REFERAT GERMANA: SELBSTANDIGE VERTIEFUNGSARB EIT KLASSE

Incarcat la data: 03 Decembrie 2008

Autor: Gogoasa Alexandru

Pret: 50 credite

Selbstndige Vertiefungsarbeit Klasse 1. Prolog Die Selbstndige Vertiefungsarbeit Bionik - Technik der Zukunft hat laut Vereinbarung gewisse Vorlagen, mit denen sich der Inhalt dieser Arbeit zu versucht. Als Einfhrung sind einige Dinge zu erlutern: Bionik (Biologie - Technik) ist ein berbegriff fr eine Flle von Unterwissenschaften, welche alle die Erforschung und Umsetzung eines biologischen Systems fr den Markt gemeinsam haben. Die Natur stellt in der Regel jedoch keine Modelle zur Verfgung, eher Anregungen, wie ein bestehendes Problem gelst werden kann. Aber was sonst knnte billiger sein, als ein perfektes, von menschlicher Hand unbeeinflusstes und absolut kostenloses Technologiezentrum zu infiltrieren? Infiltrieren sollte nicht negativ verstanden werden. Im Gegensatz zur Gentechnologie wird das untersuchte Objekt nicht verndert, kann also - von gewissen Ausnahmen abgesehen - ohne weiteres an die Natur zurckgegeben werden. Die Anregungen und Lsungen der Natur mssen stets auf eine mgliche Umsetzung geprft werden. Leonardo da Vinci untersuchte mit einfachen Mitteln den Vogelflug und probierte die erworbenen Erkenntnisse auf einen Flugapparat umzusetzen. Leider scheiterte das Projekt, da ein Mensch unmglich genug Kraft hatte, um diese Flgel zu bewegen. Da Vinci betrieb trotz des Misserfolges Bionik (Kinematik), er erforschte die Grundlagen unter physikalischen Gesichtspunkten und probierte das Gefundene in Technik umzuwandeln. Der Vogelflug wird aber immer noch untersucht, heute aber unter Gesichtspunkten der Aerodynamik. In jngerer Zeit - in einem Zeitraum von 30 - 40 Jahren - wurde intensiver und mit mehr Elan geforscht, betrchtliche Erfolge (welche spter erlutert werden) wurden erzielt. Meine Themenwahl fiel deshalb auf Bionik, da in letzter Zeit hufig Medien ber dieses Thema berichten und deshalb mein Interesse geweckt haben. Zum Abschluss des Prologes noch einige Bionik - Definitionen, welche nicht aus meiner Feder stammen: " Bionik ist lernen von der Natur als Anregung fr eigenstndiges technologisches Gestalten" "Bionik als wissenschaftliche Disziplin befasst sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme". 2. Unterwissenschaften der Bionik Es folgt eine Auflistung einiger Unterwissenschaften der Bionik. Die Liste kann nicht ganz vollstndig sein. Es gibt noch viele weitere Forschungsarten und Wissenschaften, deren Beschreibung aber den Rahmen dieser Arbeit sprengen wrde. 2.1 Konstruktionsbionik In der Konstruktionsbionik werden Mechanismen der technischen und der biologischen Welt miteinander verglichen. Diese Unterwissenschaft hat die Aufgabe zu untersuchen, wie Konstruktionselemente (z.B. Pumpkonstruktionen: Speichelpumpen, Herz) zu funktionierenden Gesamtkonstruktionen zusammenarbeiten. In der Natur mssen Konstruktionen oft eine Vielzahl von Aufgaben erfllen knnen. Das mnnliche Geschlechtsorgan dient gleichzeitig dem Urinieren wie der Fortpflanzung, die Nase analysiert gleichzeitig Gerche, filtert die Atemluft und dient der Sauerstoffaufnahme. Fr die Rationalitt einer technischen Konstruktion und nicht zuletzt der Preisfrage wegen sind Konstrukte, welche viele Aufgaben erfllen knnen (Pumpen, die saugen und Pumpen knnen), sehr wichtig. Beispiel : Das Klett - Prinzip, das einige Pflanzen zum Samentransport oder einige Wurmarten zur Fortbewegung nutzen, wurde vor etwa 30 Jahren dazu verwendet, Fototaschen mit verschiebbaren Innenfchern zu konstruieren. Heute verwendet man den "Klettverschluss" fr Schuhe, Taschenverschlsse, Bandagen, etc. 2.2 Sensorbionik Diese Wissenschaft beschftigt sich mit der Aufgabe, physikalische und chemische Reize zu messen und fr unseren Verstand begreiflich zu machen. Auch Ortung und Orientierung gehren zu diesem Wissenschaftsbereich. Im Krper des Menschen kreisen Stoffe in hoher Verdnnung, die fr heutige Analysen kaum wahrnehmbar sind. Die Sensorbionik bedient sich beispielsweise einem Insekt, dessen Fhler extrem empfindlich auf den gewnschten Stoff reagieren, und wertet dann die entstehenden elektrischen Signale aus. Beispiel : Die Fledermaus ist ein nachtaktives Tier, das seine Nahrung (Insekten) mit einem Sonarsystem ortet. Das System ist hnlich dem des Radars, funktioniert aber einfacher und ist auch einfacher nachzubauen, z.B. fr Abstandsmessungen fr Rckfahrtswarneinrichtungen in Lastwagen, Vermessungsgerte fr den Hausbau, usw. 2.3 Strukturbionik Strukturbionik ist der berbegriff fr die Erforschung von technisch verwertbaren Materialien und Strukturen, die man in der Natur findet. Unkonventionelle Materialien und Strukturen (ich denke da zum Beispiel an ein Wespennest, welche interessante Strukturen und einfachste Materialien mit hchst mglicher Effizienz kombiniert) werden auf ihre Eignung fr die kommerzielle Transformation geprft. Beispiel : Im Jahr 1959 entdeckte ein Forscher den Bildungprozess der Diatomeenschale. Die Zelle synthetisiert kleine Fetttrpfchen, die sich an der Oberflche anordnen und sich gegeneinander abplatten. In die Hohlrume wird Kieselsure injiziert. Nach Abbau der Fetttrpfchen bleibt ein Kieselsureskelett brig, das stabil gegen Flchendrcke reagiert. Ein Architekt bernahm diese Technik und presste Gummiblasen zwischen zwei Blasen. Die entstehenden Hohlrume fllte er mit Gips aus und verwendete die Konstruktion fr Abdeckungen und dergleichen. 2.4 Bewegungsbionik In der Fauna zhlen laufen, schwimmen und fliegen zu den Hauptfortbewegungsarten. Die Natur hat diese Bewegungen bis zur Perfektion verbessert, und so kann die Bewegungsbionik von einer Flle von Anregungen (Bewegungsablauf eines schwimmenden Delphins oder einer fliegenden Krhe, Oberflchenbeschaffenheit eines Walfischs) profitieren. Beispiel: In Deutschland wurde ein Laufroboter mit sechs Beinen entwickelt, dem das Steuer- und Nervensystem einer Heuschrecke als Vorbild Modell stand. Die Steuerkreise des Insektes sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern bloss vernetzt. Steht ein Bein vor einem Hindernis, setzen andere Beine schon ber das Hindernis hinweg, ohne komplizierte Berechnungen durchfhren zu mssen. Die Hausfliege, im Normalfall lstig ohne Ende, ist ein Paradebeispiel fr vernetztes Kommunizieren verschiedener Krperteile. Auch dieses Tier dient als Vorlage fr einen Roboter, der Rundumsicht wie die Fliege besitzt, und der das vernetzte Denken der Fliege nachahmt. - Auf dem Drehbaren Kopf sind zahlreiche Kameras angeordnet, die dem Roboter eine Rundumsicht ermglichen. Auf der zweiten Ebene ist die Steuerelektronik untergebracht, und auf der untersten Ebene die Bewegungsmechanik. 2.5 Neurobionik Neurobionik befasst sich mit dem Gehirn, dem Datenverarbeitungsystem unseres Krpers und dem Nervensystem, dem Datentransfer. Sie erforscht das Zusammenspiel Datenaufnahme - Datenverarbeitung und versucht, die gewonnen Erkenntnisse in KI (Knstliche Intelligenz) einfliessen zu lassen. Da die konventionellen Speicher heutiger Computersysteme nicht mehr lange reichen werden, mssen neue Medien gefunden werden. Meiner Meinung nach werden dies Biospeicher basierend auf Forschungen aus dem Gebiet der Neurobionik sein. Beispiel : Im Auge eines Krebses wurde bereits in den 50 - er ein Schaltungsmechanismus entdeckt, der die Helligkeitskontraste von Licht-Schatten-Grenzen verstrkt. Dieses Prinzip findet sich ebenso in Wirbeltieraugen wie im Menschenauge wieder. Optische Gerte, mit denen z.B. der Windabdrift von Flugzeugen gegenber dem Untergrund gemessen oder die automatische Scharfstellung von Diaprojektoren gewhrleistet werden sollen, funktionierten erst, nachdem dieses biologische Prinzip bernommen worden war. 2.6 Baubionik Homo Sapiens berziehen den ganzen Erdball mit grossen und kleinen Bauwerken, jedoch nicht mit der von der Evolution entwickelten Finesse. Die Baubionik erforscht Bautechnologien von Flora und Fauna, um sie praktisch umzusetzen. Zum Beispiel das Wrmeaustauschsystem von Termitenbauten, Anordnung von grossblttrigen Pflanzen in Relation zu Sonnenlicht oder elastische Bauformen wie Spinnennetze. Beispiel : Rosettenpflanzen richten ihre Bltter so aus, dass sie sich bereits whrend der Entwicklung und auch whrend des weiteren Lebens in Ausrichtung zur Sonne gegenseitig mglichst wenig beschatten. Italienische Architekten haben in einem Wohngebiet in Rom eine 13-stckige Hauskonstruktion nach dem Prinzip solcher Rosettenpflanzen gebaut. Die Wohneinheiten sind platzsparend so ineinander verschachtelt, dass sich die einzelnen Einheiten im Sommer (bei sehr starker Sonne) gegenseitig etwas beschatten, im Winter aber mglichst wenig die Sonne wegnehmen. 3. Welche Realisierte und lauffhige Bionik gibt es ? Da Bionik schon seit einiger Zeit betrieben wird, gibt es einige "Erfindungen", welche bereits industriell und von der Masse genutzt werden. 1.Lotusblteneffekt bertragen auf Oberflchenbeschichtungen Der Namen dieses Effektes stammt von der Heiligen Lotuspflanze, deren Blattoberflche praktisch unbenetzbar ist. Dieser Effekt wurde zwar schon in den 70er Jahren entdeckt. Jedoch wurde erst vor einiger Zeit entdeckt, dass die Oberflchen zudem auch selbstreinigend sind. Das interessante daran ist, dass die Blattoberflche nicht vllig glatt, sonder stark aufgerauht ist. Dies bewirken stark gewlbte Zellen und spezielle Wachskristalle von der Grsse weniger Mikrometern. In Kombination bewirken sie eine hydrophobe (wasserabweisende) Oberflchenstruktur, welche auch gegen natrliche Einflsse usserst widerstandsfhig ist. Anders verhlt es sich gegen Umweltchemikalien wie z.B. Pflanzenschutzmittel, welche Tenside enthalten, die die Oberflchenstruktur des Blattes verndern und benetzbar machen. Infolge dessen knnen Pilzsporen und Krankheitserreger das Blatt besiedeln und die Pflanze zugrunde richten. Die Idee der rauhen, unbenetz- bzw. unverschmutzbaren Oberflche befhigt die Industrie, Autolacke und Oberflchenbeschichtungen auf physikalisch - chemischer Grundbasis herzustellen, welche in vielen Bereichen zur Anwendung kommen werden. Ein erstes Produkt wurde Anfang dieses Jahres von einer Farbfabrik unter dem Namen ispo Lotusan auf den Markt gebracht. Der Vorteil einer solchen Beschichtung ist leicht zu finden: Reinigungsmaterial fllt nur noch bedingt an und dies entlastet die Umwelt. 2. Haifischhaut auf einen Airbus bertragen Wassertiere bewegen sich in einem Medium, welches einen mglichst geringen Reibungswiderstand verlangt, wenn die Tiere nicht zuviel Energie fr die Fortbewegung aufwenden wollen. Deshalb stattete die Evolution einige Haifischarten mit einer oberflchentechnisch gesehen speziellen Haut aus, welche beim Schwimmen entstehende Wirbel beseitigt. Die Haifischhaut ist in Strmungsrichtung fein gerillt, damit beim schwimmen entstehende Wirbel vermindert oder beseitigt werden. Die Forscher massen diese Rillen aus, und bertrugen sie grssenverhltnissmssig auf Modelle, die sie in einem Strmungskanal testeten. Eine Firma produzierte Prototypen einer Folie, die sich fr die Beklebung auf Airbuse des Typs A340 eignet. Nach einem Testflug konnte eine Reibungsverminderung von 8 % festgestellt werden, was ein Einsparung von 2.4 Tonnen Treibstoff pro Langstreckenflug bedeutet. 3. Elastisch angetriebener Roboterarm In der elektromechanischen Robotik (Frderbnder, Schweissautomaten, Abfllanlagen) sind mglichst spielfreie Gelenke gefragt. Vor allem deshalb, weil lotterige Gelenke und bersetzungen ungenau und praktisch nicht zu kompensieren sind. Eine Firma hat das Problem jetzt von der anderen Seite her angepackt. Sie nahmen sich die Natur zum Vorbild (genauer: den menschlichen Muskel) und lsten das Problem mit einem elastischen Roboterarm, welcher mit Elektromotoren und Zugfedern gesteuert und angetrieben wird. Ein Roboterarm dieser Art hat einige Vorteile: Prallt der Arm auf etwas unerwartetes, geben die Federn nach und hinterlassen keine allzu grossen Schden. Da die Gelenke nicht spielfrei sein mssen, ist die Herstellung billiger und weniger aufwendig. Der elastische Roboterarm ist jedoch aufwendiger zu steuern. Zwar sind alle Schwingbewegungen kompensierbar, dafr aber rechenaufwendiger. Das erfordert eine grssere Rechenleistung. Aber die Natur hat uns ja gezeigt, wie gut elastische Aktoren funktionieren. Epilog Grundstzlich lsst sich das Thema Bionik schwer definieren. Wenige Menschen wissen berhaupt, was Bionik ist. Das lsst ein wenig auf die Popularitt des Themas schliessen. Im Allgemeinen sehe ich eine grosse Zukunft fr Bionik, wenn - und nur dann - sich Wissenschaftler einen Kodex auferlegen, welcher sie zwingt, anstndig mit der Natur umzugehen. Gentechnologie ist im Vergleich zur Bionik mchtiger, aber um einiges schmutziger, da Tiere gezchtet oder verndert und nicht bloss beobachtet werden. Ob Bionik die Natur ausbeutet ist schwer zu sagen. Eine Ausbeutung bedeutet eigentlich, dass die ausgebeutete Lebensform kein eigenes Leben mehr hat und nur noch fr die Ausbeutung selbst lebt, auch wenn dies der Lebensform gar nicht bewusst sein muss. Ich denke nicht, dass Bionik eine Ausbeutung ist, da nur einzelne Objekte einer Lebensform beobachtet werden und in seltenen Fllen ihr Leben lassen mssen. Mein persnlicher Erkenntnisgewinn bezglich des Themas: Ich habe einen kleinen Einblick in eine Wissenschaft erhalten, welche in Zukunft einige Dinge entdecken und umsetzen wird. Eine saubere Wissenschaft, die sich das Wissen, das sich die Menschheit in der kleinen Zeitspanne, die sie schon auf diesem Planeten verbringt, mit dem Wissen der Natur, die schon einiges lnger auf der Erde durchgehalten hat, zu Nutze machen kann.

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