Exponat 003 – Bionicum/Bayerisches Landesamt für Umwelt, Nürnberg

Bionischer Hocker

Bionicum, 2014

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Exponatbeschreibung 003: Bionischer Hocker


Der Bionische Hocker ist ein technisches Beispiel für die Bauweise in der Natur: Knochen, Geweihe und Halme sind stabil aber gleichzeitig auch leicht. Das heißt, sie sparen Material und sind damit ressourceneffizient aber sie bleiben dabei immer so stabil wie nötig.

Das Bionicum hat sich von diesem Prinzip inspirierten lassen und aus einem Holzklotz einen Hocker entwickelt, der die Anforderungen der Leichtbauweise erfüllt.

In mehreren Schritten wurde mit Hilfe der bionischen Methode des SKO (Soft Kill Option) das Ausgangsmaterial so optimiert, dass am Ende ein formschönes Designobjekt steht. Ein Computer verteilte die Belastung gleichmäßig und entfernte alle nichttragenden Bereiche. Als Material wurde Eschenholz verwendet, da es einerseits besonders elastisch ist aber auch gleichzeitig über große Festigkeit verfügt und Holz allgemein ein natürliches, harmonisches Flair vermittelt.




Über uns


Das Bionicum ist eine Ausstellung über Bionik im Tiergarten Nürnberg. Die Bionik nimmt sich die Natur zum Vorbild. Sie untersucht Strukturen, Prozesse und Konstruktionen welche Tiere und Pflanzen im Lauf der Evolution entwickelt haben und überträgt sie in die Technik.

Im Bionicum können sich alle Besucher interaktiv über die verschiedenen Themen rund um die Bionik informieren. Die moderne und grafisch ansprechend gestaltete Ausstellung beleuchtet vielfältige Bereiche – von „Stabilbauen“ über „Molekulare Bionik“ bis hin zur „Schwarmintelligenz“

Neben etablierten Klassikern machen wir besonders auf hochaktuelle und bisher unbekannte Technologien aufmerksam. Und so finden Sie bei uns Antworten auf die Fragen was eine Wüsteneidechse mit Solarkraftwerken verbindet oder was Spinnen mit Wundpflasterspray zu tun haben.

Bionicum/Bayerisches Landesamt für Umwelt, Am Tiergarten 30, 90480 Nürnberg, www.bionicum.de




Holziges Umweltstatement


Die Natur ist ein Meister der Energieeffizienz. Sie geht äußerst sparsam mit Rohstoffen um und ermöglicht mit einer vollkommenen Kreislaufwirtschaft Organismen in unterschiedlichsten Lebensräumen das Leben. Diese Eigenschaften sind zusammen mit der biologischen Vielfalt die Grundlage für die Bionik. Dazu kommen noch Millionen Jahre Entwicklungsvorsprung an Strukturen und Funktionen vieler Pflanzen und Tiere – was läge da näher als diesen Aspekt für technische Innovationen zu nutzen?

Insbesondere Bäume gehen so effektiv mit ihrem Baustoff um, dass wir von ihnen viel über Bauteiloptimierungen, Leichtbauweise und stabile Technik lernen können.

Klug eingesetzt, schützen wir im Gegenzug mit der Bionik und dem Vorbild der Bäume schließlich auch die Natur besser, indem wir einen nachhaltigen, energieeffizienten und umweltfreundlichen Umgang mit unseren Lebensgrundlagen schaffen.




Mehr Wissen …


Leicht aber trotzdem stabil Warum bricht ein Ast nicht unter der Last des Schnees? Es liegt in der Natur des Menschen Dinge zu optimieren. Daher machen sich Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ständig Gedanken, wie Bauteile verbessert werden können und wie man dabei auch noch Gewicht und Ressourcen einspart. Das gelingt am besten mit möglichst wenig Material. Sinn macht das aber natürlich nur, wenn das Produkt dabei auch stabil bleibt. Aber wie kriegt man das hin? Jetzt lohnt es sich, einen Blick in die Natur zu werfen. Bäume oder Knochen reagieren als lebendiges Material auf Belastungen und wachsen immer nur da wo es nötig ist. Bäume wachsen dem Licht entgegen, müssen aber auch dafür sorgen, dass sie stabil stehen und Stürmen standhalten können. Dazu lagert der Baum an besonders belasteten Stellen wie den Astgabeln oder am Wurzelansatz mehr Material an, um so die auftretenden Spannungen gleichmäßiger zu verteilen. Dieses Prinzip hat man sich in der Technik für die Bauteiloptimierung zunutze gemacht. Mit der CAO Methode (Computer Aided Optimization) berechnen Computer Belastungen, woraufhin dort mehr Material angelagert wird. Belastungsspitzen werden dadurch vermieden und Brüche verhindert. Weshalb kann die Giraffe mit ihren dünnen Beinen kraftvoll galoppieren? Im Vergleich zu Bäumen gehen Knochen noch einen Schritt weiter: Sie lagern nicht nur dort Material an wo zu hohe Spannungen bestehen, sondern sie bauen auch noch an anderen Stellen Material ab, wenn dort keine Spannungen vorliegen. Das spart nicht nur Gewicht, sondern auch Energie – und der Knochen ist immer noch stabil genug. Auch nach dem Vorbild des Knochenwachstums gibt es ein Computerprogramm zur Bauteiloptimierung: die SKO Methode (Soft Kill Option). Mit Hilfe von SKO kann man die Bereiche in einem Bauteil berechnen, die unbedingt erhalten bleiben müssen, weil dort die meisten Kräfte wirken. Auf der anderen Seite gibt es aber in jedem Bauteil auch Bereiche, auf die wenig Kräfte wirken und die daher entfernt werden können. Auf diese Weise kommen teilweise recht merkwürdig geformte und quasi durchlöcherte Formen zustande. In unserem Beispiel hat das Programm die backenzahnartige Form des Bionischen Hockers errechnet. SKO kann man gut bei dreidimensionalen Bauteilen anwenden, die in Autos, Flugzeugen und Raketen eingesetzt werden. Also überall da wo die Komponenten zwar stabil sein müssen aber man durch Gewichtsreduktion eine Menge an Energie und Treibstoff sparen kann. Und nicht nur das, indem teilweise leichtere und günstigere Materialien verwendet werden können, wird auch hier wieder eingespart. Das Endprodukt ist so leicht wie möglich aber gleichzeitig so stabil wie nötig. Entstehung des Bionischen Hockers: Die größte Last trägt die rote Sitzfläche (A). Ein Computer verteilt die Belastung gleichmäßig auf die vier grün markierten Beinflächen. In vielen einzelnen Berechnungsschritten schneidet er nun alle nichttragenden Bereiche weg und ein virtuelles Leichtbau-Modell entsteht (B). In dieser Form ist der Hocker schwer zu fertigen, die zerfaserten Stellen und Bögen müssen erst geglättet und gleichmäßiger gestaltet werden (C) – bis am Ende ein formschönes Designobjekt steht (D).





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