TRR 141: Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien in Biologie und Architektur. Analyse, Simulation und Umsetzung
Biologie
Chemie
Geisteswissenschaften
Geowissenschaften
Informatik, System- und Elektrotechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprogramm konzentrierte sich auf Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien in der Biologie und auf deren Übertragung in Architektur und Bautechnik. Eine der Schlüsselfragen des TRR 141 lautete: Unter welchen Bedingungen führt die Bionik zu erfolgreichen Ergebnissen und neuen Erkenntnissen für die Technik und für die Biologie? Dazu wurde eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen biologischen Vorbildern für die Untersuchung und für den Vergleich des biomimetischen Transferprozesses und für die Anwendung von reverser Bionik gewählt. Die Rollenmodelle unterschieden sich nicht nur im Maßstab von Nano bis Makro und in der Materialität von porös bis faserbasiert, sondern auch in den untersuchten Funktionen von der Tragfähigkeit bis zur Bewegung oder zum Medientransport. Einige Vorbilder folgten klassischen Beispielen der Bionik Forschung (das Exoskelett des Seeigel), während andere neue Fragestellungen aufgriffen (nachgiebige Mechanismen, die auf Pflanzenbewegungen basieren, oder die Entwicklung neuartiger adaptiver Tragwerke, die auf molekularen Stützstrukturen in Moosplastiden basieren). Um das gesamte Spektrum der möglichen bionischen Prozesse abzudecken, wurden Projekte einbezogen, die zunächst durch eine technologische Frage motiviert waren (Top-Down-Ansatz oder Technology Pull-Ansatz in der Bionik) und andere, die hauptsächlich durch die biologische Forschung initiiert wurden ("Bottom-Up-Ansatz" oder "Biology Push-Ansatz" in der Bionik). Basierend auf diesem Konzept wurden ausgewählte biologische Rollenmodelle ausgewählt, quantitativ analysiert und numerisch simuliert: Multifunktionalität in porösen Materialien. Zur Dämpfung: Seeigelstacheln, Fruchtwand der Kokosnuss und Baumrinde des Riesenmammutbaum; zum Transport von Wärme und Masse: Equisetum hyemale und sempervirens Blätter. - Anpassungsfähigkeit in faserbasierten Systemen: Gerbera juminosi und andere. Für adaptive Steifigkeit; Aldrovanda vesiculosa und andere für Pflanzenbewegungen; Physomitrella patens FtsZ für Adaptivität im Nanobereich. - Lastangepasste Anisotropie: Verzweigung in Schefflera arboricola. - Selbstbildung von mineralischen Schalenstrukturen: segmentiertes Skelett der Sanddollar- und Periostracumbildung verschiedener Muscheln. Parallel dazu wurden biomimetische Methoden entwickelt und anhand der Untersuchung der oben ge-nannten biologischen Vorbilder bewertet. Dabei werden Aspekte wie Skalierung, Simulation, Optimierung und Fertigung behandelt. Im TRR141 trafen sich Wissenschaftler mit sehr unterschiedlichem Hintergrund. Eine effektive Kommunikation und der erfolgreiche Austausch von Wissen zwischen den verschiedenen Wissenschaftskulturen waren von entscheidender Bedeutung. Um die Kommunikation zwischen den Disziplinen zu erleichtern wurde ein Glossar mit Grundbegriffen der Architektur-Bionik entwickelt, Die wesentliche Motivation für die biomimetische Forschung und das gemeinsame Ziel aller am TRR 141 Beteiligten war, einen Beitrag zu einer nachhaltigen Entwicklung zu leisten. Daher wurde eine bio-inspirierte Nachhaltigkeits-Bewertungsmethode (BiSA) entwickelt, die einen besonderen Fokus auf das Verhältnis von ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Nutzen und entsprechenden Belastungen legt. Die Entwicklung eines konsistenten, bio-inspirierten Nachhaltigkeitskonzeptes für den Bausektor wurde durch die Bewertung mehrerer A-Projekte evaluiert und optimiert. Die vielversprechendsten Vorbilder für den technischen Transfer wurden identifiziert und in großen Demonstratoren realisiert und bewertet, die von Oktober 2017 bis Mai 2018 im Staatlichen Museum für Naturkunde, Rosenstein, in der Ausstellung "Baubionik - Biologie beflügelt Architektur" ausgestellt wurden. Zur Ausstellung erschien ein Katalog, der später in einer erweiterten und überarbeiten Version als Buch mit dem Titel “Bionisch Bauen – Lernen von der Natur” im Birkhäuser Verlag erschienen ist. Dieses Buch kann als Abschlußbericht der erstern Förderperiode des TRR141 betrachtet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017) Baubionik – Biologie beflügelt Architektur. Stuttgarter Beiträge zur Naturkunde, Serie C. Band 82
Knippers J, Schmid U, Speck T (eds)
- (2016) Biomimetic Research for Architecture and Building Construction. Springer International Publishing Switzerland, 2016
Knippers J, Nickel K & Speck T (eds)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-46374-2) - (2016) New Technologies, Challenges and Trends in Additive Manufacturing for Production of Optimal Topologies. − In: International Journal of Advancements in Research & Technology, International Journal of Advancements in Research & Technology. Vol. 5 (2016), No. 8, p. 1–8
Mottahedi M, Coupek D, Lechler A, Verl A
- (2016) On connections between properties in biology – how we learn about order in organisms. Systema 4:48–53
Drack M
- (2016): Magnetic resonance imaging reveals functional anatomy and biomechanics of a living dragon tree. – Scientific Reports, 6: 32685
L. Hesse, T. Masselter, J. Leupold, N. Spengler, T. Speck & J.G. Korvink
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep32685) - 2016. Evolutionary Processes as Models for Exploratory Design. In Biomimetic Research for Architecture and Building Construction (pp. 295-318). Springer, Cham
Nguyen, L., Lang, D., van Gessel, N., Beike, A.K., Menges, A., Reski, R. and Roth-Nebelsick, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-46374-2_15) - Interfacial Mass Transfer During Gas-Liquid Phase Change in Deformable Porous Media with Heat Transfer, Transport in Porous Media, 114, 525-556, 2016
W. Ehlers and K. Häberle
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11242-016-0674-2) - (2017) Biomechanical analysis of prey capture in the carnivorous Southern bladderwort (Utricularia australis). Scientific Reports 7: 1776
Poppinga S, Daber LE, Westermeier AS, Kruppert S, Horstmann M, Tollrian R, Speck T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-01954-3) - (2017) Flectofold – A biomimetic scalable compliant shading device for complex free form facades. Smart Materials and Structures 27: 017001
Körner A, Born, L, Mader A, Sachse R, Saffarian S, Westermeier A, Poppinga S, Bischoff M, Gresser G, Milwich M, Speck T, Knippers J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa9c2f) - (2017) The basis of theory building in biology lies in the organism concept. Organisms – An International Journal of Biological Sciences 1:69–82
Drack M, Betz O
(Siehe online unter https://doi.org/10.13133/2532-5876/13941) - (2017) Trap diversity and character evolution in carnivorous bladderworts (Utricularia, Lentibulariaceae). Scientific Reports 7: 12052
Westermeier AS, Fleischmann A, Müller K, Schäferhoff B, Rubach C, Speck T, Poppinga S
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-12324-4) - (2017): Adaptive spatiotemporal changes in morphology, anatomy, and mechanics during the ontogeny of subshrubs with square-shaped stems. – Am J Bot 104 (8): 1157–1167
Kaminski, R., T. Speck & O. Speck
(Siehe online unter https://doi.org/10.3732/ajb.1700110) - (2017): Biomimetic bio-inspired biomorph sustainable? An attempt to classify and clarify biology-derived technical developments. − Bioinspir. Biomim. 12(1): 011004
Speck O., D. Speck, R. Horn, J. Gantner, K. P. Sedlbauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1748-3190/12/1/011004) - (2017): Energy Absorption in Functionally Graded Concrete bioinspired by Sea Urchin Spines. – Journal of Bionic Engineering, 14: 369 – 378
N. Toader, W. Sobek & K.G. Nickel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/S1672-6529(16)60405-5) - 2017: Morphology and porosity of the spines of the sea urchin Heterocentrotus mamillatus and their implications on the mechanical performance. Zoomorphology, 137, 139-154
Lauer, C., Grun. T.B., Zutterkirch, I., Jemmali, R., Nebelsick, J.H. & Nickel, K.G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00435-017-0385-4) - (2018) How the carnivorous waterwheel plant (Aldrovanda vesiculosa) snaps. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 285(1878): 20180012
Westermeier AS, Sachse R, Poppinga S, Vögele P, Adamec L, Speck T, Bischoff M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1098/rspb.2018.0012) - (2018). Structure and function of the musculoskeletal ovipositor system of an ichneumonid wasp. BMC Zoology 3: 12
Eggs B., Birkhold A. I., Röhrle O. and Betz O.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1186/s40850-018-0037-2) - (2018). Towards a theoretical clarification of biomimetics using conceptual tools from engineering design. Bioinspiration & Biomimetics 13:016007
Drack M, Limpinsel M, de Bruyn G, Nebelsick JH, Betz O
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1748-3190/aa967c) - (2018): Analysis of bud ontogeny of Dracaena marginata using high-resolution magnetic resonance imaging. – Scientific Reports, 8: 9881
L. Hesse, J. Leupold, T. Speck & T Masselter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-018-27823-1) - (2018): Bio-inspired Sustainability Assessment for Building Product Development – Concept and Case Study. – Sustainability 10(1): 130–154
Horn R., H. Dahy, J. Gantner, O. Speck, P. Leistner
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/su10010130) - (2018): Computational 3D imaging to quantify structural components and assembly of protein networks. Acta Biomaterialia 69, 206-217
Asgharzadeh, P., B. Özdemir, R. Reski, O. Röhrle, A.I. Birkhold
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.01.020) - (2018): Cytological analysis and structural quantification of FtsZ1-2 and Ftsz2-1 network characteristics in Physcomitrella patens. Scientific Reports 8, 11165
Özdemir, B., P. Asgharzadeh, A.I. Birkhold, S.J. Mueller, O. Röhrle, R. Reski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-018-29284-y) - (2018): Strength-size relationships in quasi-brittle and brittle biological materials. – Acta Biomaterialia, 77: 322 – 332
C. Lauer, S. Schmier, T. Speck & K.G. Nickel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.07.010) - (2018): Structural stress response of segmented natural shells: a numerical case study on the clypeasteroid echinoid Echinocyamus pusillus. Royal Society Interface. 15: 20180164
Grun. T.B., von Scheven, M., Bischoff, M. & Nebelsick, J.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1098/rsif.2018.0164) - 2018, An interactive agent-based framework for materialization-informed architectural design. Swarm Intelligence, 12(2) Special Issue on Self-Organised Construction, 155–186
Groenewolt, A., Schwinn, T., Nguyen, L., Menges, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11721-017-0151-8) - 2018, An interactive agent-based framework for materialization-informed architectural design. Swarm Intelligence, 12(2) Special Issue on Self-Organised Construction, 155–186
Groenewolt, A., Schwinn, T., Nguyen, L., Menges, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11721-017-0151-8) - 2018. A novel rapid additive manufacturing concept for architectural composite shell construction inspired by the shell formation in land snails. Bioinspiration & biomimetics, 13(2), p. 026010
Felbrich, B., Wulle, F., Allgaier, C., Menges, A., Verl, A., Wurst, K.H. and Nebelsick, J.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1748-3190/aaa50d) - 2018. Funariaceae Underground–A Spore Bank for Physcomitrella patens and Physcomitrium eurystomum. Herzogia 31: 791-7
Malkowsky Y, Ostendorf AK, Roth-Nebelsick A
(Siehe online unter https://doi.org/10.13158/heia.31.2.2018.791) - 2018: A Novel Rapid Additive Manufacturing Concept for Architectural Composite Shell Construction Inspired by the Shell Formation in Land Snails. Bioinspiration & Biomimetics. 13/2
Felbrich, B., Wulle, F., Allgaier, C., Menges, A., Verl, A., Wurst, K.-H. & Nebelsick, J.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1748-3190/aaa50d) - 2018: Biomechanics of an echinoid's trabecular system. PLoS ONE ONE 13(9): e0204432
Grun, T.B. & Nebelsick, J.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204432) - 2018: Structural design analysis of the minute clypeasteroid echinoid Echinocyamus pusillus. Royal Society Open Science. 5:171323
Grun, T.B. & Nebelsick, J.H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1098/rsos.171323) - Computational 3D Imaging to Quantify Structural Components and Assembly of Protein Networks. Acta Biomaterialia, 2018, 69, 206-217
P. Ashgharzadeh, B.Ozdemir, R. Reski, O. Röhrle, A.I. Birkhold
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.01.020) - Cytological Analysis and Structural Quantification of FtsZ1-2 and FtsZ2-1 Network Characteristics in Physcomitrella Patens. Scientific Reports, 2018, 8(1), 11165
B. Ozdemir, P. Ashgharzadeh, A.I. Birkhold, S.J. Müller, O. Röhrle, R. Reski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-018-29284-y) - Effective Stresses in Multiphasic Porous Media: A thermodynamic investigation of a fully non-linear model with compressible and incompressible constituents, Geomechanics for Energy and the Environment, 15, 35-46, 2018
W. Ehlers
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gete.2017.11.004) - (2019) Biomimetics for Architecture: Learning from Nature. Birkhäuser Basel
Knippers J, Schmid U, Speck T (eds)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/9783035617917) - (2019) Bionisch Bauen: Learning from Nature. Birkhäuser Basel
Knippers J, Schmid U, Speck T (eds)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/9783035617870) - (2019): Bio-inspiration as a Concept for Sustainable Constructions Illustrated on Graded Concrete. – J. Bionics Eng. 16(4): 742-753
Horn R., S. Albrecht, W. Haase, M. Langer, D. Schmeer, W. Sobek, O. Speck, P. Leistner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s42235-019-0060-1) - (2019): Biomimetic 3D printed light-weight constructions: A comparison of profiles with various geometries for efficient material usage inspired by square-shaped plant stems. – Bioinsp. Biomim. 14: 046007
Kaminski, R., T. Speck, O. Speck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1748-3190/ab202f) - (2019): Strength, elasticity and the limits of energy dissipation in two related sea urchin spines with biomimetic potential. – Bioinspiration & Biomimetics, 14(1): 016018
C. Lauer, K. Sillmann, S. Haußmann & K.G. Nickel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1748-3190/aaf531) - (2019): Structural and functional imaging of large and opaque plant specimen. – Journal of Experimental Botany, 70(14): 3659 – 3678
L. Hesse, K. Bunk, J. Leupold, T. Speck & T. Masselter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/jxb/erz186) - 2019. A model for extracellular freezing based on observations on Equisetum hyemale. Journal of Theoretical Biology 478: 161-168
Konrad W, Schott R, Roth-Nebelsick A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2019.06.023) - Modelling and simulation methods applied to coupled problems in porousmedia mechanics, Archive of Applied Mechanics, 89, 609-628, 2019
W. Ehlers and A. Wagner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00419-019-01520-5)
