Challenge #51

Die Konstruktionspläne der Natur verwenden.

Die Natur hat in Jahrmillionen Optimierungen geschaffen, die wir dank moderner Untersuchungsmethoden immer besser verstehen. So lernen wir von ihr, wie Materialien, Gebäude, Werkzeuge, mikroskopische Strukturen und vieles andere mehr „natürlich“ optimiert werden können.

Die Natur hat im Laufe der Evolution verblüffende Lösungen für viele Herausforderungen entwickelt, die uns oft heute noch vor Probleme stellen. Exoskelette von Gliederfüßern wie Spinnen und Insekten sind komplexe Verbundmaterialien, deren Konstruktionsprinzipien sich für Robotik, Materialentwicklung und sogar Architektur nutzen lassen. Zum Beispiel kann das Konstruktionsprinzip der Vorderflügel eines Käfers von Architekten für den Bau eines Pavillons adaptiert werden. Tiere haben bereits vor Jahrmillionen Gelenksysteme entwickelt, die denen in unseren Maschinen ähneln oder sogar weitaus ausgereifter sind. So verwenden einige Käfer funktionelle Schrauben-Mutter-Systeme in ihren Gelenken zur Fortbewegung, während Spinnen ein ausgefeiltes hydraulisches System in ihren Beinen nutzen. Die Füße von Spinnen besitzen feinste Härchen, deren Adhäsion so stark ist, dass sie auch auf glatten Oberflächen Halt finden.

Biologische Ionenkanäle spielen für viele grundlegende biochemische Prozesse in unseren Zellen eine wesentliche Rolle, indem sie beispielsweise den Ionenfluss durch die Zellmembran nach verschiedenen Stimuli selektiv und effizient steuern. Wissenschaftler:innen entwickeln künstliche bioinspirierte Nanoporen, indem sie die Oberfläche von Polymer Nanokanäle gezielt modifizieren, und empfindliche Nanosensoren und nanofluidische Systeme herstellen.

Röntgenbildgebende Verfahren erlauben uns die systematische Untersuchung von kleinen Organismen. Die Daten werden mit Hilfe von Algorithmen der künstlichen Intelligenz und ausgereiften Computersimulationen analysiert. Auf diese Weise gewonnene Erkenntnisse helfen uns schließlich dabei, Materialen und Konstruktionsprinzipien aus der Natur für die Optimierung technischer Entwicklungen zu verwenden.

(Headerbild: KIT)

Weitere Informationen:

 Video: Funktionsfähiges Käfer-Schraubengelenk als 3D-Druck

Tomography: from beetle wings to lightweight building construction

Publikation: Fluid mechanics and rheology of the jumping spider body fluid

Was Spinnen an der Decke hält

Publikation: Bioinspired Adhesion - Multiple Mechanical Gradients are Responsible for the Strong Adhesion of Spider Attachment Hair

Publikation: Molecular Design of Solid-State Nanopores - Fundamental Concepts and Applications

Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Helmholtz-Zentrum Hereon

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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