Physical Modelling driven Bionics

Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

University of Applied Sciences Berlin, Germany

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

---

Physical Modelling driven Bionics

Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

University of Applied Sciences Berlin, Germany

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

---

Physical Modelling driven Bionics

Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

University of Applied Sciences Berlin, Germany

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.

Produktentwicklungsmethoden

betreffen 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

---

Physical Modelling driven Bionics

Beuth Hochschule für Technik Berlin im Sommer 2009

University of Applied Sciences Berlin, Germany

(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.

---