., Freiburg), Dr. Raimund Jäger (Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg), PD Dr. Hanns-Heinz Kassemeyer (Staatliches Weinbauinstitut), Prof. Dr. Rolf Mülhaupt (Institut für Makromolekulare Chemie/FMF), Prof. Dr. Klaus Peschke (Institut für Biologie I, Evolutionsbiologie/ Ökologie), Prof. Dr. Günter Reiter (Experimentelle Polymerphysik/FMF), Prof. Dr. Ralf Reski (Institut für Biologie II, Pflanzenbiotechnologie)
 
Kooperationen in Deutschland:
Prof. Anke Bernotat (Industrial Design, Folkwang-Hochschule-Essen) Dipl.-Ing. Jürgen Bertling (Fraunhofer-Institut UMSICHT, Oberhausen), Prof. Dr. Gerd de Bruyn (Institut für Grundlagen Moderner Architektur und Entwerfen, Universität Stuttgart), Prof. Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek (Gießerei Institut, RWTH Aachen), Prof. Dr. Andreas Fery (Physikalische Chemie II, Universität Bayreuth), Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck (Fachgebiet Werkstofftechnik, TU Berlin), Prof. Dr. Stanislav Gorb (Funktionelle Morphologie und Biomechanik, Zoologisches Institut, Universität Kiel seit 2008), Prof. Dr.-Ing. Maik Gude (Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden), Dr. Christoph Hamm (Biosciences & Polar Biological Oceanography Alfred Wegener-Institut Bremerhaven), Prof. Dr.-Ing. Werner Hufenbach (Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden), Prof. Dr. Antonia Kesel (Bionik-Innovations-Centrum, Hochschule Bremen), Prof. Dr. Jan Knippers (Institut für Tragwerkskon­struktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart), Prof. Dr. Oliver Kraft (Institut für Angewandte Materialien, Werkstoff- und Biomechanik, Karlsruher Institut für Technologie), Prof. Dr. Claus Mattheck (Institut für Angewandte Materialien, Werkstoff- und Biomechanik, Karlsruher Institut für Technologie), Prof. Achim Menges (Institut für Computerbasiertes Entwerfen, Universität Stuttgart), Dr.-Ing. Markus Milwich (Faserver­bundstrukturen, Institut für Textil und Verfahrenstechnik Denkendorf), Prof. Dr. Christoph Neinhuis (Botanik & Botanischer Garten, TU Dresden), Prof., Dr. Anke Nellesen (Institut für Zukunftsorientierte Kompetenzentwicklung, Hochschule Bochum und Fraunhofer-Institut Umsicht, Oberhausen), Prof. Dr. Klaus Nickel (Angewandte Mineralogie/Fach­bereich Geowissenschaften, Universität Tübingen), PD Dr. Antia Roth-Nebelsick (Paläobotanik, Staatliches Museum für Naturkunde Stuttgart), PD Dr. Helmuth Schlaad (Bioinspirierte Polymere und Blockcopolymere, Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm), Prof. Dr.-Ing. Siegfried Schmauder (Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre, Universität Stuttgart), Dr. Ruth Schwaiger (Institut für Angewandte Materialien, Zuverlässigkeit von Bauteilen und Syste­men, Karlsruher Institut für Technologie), Dr.-Ing. Thomas Stegmaier (Biomimetik, Institut für Textil und Verfahrenstechnik Denkendorf)
 
Davon Kooperationen im Rahmen des Kompetenznetzes Baden-Württemberg:
Kooperationen in FuE-Projekten mit Gerd de Bruyn, Jan Knippers, Oliver Kraft, Claus Mattheck, Achim Menges, Markus Milwich, Klaus Nickel, Anita Roth-Nebelsick, Ruth Schwaiger, Thomas Stegmaier erfolgten im Rahmen des vom MWK Baden-Württemberg geförderten Kompetenznetzes Biomimetik.
 
Kooperationen im Ausland:
Dr. Ian Bond (Advanced Composites Centre for Innovation & Science, University of Bristol, UK), Prof. Dr. Ingo Burgert (Institut für Baustoffe / Holzbasierte Materialien ETH Zürich, CH, ab 08‘2011), Prof. Dr. Nele De Belie (Magnel Laboratory for Concrete Research, Ghent University, B), Dr. Susanne Gosztonyi (Arsenal Research, Wien, A), Dr. Petra Gruber (Universität Addis Abeba, Äthiopien und Transarch A), Prof. Dr. Ottmar Holdenrieder (Institut für Integrative Biologie, ETH Zürich, CH), Dr. Barbara Imhof (Universität für Angewandte Künste, Wien), Prof. Dr. George Jeronimidis (Centre of Biomemetics, University of Reading, UK), Prof. Dr. Ludwik Leibler (Soft Matter and Chemistry, The City of Paris Industrial Physics and Chemistry Higher Educational Institution, F), Prof. Dr. Anja Liszkay (CEA Saclay – Section de Bioéner­gétique, Paris, France), Dr. Rolf Luchsinger (Center for Synergetic Structures), EMPA Dübendorf, CH), Dr. Philippe Marmottant (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, UMR 5588 CNRS et Université de Grenoble, F), Prof. Dr. Véronique Michaud (Laboratory of Polymer and Composite Technology, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, CH), Dr. Nicholas P. Rowe (Botanique et Bioinformatique de l’Architecture des Plantes (AMAP), CNRS, Montpellier, F), Prof. Dr. Sybrand van der Zwaag (Faculty of Aerospace Engineering/ Faculty of Marine, Mechanical and Materials Engineering, TU Delft, NL)
 
Vielfältige weitere Industriekooperationen im Rahmen von FuE-Projekten und Forschungsaufträgen

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