Physical Modelling driven Bionics

Physical Modelling driven Bionics

Computerunterstützte Vorgehensweise bei der Übertragung
biologischer Phänomene in Technik

Beuth Hochschule für Technik Berlin

University of Applied Sciences Berlin, Germany

Bionic Research Unit / FB VIII, Maschinenbau

Dipl.-Ing. Michael Dienst

http:// www.beuth-hochschule.de

Abstract. Konzepte, Bauweisen und Strategien der Biologie unterscheiden sich in verblüffender Weise von denen der Technik. Die Bionik verbindet die Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften mit dem Ziel, Prinzipien der belebten Natur zu entschlüsseln und diese auf Artefakte zu übertragen. Produktentwicklungsmethoden betreffen Fragestellungen mit denen die Informationen erarbeitet werden, die für das Konzept, den Entwurf und die Nutzung eines Produkts notwendig sind. Produktentwicklung und Biosystemanalyse besitzen auf der abstrakten Ebene der Computersimulation und des Physical Modellings Schnittmengen, die geeignet sind, Verfahren zur Übertragung biologischer Phänomene in Sinn der Bionik zu unterstützen. Der Aufsatz führt in die Thematik ein und nennt einige tradierte Methoden des Physical Modellings.

Intro. Die belebte Natur hat in den Jahrmillionen der biologischen Evolution äußerst effiziente und Ressourcen schonende Lösungen hervorgebracht. Wir beobachten die Vielfalt biologischer Bauweisen, wir beschreiben und messen die teilweise bis an das physikalisch Machbare optimierte Funktionen, wir bewundern die von einer Einfachheit getragene Eleganz in Gestalt und

Physical Modelling driven Bionics

Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

University of Applied Sciences Berlin, Germany

Dynamik der Lebewesen. Phänomene der belebten Natur wecken Begehrlichkeiten Seitens der Technik: Gerne sollen Maschinen so effizient sein wie Lebewesen. Doch eine schlichte Nachahmung der belebten Natur scheitert, wie nicht wenige Episoden der Technikgeschichte zeigen. Konzepte, Bauweisen und Strategien der Biologie unterscheiden sich in verblüffender Weise von denen der Technik. Der Teilhabe an effizienten Problemlösungsstrategien geht eine wissenschaftliche Auseinandersetzung ihrer physikalischen, chemischen und informationstechnischen Ursachen voraus. Die Faszination an der Natur wird zu einem Lernen von der Natur in Hinblick auf technische Nutzung: Ein Grenzgang zwischen Biologie und Technik.

Die Bionik arbeitet auf diesem schmalen Grat; sie verbindet die Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften. Aufgabe der Bionik ist es, Prinzipien der belebten Natur zu entschlüsseln, mit dem Ziel, diese auf künstliche Systeme, auf Artefakte, ja letztendlich auf Maschinen zu Übertragen. Die Betrachtung von Ergebnissen der angewandten Bionik legt den Schluss nahe, dass strategische Handlungsweisen für die Übertragung von als optimal angesehenen biologischer Problemlösungen existieren [Rech-94]. Jedoch haben, von wenigen Ausnahmefällen abgesehen [BaNe-98] [Bann-02] [Bapp-99] [Bech-93] [Bech-97], die erheblichen Vorarbeiten auf dem Gebiet der Analyse biologischer Systeme [Nach-98][Nach-00][Tria-95][Liao-03] nicht in dem erwarteten Maße zu Produkten oder technischen Innovationen geführt.

Seitens der Industrie besteht ein klares Interesse an Problemlösungen aus der belebten Natur. Für eine Erhöhung der Anzahl erfolgreicher industrieller Übertragungen im Sinne der Bionik, bedarf es der Entwicklung von Methoden, Verfahren und Instrumenten, die den Produktentwicklungsprozess unterstützen. Eine Ursache dafür, dass Anzahl und Qualität von Produkten und Verfahren nach dem Vorbild der Natur weit hinter den Erwartungen aller mit Bionik Befassten zurückbleibt, ist offenbar, dass die Vorgehensweisen der Produkt-und Verfahrensentwicklungen bisher kaum in die traditionellen Strategien der industriellen Produktentwicklung integriert sind, die komplexen Zusammenhänge der Biologie nur unzureichend wiedergegeben werden und diese Informationen nicht in einer für den Produktentwickler geeigneten Form vorliegen. Gleichzeitig existiert eine nicht geringe Zahl von unterschiedlichen Herangehensweisen der Übertragung von Phänomen der belebten Natur in Technik. Es besteht der Bedarf, hier einen Überblick zu gewinnen.

Kann die Natur, die Art und Weise der Gestaltung in der Biologie Vorbild sein für Künstliches, für gestaltete Technik, für Artefakte? Kann der Begriff der Gestaltung in der Natur analog gesetzt werden mit dem technischen Designbegriff? Und gibt es einen methodischen Ansatz, der das Gestalten nach dem Vorbild der belebten Natur zum Gegenstand hat?

Die technische Biologie, hier insbesondere die Biosystem-Analyse liefert den Stoff, aus dem die Bionik technische Lösungen generiert. Aus der vereinfachenden Sicht des Ingenieurs berührt die analytische Auseinandersetzung mit belebten Wesen wenigstens folgende Aspekte:

- Beobachtung und qualitative Untersuchungen von Wesen und Populationen
- Morphologie, konstruktiver Aufbau von Geweben, Organen und Organismen
- Wirkprinzipien und Funktionsbeziehungen von und zwischen Organen
- Evolutive Entwicklung und Individualentwicklung
- Agieren im Habitat

Produktentwicklung und Biosystemanalyse besitzen auf einer abstrakten Ebene der Computersimulation und des Physical Modellings Schnittmengen, die geeignet sind, Verfahren zur Übertragung biologischer Phänomene in Sinn der Bionik zu unterstützen. Hinsichtlich der Analyse biologischer Wirkmechanismen, Kinematiken und der Untersuchung physikalischer struktur-und fluidmechanischer Wechselwirkungen haben wir (Bionic Research Unit der Beuth Hochschule für Technik, Berlin) im Rahmen abgeschlossener und rezenter Forschungsprojekte den Begriff des morphological Computation etabliert und Methoden entwickelt, mit denen die Übertragung von Phänomenen der belebten Natur auf technische Lösungsprinzipien gelingt. Bevor die Kongruenzen der Computersimulation biologischer und technischer Systeme konkretisiert werden, betrachten wir zunächst eine etablierte und dem Techniker vertraute Herangehensweise bei der systematischen Entwicklung von Produkten.

Produktentwicklungsmethodenbetreffen Fragestellungen mit denen die Informationen erarbeitet werden, die für das Konzept, den Entwurf und die Nutzung eines Produkts notwendig sind. Eine Methodik ist eine Sammlung praktikabler Methoden und Verfahren, die angepasst auf das zu lösende Problem, jeweils unterschiedlich akzentuiert wird. Entwicklungsstrategien für industrielle Produkte unterscheiden sich nach Branchen, Art und Typ der Produkte, weisen aber gemeinsame Grundstrukturen auf.

Ein übergeordneter Strategieparameter ist dabei die „Gestaltungsabsicht (Design Intent)“, die den gesamten Produktentwicklungsprozess von der Ideenfindung, über den Entwurf, die Konstruktion und die industrielle Fertigung bis hinein in die Produktbetreuung am Markt klammert. Gemeinsam ist dem problemorientierten und produktorientierten Entwicklungsprozess eine Vorgehens- Grundstruktur mit den Elementen:

- Aufgabenbeschreibung und Definition der Entwicklungsziele
- Konzepterstellung
- Erarbeitung von (Produkt-) Entwürfen
- Konstruktion, im Sinne der Erstellung von Fertigungsunterlagen
- Fertigung
- Vertrieb und Produktbetreuung am Markt.

Dabei schließt der Gestaltungsprozess (Design) in der Technik sowohl praktische, als auch ästhetische Aspekte ein. Der Datenfluss in Produktentwicklungsprozessen wird von hochentwickelten Computersystemen (Hard- und Software) erzeugt, geordnet und genutzt. Der Begriff „Computer Aided Engineering, CAE“ (dt. rechnergestützte Entwicklung) fasst die Möglichkeiten der Computerunterstützung von Produktentwicklungsprozessen zusammen. Im Zusammenhang mit Bionic Engineering seien einige Elemente des CAE genannt:

- Rechnerunterstützte Konstruktion (Computer Aided Design, CAD)
- Mehrkörpersimulation (MKS)
- Mechanische Beanspruchung von Bauteilen und Baugruppen (FEM)
- Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD)
- Fluid- Struktur- Wechselwirkung (Fluid Structure Interaction, FSI)
- des weiteren
- Ein- und Ausbauuntersuchungen, Kollisionsprüfungen (Digital Mock-Up, DMU)
- NC-Programmierung und –Simulation (CAM)
- Fertigungsprozesssimulationen (Computer Aided Process Engineering, CAPE)

Aufgabenstellung und Konzept. Zur Erstellung physikalischer Modelle und der Simulation der Bauteil- Wirklichkeit sind MKS, FEM, CFD und (auf Laborebene) FSI bereits etablierte Verfahren. In der verallgemeinerten Dramaturgie der methodischen Produkterstellung liefern erste Studien über kinematische Beziehungen zwischen Bauteilen Entscheidungsgrundlagen bei der Erstellung von konkurrierenden Konzepten. Viele struktur- und fluidmechanische Effekte werden in vereinfachenden Modellvorstellungen, vermittelt durch MKS, FEM und CFD, erst sichtbar. Durch eine Untergliederung in Teilsysteme werden von Ein- und Ausgangsgrößen zu überschreitenden Systemgrenzen festgelegt und das Zusammenspiel von Energie-, Materie- und Informationsfluss beschrieben.

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