– Experimente zur Bionik

• Selbstreparierende Materialien
• Vom Luftballon zum künstlichen Muskel
• Schnappen, schleudern, saugen: Fallen­bewegungen fleisch­fressender Pflanzen
• Paradiesvogelblume trifft Architektur
• Haftkünstler auf dem Prüfstand
• Naturkatastrophe Waldbrand?
• Optimierung einer Milchtüte
• Falten in Natur und Technik
• BionicsLab: Bionik-Labor im Koffer

Selbstreparierende Materialien

Risse und Verletzungen können sich selbst reparieren – ein Traum? In der lebenden Natur ist das selbstverständlich. Aber funktioniert Selbstreparatur auch in der Technik? Was können wir von der lebenden Natur für die Entwicklung von selbstreparierenden technischen Materialien lernen? Wenn das biologische Prinzip erst einmal verstanden ist, steht derÜbertragung in die Technik nichts mehr im Weg.

O. Speck A. Rudolph & T. Speck (2016): Selbstreparierende Materialien. − Schüler-Kompakt „Ein Kraut für alle Fälle“, Unterricht Biologie 416: 36 – 38 + 41. (aktuell nicht erhältlich*, Neuauflage in Englisch geplant)

Vom Luftballon zum künstlichen Muskel

Das Bewegungsprinzip  ist einfach: kürzer und dicker. Das gilt sowohl für den mensch­lichen als auch für den künst­­lichen Muskel. Stark vereinfacht besteht dieser künstliche Muskel aus einem auf­ge­blasenen Luft­ballon, der von einem Netz umgeben ist, das oben und unten fest verknotet ist. In vier Schritten experi­men­tieren die Schüler(innen) mit Luft­ballon, Socke, Gemüse­netz und Kabel­bindern bis ein pneumatischer Muskel entsteht, der ein Gewicht anheben kann.

O. Speck & I. Boblan (2014): Vom Luftballon zum künstlichen Muskel. – Grundschule Sachunterricht 62/14: 20 – 26. (aktuell nicht erhältlich*, Neuauflage in Englisch geplant)

Schnappen, schleudern, saugen: Fallen­bewegungen fleisch­fressender Pflanzen

Schnelle Bewegungen bei Pflanzen sind weit verbreitet. Fleischfressende Pflanzen sind wahre Künstler im schnappen, schleudern und saugen. Diese mechanischen Abläufe lassen sich leicht durch einfache Hand­modelle verstehen. Die physikalischen Zusammenhänge der Bewegungsabläufe bei Pflanzen sind sowohl für den naturwissenschaftlichen und technischen Unterricht sowie deren Fächer­verbünde als auch für Führungen in Botanischen Gärten geeignet.

S. Poppinga, A. Metzger, O. Speck, T. Masselter & T. Speck (2013): Schnappen, schleudern, saugen: Fallenbewegungen fleischfressender Pflanzen. Biologie in unserer Zeit: 43/6: 2-11 (Bauanleitung).

Paradiesvogelblume trifft Architektur

Pflanzen und Pflanzenteile bewegen sich durch Verformung – ein vollkommen anderes Prinzip als es bisher in technischen Systemen mit Gelenken zum Einsatz kommt. In diesem Beitrag wird der Entwicklungs­prozess einer bionischen, gelenkfreien Klappe ausgehend von der Erforschung des natürlichen Vorbilds über die Herausarbeitung des Wirkprinzips und dessen Übertragung auf ein technisches Produkt nachgezeichnet. Mit Hilfe des hier vorgestellten Funktionsmodells kann im naturwissenschaftlichen und technischen Unterricht sowie in den Fächer­verbünden das zugrundeliegende Prinzip nachvollzogen werden.

S. Poppinga, J. Lienhard, S. Schleicher, O. Speck, J. Knippers, T.Speck & T. Masselter (2012): Paradiesvogelblume trifft Architektur – Bionische Innovation für gelenkfreie technische Anwendungen. – Praxis der Naturwissenschaften – Biologie 61/5: 31-35. (aktuell nicht erhältlich*, Neuauflage in Englisch geplant)

Haftkünstler auf dem Prüfstand

Insekten sind wahre Meister der Haftung. Im Laufe der Koevolution haben sich an ihren Füßen spezielle Haftstrukturen für die Fortbewegung auf unterschiedlichsten Pflanzenoberflächen entwickelt. Es gibt jedoch auch pflanzliche Oberflächen auf denen ihre Haftstrukturen versagen, so dass sie hilflos abrutschen. Experimentell kann mit Hilfe der hier vorgestellten „Insektenzentrifuge“ die Haftkraft von Insekten auf verschiedenen Oberflächen quantitativ erfasst werden. Es werden sowohl biologische (Koevolution, Struktur-Funktions-Zusammenhang), als auch technische (Aufbau der Zentrifuge), mathematische und physikalische (Berechnung der Kräfte) Inhalte vermittelt. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse können die Schülerinnen und Schüler das Potential einer bionischen Umsetzung von biologischen Haftprinzipien in  technische Lösungen diskutieren. Das Lehrmodul eignet sich durch seine Inter­disziplinarität besonders für den Kompetenzerwerb in Fächer­verbünden aus Naturwissen­schaften und Technik im Rahmen einer Projektarbeit.

H.F. Bohn, O. Speck & T. Speck (2011): Haftkünstler auf dem Prüfstand. – Der mathematisch und naturwissenschaftliche Unterricht MNU 64/7: 416 – 422. (mit zusätzlichem online-Material)

Naturkatastrophe Waldbrand?

Waldbrände – Fluch oder Segen für die Natur? Beides ist wohl richtig. Oft lässt man außer Acht, dass ein Waldbrand für daran angepasste Tier- und Pflanzenarten von Vorteil sein kann. Die Feuertoleranz von Bäumen kann quantitativ mit einem einfachen Beflammversuch von Rinden­proben bestimmt werden. Darüber hinaus können ökologische Aspekte des Auftretens und der Bedeutung von Wald­bränden, sowie Grundkenntnisse zum Feuermanagement erarbeitet werden. Das vorgestellte Unterrichts­konzept eignet sich besonders für den Biologie- und Geografieunterricht sowie für Fächerverbünde aus Naturwissenschaft und Technik.

O. Speck, G. Bauer & T. Speck (2012): Naturkatastrophe Waldbrand? Untersuchung der Feuertoleranz bei verschiedenen Baumarten. – Praxis der Naturwissenschaften – Biologie 61/1: 36-44. (aktuell nicht erhältlich*, Neuauflage in Englisch geplant)

Optimierung einer Milchtüte

Die von Ingo Rechenberg und Hans-Paul Schwefel Mitte der 60er Jahre entwickelte Evolutions­strategie, die die Grund­mechanismen der biologischen Evolution aus ihrem natürlichen Kontext abstrahiert und den evolutionären Zyklus auf technische Optimierungs­probleme überträgt, ist ein Parade­beispiel für Bionik und insbesondere für biologisch inspirierte Optimierungs­verfahren. Da die Schülerinnen und Schüler von heute die Ingenieure von morgen sind, und als solche beinahe täglich mit Optimierungs­problemen konfrontiert werden, sollte es sich lohnen die Evolutions­strategie in den Schul­unterricht zu integrieren. Exemplarisch wird hier beschrieben, wie sich in einer Doppel­stunde der gymnasialen Oberstufe der Material­verbrauch einer Milchtüte mit Hilfe der Evolutions­strategie minimieren lässt.

S. Sauer, M. Herdy, T. Speck & O. Speck (2010): Evolutionsstrategie: Optimieren nach dem Vorbild der Natur – Interdisziplinäre Arbeitsweise der Biomechanik und Bionik. – Praxis der Naturwissenschaften – Biologie 6/59: 34 – 41. (aktuell nicht erhältlich*, Neuauflage in Englisch geplant)

 

Falten in Natur und Technik

Falten kann man überall in Natur und Technik finden. Das Thema ist ideal geeignet für experimentelles Arbeiten mit Alltagsbezug im projekt­orientierten Unterricht. Mit dem Verstehen der Wirkungs­mechanismen von Falten und dem Kennen lernen von Faltmustern aus Natur und Technik lernen die Schüler die Bionik als eine moderne Wissenschaft kennen, die eine Brücke zwischen biologischem Vorbild und technischer Anwendung schlägt. Exemplarisch werden drei Faltanleitungen und dazugehörige Arbeitsblätter zu den allgemeinen Prinzipien des Faltens, dem Blattmodell und den so genannten „Leaf-in-“ und „Leaf-out-Faltmustern“ vorgestellt.

A. Schmitt, T. Speck & O. Speck (2009): Falten in Natur und Technik – Interdisziplinäre Arbeitsweise der Biomechanik und Bionik. – Praxis der Naturwissenschaften – Biologie 7/58: 34 – 43. (aktuell nicht erhältlich*, Neuauflage in Englisch geplant)

• Falls Sie Fragen zu den deutschen Publikationen haben, wenden Sie sich gerne an olga.speck@biologie.uni-freiburg.de