International Bionic Award 2016

Wasser fließt – auch gegen die Schwerkraft

Motoren müssen geschmiert, zu heiße elektronische Bauteile gekühlt und Blut auf Analysechips transportiert werden. In vielen Bereichen der Technik und der Life Sciences sollen Flüssigkeiten gezielt in eine Richtung gelenkt werden. Derzeit geschieht das meistens mit externer Energiezufuhr.

Nun stellten Forscher bionische Oberflächen her, auf denen Flüssigkeit ohne zusätzliche Energie in eine Vorzugsrichtung fließt, während sie in eine andere gestoppt wird. Dafür erhielten Philipp Comanns, Kai Winands, Mario Pothen und Gerda Buchberger am 21.Oktober den International Bionic Award 2016. Hier stellen wir ihre Arbeit kurz vor.

Das Vorbild aus der Natur: Die texanische Krötenechse

Bild: RWTH Aachen University/ JKU Linz/ Fraunhofer IPTbionic-award-2016_echseDa in den Wüstengebieten Nordamerikas nur wenig Wasser vorhanden ist, hat sich die texanische Krötenechse besonders an diesen Umstand angepasst. Sie “erntet” Wasser über ihre Haut, z.B. morgens aus taufeuchtem Sand. Die Haut selbst ist jedoch wasserdicht, um einen Verdunstungsschutz zu bieten. Damit die Echse das Wasser trinken kann, lässt sie es auf der Hautoberfläche fließen und transportiert es gezielt zum Maul.

Gezielter Wassertransport, was ist das Geheimnis?
Um den Transport zu gewährleisten, verfügt die Echse über ein Netzwerk von offenen Kapillarkanälen zwischen den einzelnen Schuppen auf ihrer Haut. Eine gründliche und aufwändige Analyse im Labor zeigte, dass sich die vernetzten Kapillarkanäle periodisch verengen und erweitern. Das interdisziplinäre Team deckte mittels physikalischer Überlegungen die Prinzipien des gerichteten Flüssigkeitstransports auf:

1. Durch asymmetrische Geometrie entsteht ein lokaler Transport. Wenn sich die Kapillaren plötzlich erweitern, wird die Flüssigkeit gestoppt.

2. Über die Verschaltung mit benachbarten Kapillaren kann jedoch der Flüssigkeitsstrom in eine Richtung aufrechterhalten werden. Eine fließende Front holt hierbei die aufgehaltenen Flüssigkeitsfronten ab.

Wasser fließt – auch gegen die Schwerkraft

Inspiriert von der Natur setzten die Forscher der RWTH Aachen, des Fraunhofer IPT und der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz das Konzept umgehend in Form von Demonstratoren technisch um. Dabei haben sie die bionischen Strukturen mit dem Laserstrahl in industriell bedeutsame Werkstoffe eingebracht. So konnten Schmieröle und Kühlschmierstoffe auf Stahl sowie wässrige Lösungen auf Plexiglas (PMMA) transportiert werden. Die Flüssigkeiten flossen dabei nur in eine Vorzugsrichtung, während sie in die anderen Richtungen komplett stoppten. Bei manchen der hergestellten Prototypen funktionierten der Flüssigkeitstransport und das Stoppen der Flüssigkeitsfront sogar vertikal gegen die Schwerkraft.

Die Resultate dieser Arbeit zeigen in beeindruckender Weise, welche Schätze die Natur für uns Menschen bereithält und warum Naturschutz für uns alle so wichtig ist.

Die Gewinner des International Bionic Award 2016:

Bild: RWTH Aachen University/ JKU Linz/ Fraunhofer IPTbionic-award-2016_team-und-statementsDer Biologe Dr. Philipp Comanns ist schon seit seiner Diplomarbeit fasziniert von feuchtigkeitserntenden Echsen. In seiner Dissertation untersuchte er vor allem die Funktionsprinzipien des gerichteten Flüssigkeitstransports und hat sich mit deren Validierung befasst. Er arbeitet seit 2016 als Postdoc am Institut für Biologie II (Zoologie) der RWTH Aachen.

Dipl.-Ing. Kai Winands legte seinen Studienschwerpunkt auf Produktionstechnologie/Fertigungstechnik. Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen leitet er die Gruppe der Lasermaterial-Bearbeitung. Seine Arbeiten fokussieren sich auf Forschungsinhalte im Bereich der Technologie des Laserstrahlstrukturierens zur Oberflächenfunktionalisierung mittels Kurz- und Ultrakurzpulslaser.

Mario Pothen ist der Informatiker der Forschungsgruppe. Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT interessieren ihn insbesondere die Themenbereiche der CAx-Technologien und des Laserstrahlstrukturierens. Er programmiert und optimiert dabei anwendungsorientierte CAx-Software insbesondere zur Steuerung von Laser- und Scannersystemen.

Die technische Physikerin Gerda Buchberger promoviert im Bereich Polymerkompositaktuatoren und -sensoren. Sie ist Wissenschaftlerin und Projektleiterin der Bionik am Institut für Medizin- und Biomechatronik an der JKU und beschäftigt sich mit dem Flüssigkeitstransport nach dem Vorbild von texanischen Krötenechsen, Flöhen und Rindenwanzen. Der Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt bei der Herstellung von bionischen Polymeroberflächen mittels Laserstrukturierung, der Modellierung von Flüssigkeitstransport auf bionischen Oberflächen, bei Messaufbauten sowie bei computerbasierten Algorithmen zur Messdatenanalyse.

Erfahrt mehr über das Projektteam und Ihre Forschung auf: Laserbiofluid.eu

Bild: VDIbionic-award-2016-a4_rgb_kopfÜber die Schauenburg-Stiftung:
Seit 2008 wird der Bionic Award von der Schauenburg-Stiftung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft gestiftet. Diese wurde 1986 von Hans-Georg Schauenburg, dem Gründer der seit über 50 Jahren in Mülheim an der Ruhr tätigen Schauenburg Gruppe, ins Leben gerufen und wird vom Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft treuhänderisch verwaltet. Die weltweit agierende Schauenburg Gruppe unterstützt über die Schauenburg-Stiftung vor allem wissenschaftliche Vorhaben auf den Gebieten der Ingenieur-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften, darüber hinaus fördert sie junge Menschen bei ihrer beruflichen Ausbildung.

Haben wir Euer Interesse an Bionik geweckt?
Der VDI-Fachbereich Bionik hat inzwischen neun VDI-Richtlinien veröffentlicht. Diese bionischen Herangehensweisen werden gemeinsam mit dem DIN auf internationaler Ebene standardisiert. Unsere Ingenieurgeschichte von Ivo Boblan zeigt, bionische Roboter auf dem Vormarsch. Bionische Roboter sind Roboter mit klugen Lösungen, die von Lebewesen der Natur abgeschaut und technisch umgesetzt sind.

Übrigens: Wir vergeben zur Förderung des Nachwuchses alle zwei Jahre den mit 10.000 Euro dotierten Internationalen Bionic Award für herausragende Dissertationen oder Habilitationen. 2014 wurde der Preis für flüssigkeitsabweisenden Hautstrukturen von Springschwänzen verliehen.

Autorin: Andrea Kreitsch
Position beim VDI: Presse-Volontärin
Aufgaben beim VDI: Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, interne Kommunikation

 

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