Bioinspiration @ FIT

Bionik – Was ist das?
Bioinspirierte Architektur
Smarte Materialsysteme
Bioinspirierte Nachhaltigkeit

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Botanischer Garten Freiburg Außenbereich

Lernen von der lebenden Natur

Seit mehreren Jahrzehnten arbeiten Biologen, Physiker, Chemiker sowie Ingenieure, Techniker, Architekten und Informatiker eng zusammen, um von den Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur zu lernen. Dieser Prozess wird als Bioinspiration bezeichnet, bei der Ideen aus der Natur auf technische Produkte übertragen werden.

Die Bionik hingegen beschäftigt sich mit der systematischen Suche nach biologischen Vorbildern, die Entschlüsselung ihrer Funktionsprinzipien und die Übertragung dieser Prinzipien auf technische Produkte. Grundsätzlich lassen sich zwei Vorgehensweisen in der Bionik unterscheiden. Beim Top-Down-Prozess wird für ein bereits funktionierendes technisches Produkt nach bionischen Verbesserungen gesucht. Beim Bottom-Up-Prozess wird ein technisches Produkt ausgehend von einem in der biologischen Grundlagenforschung gefundenen Funktionsprinzip entwickelt.

Bionik im Alltag

In unserem Alltag gibt es bereits zahlreiche Gegenstände, die von biologischen Vorbildern inspiriert sind. Oft wissen wir das gar nicht und man sieht es den bionischen Produkten auch nicht an. Zu den bekanntesten Beispielen zählen der Klettverschluss, selbstreinigende Oberflächen und die Optimierungsmethode „Evolutionsstrategie“ — aber auch der Stacheldraht.

Beiträge zur nachhaltigen Entwicklung

Bionik ist die systematische Übertragung von biologischem Wissen auf technische Produkte.
Bionik schafft Wissen über die gemeinsamen Funktionsprinzipien von belebter Natur und unbelebter Technik.
Bionik schärft das Bewusstsein für die biologische Vielfalt.
Bionik ist keine Garantie, sondern eine Chance für nachhaltige Lösungen.

Peer Review Veröffentlichungen

O. Speck, T. Speck, S. Baur, S., M. Herdy, M. (2024): The Basics of Evolution Strategies: The Implementation of the Biomimetic Optimization Method in Educational Modules. Biomimetics, 9(7): 439. DOI: 10.3390/biomimetics9070439
O. Speck, T. Speck (2023): Biomimetics in Botanical Gardens—Educational Trails and Guided Tours. Biomimetics, 8(3): 303. DOI: 10.3390/biomimetics8030303
O. Speck, D. Speck, R. Horn, J. Gantner, K. P. Sedlbauer (2017): Biomimetic Bio-Inspired Biomorph Sustainable? An Attempt to Classify and Clarify Biology-Derived Technical Developments. Bioinspiration & Biomimetics, 12(1): 011004. DOI: 10.1088/1748-3190/12/1/011004
F. Antony, R. Grießhammer, T. Speck, O. Speck (2016): The Cleaner – The Greener? Product Sustainability Assessment of the Biomimetic Façade Paint Lotusan^® in Comparison to the Conventional Façade Paint Jumbosil^®. Beilstein J. Nanotechnol., 7: 2100–2115. DOI: 10.3762/bjnano.7.200
T. Speck & O. Speck (2008): Process Sequences in Biomimetic Research. In: Brebbia, C.A. (ed.), Design and Nature IV, 3 – 11. WIT Press, Southampton, UK. DOI: 10.2495/DN080011

Projektförderung im Bereich Grundlagenforschung

Das FIT ist eine national und international bedeutende Forschungseinrichtung, die ausschließlich im Bereich der Grundlagenforschung tätig ist. Diese Einschränkung auf die Grundlagenforschung gilt für alle am FIT durchgeführten Projekte, einschließlich derjenigen aus den Bereichen Bioinspiration und Bionik.

Biomimetic Shell @ FIT – Pavillon

Biologisches Vorbild: Plattenskelett der Seeigel

Im Laufe der Evolution haben sich Seeigel an unterschiedliche Umweltbedingungen im Meer angepasst. Ihre Schalen bestehen aus vielen hochporösen und damit leichten Platten mit unterschiedlichen Geometrien, die fest miteinander verbunden sind, sich aber trotzdem durch Wachstum der einzelnen Platten vergrößern können. Verschiedene Seeigelschalen sind in einer Vitrine auf der Empore des FIT ausgestellt.

Pavillion livMatS Biomimetic Shell @ FIT mit Blumenwiese

Bioinspiration: livMatS Biomimetic Shell @ FIT

Diese modulare Leichtbauweise der Seeigelschalen diente als Vorbild für das Schalentragwerk des robotisch gefertigten Holzpavillons. Der bionische Pavillon ist eine Erweiterung des FIT und bietet Raum für das Entwickeln innovativer disziplinübergreifender Forschungsideen.

Der zukunftsweisende Forschungsbau ist selbst ein Forschungsprojekt der beiden Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg und Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der Universität Stuttgart, das einen integrativen Ansatz des Planens und Bauens für eine zukunftsfähige Architektur untersucht.

Beiträge zur nachhaltigen Entwicklung

Die verwendeten Holzwerkstoffe für die Gebäudehülle ersetzen die CO₂-intensiven Baustoffe Stahl und Beton.
Die Gebäudehülle besteht aus Hohlkassetten, wodurch sich der Materialverbrauch und ihr Gewicht um mehr als 50% reduzieren lassen.
Dadurch kann das Treibhausgaspotenzial um nahezu 63 % im Vergleich zu einem konventionellen Holzbau verringert werden.
Der Bau ist mit einer thermisch aktivierten Bodenplatte aus Recyclingbeton ausgestattet, die diesen auf der Basis von geothermischen Quellen wärmt und kühlt.
Ein auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit reagierendes Verschattungssystem bietet die Möglichkeit für einen CO₂-neutralen Betrieb.
Die gesamte Baustruktur ist so konzipiert, dass sie einfach zerlegt werden kann, wiederverwendbar ist und ihre Bestandteile sortenrein trennbar bleiben.
Durch den vorgesehenen Verwendungszweck als Veranstaltungsort wird die Forschung des livMatS-Clusters einer breiten Öffentlichkeit anschaulich vermittelt.

Veröffentlichungen

M. Gorki, O. Speck, M. Möller, J. Fenn, L. Estadieu, A. Menges, M. Schiller, T. Speck, A. Kiesel (2025): Challenging the Biomimetic Promise – Do Laypersons Perceive Biomimetic Buildings as More Sustainable and More Acceptable? Biomimetics, 10: 86. DOI: 10.3390/biomimetics10020086
T. Speck, M.E. Schulz, A. Fischer, J. Rühe (2023): Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-Autonomous Materials Systems (livMatS). In: Future Automotive Production Conference 2022 (pp. 239-252). Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden.
T. Schwinn, S. Sonntag, T. Grun, J. Nebelsick, J. Knippers, A. Menges (2019): Anwendungsmöglichkeiten von Segmentschalen in der gebauten Architektur. In: J. Knippers, U. Schmidt, T. Speck (eds.) Bionisch bauen – Von der Natur lernen. Birkhäuser, Basel, 116-125.
T.B. Grun, L. Koohi Fayegh Dehkordi, T. Schwinn et al. (2016): The Skeleton of the Sand Dollar as a Biological Role Model for Segmented Shells in Building Construction: A Research Review. In: J. Knippers, K. Nickel & T. Speck (eds.) Biomimetic Research for Architecture and Building Construction: Biological Design and Integrative Structures. Springer, Cham, Vol. 9, 217-242.

Pressemitteilungen

Projektfinanzierung

Die Grundlagenforschung zu diesem Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – Exzellenzcluster livMatS (EXC-2193/1 – 390951807) und Exzellenzcluster IntCDC (EXC 2120/1 – 390831618) gefördert.

Biomimetic Shell @ FIT – Solar Gate Verschattungssystem

Biologisches Vorbild: Bewegung der Kiefernzapfenschuppen

Die Schuppen der Kiefernzapfen öffnen und schließen sich aufgrund des Zusammenspiels mehrerer Gewebeschichten, die alle auf Feuchtigkeit reagieren. So öffnet sich der Kiefernzapfen nur bei Trockenheit, die Samen werden freigegeben und durch den Wind verbreitet. Für technische Anwendungen ist diese Bewegung besonders interessant, da sie rein passiv verläuft und keine Stoffwechselenergie benötigt wird.

Zapfen in unterschiedlichen Öffnungsgraden

Bioinspiration: Verschattungssystem im Solar Gate Oberlicht

Ein feuchtigkeitsgesteuertes Verschattungssystem aus biobasierten, im 4D-Druck hergestellten Materialien regulieren das Innenraumklima der Biomimetic Shell über das großflächige Oberlicht „Solar Gate“. Nach dem Vorbild der beweglichen Schuppen der Kiefernzapfen passen sich die 424 selbstformenden Beschattungselemente passiv den Wetterbedingungen an. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit flachen sich die einzelnen Elemente ab und schützen so im Sommer vor hoher Sonneneinstrahlung. Bei hoher Luftfeuchtigkeit rollen sie sich auf und lassen an bewölkten Tagen und im Winter Licht ins Gebäudeinnere.

Beiträge des Verschattungssystems zur nachhaltigen Entwicklung

Das auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit reagierendes Verschattungssystem bietet die Möglichkeit für einen CO₂-neutralen Betrieb.

Peer Review Veröffentlichungen

T. Cheng, Y. Tahouni, E.S. Sahin, K. Ulrich, K., S. Lajewski, C. Bonten, D. Wood, J. Rühe, T. Speck, A. Menges (2024): Weather-Responsive Adaptive Shading Through Biobased and Bioinspired Hygromorphic 4D-Printing. Nature Communications, 15(1): 10366. DOI: 10.1038/s41467-024-54808-8
K. Ulrich, L. Genter, S. Schäfer, T. Masselter, T. Speck (2024): Investigation of the Resilience of Cyclically Actuated Pine Cone Scales of Pinus jeffreyi. Bioinspiration & Biomimetics, 19(4): 046009. DOI: 10.1088/1748-3190/ad475b
S. Poppinga, N. Nestle, A. Šandor, B. Reible, T. Masselter, B. Bruchmann, T. Speck (2017): Hygroscopic Motions of Fossil Conifer Cones. Scientific Reports, 7(1): 40302. DOI: 10.1038/srep40302

Pressemitteilungen

Projektfinanzierung

Faserpavillon @ Botanischer Garten Freiburg

Biologisches Vorbild: Kakteenholz

Inspiration für den Faserpavillon waren der Faserverlauf der Holzstrukturen von Säulenkakteen, wie dem bis zu 20 Meter hohen Saguaro-Kaktus, sowie von den strauchig bis baumähnlich wachsenden Feigenkakteen, die bis zu 10 Meter hoch werden können. Im Inneren besitzen die Kakteen hohle Holzkörper, deren Holzelemente netzförmig miteinander verwachsen sind. Diese Leichtbaukonstruktionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.

Bioinspiration: Faserpavillon @ Botanischer Garten Freiburg

Die netzförmige Anordnung der Fasern der Pavillonbauteile, die durch kernlose Wicklung hergestellt werden, sind von der Holzstruktur der Saguaro- und Feigenkakteen inspiriert. Die 15 lasttragenden Faserelemente und das Faser-Schlusselement im Zentrum der Struktur wurden am Computer entworfen. Alle Bauelemente bestehen vollständig aus robotergewickelten in Harz getränkten Flachsfaserbündeln, die mit Sisalschnüren verstärkt sind. Die transparenten Abdeckungselemente sind aus Polycarbonat gefertigt und können recycelt werden. Der gesamte Pavillon wiegt lediglich 1,5 Tonnen und überdeckt eine Fläche von 46 m². Er steht im Außengelände des Botanischen Gartens Freiburg und dient als Veranstaltungsort.

Faserpavillon im Botanischen Garten Freiburg

Beiträge zur nachhaltigen Entwicklung

Die verwendeten Flachsfasern und Sisalschnüre bestehen zu 100 % aus erneuerbaren Rohstoffen und stammen aus regionalem Anbau.
Durch die verwendeten Rohstoffe und die zum Einsatz kommende ressourceneffiziente Leichtbauweise hat der Pavillon das Potenzial, den ökologischen Fußabdruck von Gebäuden deutlich zu reduzieren.
Die Flachsfasern und Sisalschnüre sind biologisch abbaubar.
Als kostengünstige Produktionsweise wurde für die Herstellung das robotergestützte kernlose Wickeln gewählt.
Durch den vorgesehenen Verwendungszweck als Veranstaltungsort wird die Forschung des livMatS-Clusters einer breiten Öffentlichkeit anschaulich vermittelt.

Veröffentlichungen

M. Gorki, O. Speck, M. Möller, J. Fenn, L. Estadieu, A. Menges, M. Schiller, T. Speck, A. Kiesel (2025): Challenging the Biomimetic Promise – Do Laypersons Perceive Biomimetic Buildings as More Sustainable and More Acceptable? Biomimetics, 10: 86. DOI: 10.3390/biomimetics10020086
T. Speck, M.E. Schulz, A. Fischer, J. Rühe (2023): Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-Autonomous Materials Systems (livMatS). In: Future Automotive Production Conference 2022 (pp. 239-252). Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden.
T. Speck (2023): Der livMatS Pavillon im Botanischen Garten der Universität Freiburg: Vom Kakteenholz inspiriert und mit nachwachsenden Flachsfasern gebaut. Gärtnerisch Botanischer Brief, 223: 30-39.

Pressemitteilungen

Projektfinanzierung

Selbstreparierende Materialsysteme

Sukkulente Blätter von Delosperma cooperi

Biologisches Vorbild: Wundreaktion der Mittagsblume

Eine schnelle Wundversiegelung spielt bei Pflanzen, die in trockenen Gebieten wachsen, eine überlebenswichtige Rolle. Die Mittagsblume Delosperma cooperi versiegelt äußere Verletzungen durch Verformung des ganzen Blatts. Innerhalb von maximal 60 Minuten treffen die Wundränder aufeinander und die Pflanze ist vor weiterem Verlust des im Blattinneren gespeicherten Wassers geschützt. Anschließend setzt eine länger andauernde Selbstheilungsphase ein. Wie in der Bildmitte zu sehen ist, kann eine dauerhafte Krümmung des Blatts bestehen bleiben.

Bioinspiration: Selbstreparierende Materialien und Materialsysteme

Die Versiegelung von Schäden durch Verformung bis zum Aufeinandertreffen der Schadensränder diente als Vorbild für ein selbstreparierendes Metamaterial¹, das aus Einheitszellen besteht sowie ein selbstreparierendes Materialsystem² und Polymer-Material³ mit Formgedächtniseffekt. Bei allen bioinspirierten Materialentwicklungen konnten die Risse innerhalb von maximal 60 Minuten versiegelt werden. Beim Metamaterial und Polymer schließt sich ein Heilungsprozess an, sodass der reparierte Bereich mechanisch kaum von unverletztem Material zu unterscheiden ist.

Selbstreparierendes Metamaterial (aus Ghavidelniaa et al. 2024 unter Lizenz CC BY 4.0)

Beiträge zur nachhaltigen Entwicklung

Die Selbstreparaturfunktion von Produkten schont Ressourcen.
Produkte mit Selbstreparaturfunktion haben eine längere Servicedauer und Lebenszeit.
Die Selbstreparaturfunktion von Produkten trägt zur Verringerung des Abfallaufkommens bei.

Peer Review Publikationen

¹N. Ghavidelniaa, V. Slesarenko, O. Speck, C. Eberl (2024): Bio-Inspired Pressure-Dependent Programmable Mechanical Metamaterial with Self-Sealing Ability. Advanced Materials: 2313125, DOI: 10.1002/adma.202313125
²J. Becker, O. Speck, T. Speck, C. Müller (2022): Learning from Self-Sealing Deformations of Plant Leaves: The Biomimetic Multilayer Actuator. Adv. Intell. Syst. 4(12): 2200215. DOI: 10.1002/aisy.202200215
O. Speck, T. Speck (2019): An Overview of Bioinspired and Biomimetic Self-Repairing Materials. Biomimetics 4(1): 26. DOI: 10.3390/biomimetics4010026
³Y. Yang, D. Davydovich, C.C. Hornat, X. Liu, M.W. Urban (2018): Leaf-Inspired Self-Healing Polymers: Chem, 4(8): 1928-1936. DOI: 10.1016/j.chempr.2018.06.001
O. Speck, M. Schlechtendahl, F. Borm, T. Kampowski & T. Speck (2018): Humidity-Dependent Wound-Sealing in Succulent Leaves of Delosperma cooperi – An Adaptation to Seasonal Drought Stress. Beilstein J Nanotech 9: 175–186. DOI: 10.3762/bjnano.9.20
H. Klein, L. Hesse, M. Boljen, T. Kampowski, I. Butschek, T. Speck, O. Speck (2018): Finite Element Modelling of Complex Movements During Self-Sealing of Ring Incisions in Leaves of Delosperma cooperi. J. Theor. Biol. 458: 184–206. DOI: 10.1016/j.jtbi.2018.08.023
W. Konrad, F. Flues, F. Schmich, T. Speck, O. Speck (2013): An Analytic Model of the Self-Sealing Mechanism of the Succulent Plant Delosperma cooperi. J. Theor. Biol. 336: 96-109. DOI: 10.1016/j.jtbi.2013.07.013

Projektfinanzierung

Die Grundlagenforschung zu diesem Projekt zur Entwicklung des selbstreparierenden Metamaterials¹ und des selbstversiegelnden mehrschichtigen Materialsystems² wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder im Exzellenzcluster livMatS (EXC-2193/1 – 390951807) gefördert.

Der zelluläre Aktuator

Biologisches Vorbild: Hydraulische Pflanzenbewegungen

In jeder Pflanzenzelle befindet sich wässriger Zellsaft, der von einer dünnen Membran und einer festen Zellwand umgeben ist. Aus technischer Sicht ist die Pflanzenzelle somit ein hydraulisches System mit gemessenen Druckwerten zwischen 0,7 und 40 bar. Wenn Pflanzen welken, ist das ein Zeichen für einen sehr niedrigen Innendruck (Turgor) in ihren Zellen.

Durch das Zusammenwirken vieler Zellen können ganze Pflanzenorgane bewegt werden, wie es bei der Blattbewegung von Süßgräsern der Fall ist. Die schematische Darstellung des Querschnitts eines Blattes zeigt eine Mittelrippe, die als Widerlager wirkt. Die beiden Blatthälften werden von den sogenannten Motorzellen bewegt. Sind diese prall mit Wasser gefüllt (in rot dargestellt), ist das Blatt geöffnet. Bei Wassermangel „welken” die Motorzellen (in blau dargestellt) und das Blatt faltet sich entlang der Mittelrippe zusammen.

Schematische Darstellung der Blatthälften in geschlossener (oben) und geöffneter (unten) Stellung. Die Motorzellen sind entweder verwelkt (blau dargestellt) oder prall gefüllt (rot dargestellt).

Der zelluläre Aktuator mit Zusatzgewicht, das angeboben wurde.

Bionik: Pneumatischer Aktuator

Inspiriert von der hydraulischen Blattbewegung mittels Motorzellen wurden Finite Elemente Modelle erstellt, die die Voraussetzung für die Entwicklung des zellulären Aktuators waren. Dieser setzt sich aus einer Reihe von einzelnen pneumatischen Zellen zusammen, die auf einer Platte angeordnet sind. Die Zellen sind so aufgebaut, dass sich bei erhöhtem Innendruck die obere Seite stark verlängert, während die untere Seite unverändert bleibt. So ergibt sich eine Biegung der gesamten Struktur und der zelluläre Aktuator kann für die Lamellenbewegung von Demonstratoren der bioinspirierten Verschattungssysteme Flectofin und Flectofold eingesetzt werden. Der zelluläre Aktuator ist in mehreren Vitrinen im FIT ausgestellt.

Beiträge zur Nachhaltigkeit

Der zelluläre Aktuator bestehend aus vielen einzelnen pneumatischen Zellen ist weniger störungsanfällig als ein einzelnes pneumatisches Kissen.
Das Wissen um die Übertragung hydraulischer Pflanzenbewegungen auf pneumatische technische Materialsysteme ist eine Ideenquelle für die Entwicklung weiterer technischer Lösungen.

Peer Review Publikationen

A. Mader, M. Langer, J. Knippers, O. Speck (2020): Learning from Plant Movements Triggered by Bulliform Cells: The Biomimetic Cellular Actuator. Journal of the Royal Society—Interface 17: 20200358. DOI: 10.1098/rsif.2020.0358
L.-S. Lehmann, T. Kampowski, M. Caliaro, T. Speck, O. Speck (2019): Drooping of Gerbera Flower Heads: Mechanical and Structural Studies of a Well-Known Phenomenon. Biol. Lett. 15: 20190254. DOI: 10.1098/rsbl.2019.0254

Projektfinanzierung

Die Grundlagenforschung zu diesem Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des SFB-Transregio 141 „Biological Design and Integrative Structures—Analysis, Simulation and Implementation in Architecture“ (Projekt A03) gefördert.

Künstliche Venusfliegenfallen

Biologisches Vorbild: Fangmechanismus der Venusfliegenfalle

Die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) ist eine der bekanntesten fleischfressenden Pflanzen. Sie besitzt zweiteilige Fangblätter, die durch eine Mittelrippe verbunden sind. Werden ihre Sensorhaare im Inneren der Fangblättern innerhalb von 20 Sekunden zwei Mal von der Beute berührt, schnappt die Falle zu. Dabei ändert sich die typische konkave Krümmung der vorgespannten offenen Fangblätter schlagartig in die konvexe Blattform der geschlossenen Falle. Mit einer Dauer von bis zu 100 Millisekunden zählt dieser bistabile Fangmechanismus zu den schnellsten Pflanzenbewegungen. Anders als beim passiven Schließen der Falle ist das Öffnen ein aktiver, energieverbrauchender Wachstumsprozess.

Die Venusfliegenfalle kann auf nährstoffarmen Böden gedeihen, da sie im Laufe der Evolution die Fähigkeit entwickelt hat, Phosphor und Stickstoff aus der Verdauung ihrer tierischen Beute (z. B. kleine Fliegen, Ameisen und Spinnen) in den Schnappfallen zu gewinnen.

Venusfliegenfalle in geöffnetem (oben) und geschlossenem Zustand (unten).

Künstliche Venusfliegenfalle mit pneumatischer Aktuierung in geöffnetem (oben) und geschlossenem Zustand (unten).

Bionik: Künstliche Venusfliegenfallen

Der Fokus des Projekts lag auf der Beantwortung der Frage, ob die künstlichen Venusfliegenfallen den sogenannten Turing-Test bestehen können. Der Test ist dann bestanden, wenn sich die Funktion der künstlichen Venusfliegenfallen nicht von der Funktion ihrer lebenden Vorbilder unterscheidet.

Inspiriert vom Fangmechanismus der Venusfliegenfalle wurden Demonstratoren bestehend aus einem flexiblen Foliensystem mit bistabilem Schließmechanismus entwickelt. Das biologische Vorbild wurde vereinfacht und somit besteht der Demonstrator aus einem Flügel rechts und links sowie einem Ohr oben und unten vom festen Rückgrat.

Die künstliche Venusfliegenfalle wird mittels verschiedener Energiequellen (z. B. pneumatisch oder magnetisch) aktiv geöffnet. Bei Berührung schließt sich die Falle schnell und passiv. Wie beim biologischen Vorbild ändert sich die Krümmung der künstlichen Flügel beim Schließen von konkav zu konvex. Fazit: Die künstlichen Fliegenfallen haben somit den Turing-Test bestanden.

Peer Review Publikationen

F. Tauber, P. Auth, J. Teichmann, F.D. Scherag, T. Speck (2022): Novel Motion Sequences in Plant-Inspired Robotics: Combining Inspirations from Snap-Trapping in Two Plant Species into an Artificial Venus Flytrap Demonstrator. In: Gorb, S.N.; Carbone, G.; Speck, T.; Taubert, A. (eds.): Advances in Biomimetics: Combination of Various Effects at Different Scales. Biomimetics 2023, 8: 329. DOI: 10.3390/biomimetics7030099
F. Tauber, L. Riechert, J. Teichmann, N. Poovathody, U. Jonas, S. Schiller, T. Speck (2022): Unit Cell Based Artificial Venus Flytrap. In: Hunt, A., et al. (eds.), Biomimetic and Biohybrid Systems. Living Machines 2022. Lecture Notes in Computer Science (pp. 1–12), vol 13548. Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-031-20470-8_1
G.M. Durak, T. Speck, S. Poppinga (2022): Shapeshifting in the Venus Flytrap (Dionaea muscipula): Morphological and Biomechanical Adaptations and the Potential Costs of a Failed Hunting Cycle. Frontiers in Plant Science 13: 970320. DOI: 10.3389/fpls.2022.970320
G.M. Durak, R. Thierer, R. Sachse, M. Bischoff, M., T. Speck, S. Poppinga (2022): Smooth or With a Snap! Biomechanics of Trap Reopening in the Venus Flytrap (Dionaea muscipula). Advanced Science 2201362. DOI: 10.1002/advs.202201362
R. Sachse, A. Westermeier, M.D. Mylo, J. Nadasdi, M. Bischoff, T. Speck, S. Poppinga (2020): Snapping Mechanics of the Venus Flytrap (Dionaea muscipula). Proceedings of the National Academy of Sciences 117(27): 16035-16042. DOI: 10.1073/pnas.2002707117
F. Esser, P. Auth, T. Speck, T. (2020): Artificial Venus Flytraps: A Research Review and Outlook on their Importance for Novel Bioinspired Materials Systems. Frontiers in Robotics and AI 7: 75. DOI: DOI: 10.3389/frobt.2020.00075
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. DOI: 10.1002/biuz.201310520

Projektfinanzierung

Die Grundlagenforschung zu diesem Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder im Exzellenzcluster livMatS (EXC-2193/1 – 390951807) gefördert.

Bio-inspired Sustainability Assessment (BiSA)

Biologisches Vorbild: Verhältnis zwischen der bereitgestellten Funktion und den benötigten Ressourcen

Eine geeignete Grundlage für die Entwicklung einer bio-inspirierten Nachhaltigkeitsbewertung ist der gemeinsame Nenner zwischen biologischen und technischen Systemen: das Verhältnis zwischen den bereitgestellten Funktionen und den benötigten Ressourcen.

Zwar scheint der Ideenfluss von der Biologie zur Technik das Potenzial zu haben, zu einer nachhaltigen technologischen Entwicklung beizutragen (sogenanntes „bionisches Versprechen“), doch garantiert die Verwendung eines biologischen Modells oder Materials nicht unbedingt ein nachhaltiges Produkt. Vielmehr muss ein Beitrag zur Nachhaltigkeit von Anfang an ein zentrales Ziel des Entwicklungsprozesses sein.

Bioinspirierte Nachhaltigkeitsbewertung (BiSA)

Die bioinspirierte Nachhaltigkeitsbewertung (BiSA) wurde mit besonderem Augenmerk auf das Verhältnis von sozialen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten der beabsichtigten Funktionen und der unbeabsichtigten Belastungen (Ressourcenbedarf) im Bausektor entwickelt. Die Funktionen werden im oberen Teil des Kreisdiagramms dargestellt, die Belastungen (= Burden) im unteren Teil. Jeder Aspekt wird im Verhältnis zu einem ausgewählten Referenzprodukt dargestellt, das durch den violett gestrichelten Kreis abgebildet ist.

Durch die Darstellung als sechsteiliges Kreisdiagramm können alle Nachhaltigkeitsaspekte auf einen Blick mit dem Referenzprodukt verglichen werden. Fazit: Je größer der Radius der Funktion-Segmente ist, desto größer ist die Funktionalität, und je kleiner der Radius der Segmente des Ressourcenverbrauchs ist, desto geringer sind die negativen Auswirkungen des Produkts.

Bewertungsbaum von BiSA zugeschnitten auf den Bausektor. — Bewertungsbaum von BiSA entwickelt für Nachhaltigkeitsbewertungen im Bausektor.

Publikationen

M. Möller, T. Speck, O. Speck (2024): Sustainability Assessments Inspired by Biological Concepts. Technology in Society 78: 102630, DOI: 10.1016/j.techsoc.2024.102630
O. Speck, R. Horn, D. Speck, J. Gantner, P. Leistner (2019): Biomimetics meets Sustainability. In: A.B. Kesel & D. Zehren (eds.), Bionik: Patente aus der Natur. Tagungsbeiträge zum 9. Bionik-Kongress in Bremen, 81–91. Bionik-Innovations-Centrum (B-I-C), Bremen.
R. Horn, S. Albrecht, W. Haase, M. Langer, D. Schmeer, W. Sobek, O. Speck, P. Leistner (2019): Bio-inspiration as a Concept for Sustainable Constructions Illustrated on Graded Concrete. J. Bionic Eng. 16(4): 742–753. DOI: 10.1007/s42235-019-0060-1
O. Speck, J. Gantner, K. Sedlbauer, R. Horn (2019): Das bionische Versprechen. In: J. Knippers, U. Schmidt, T. Speck (eds.) Bionisch bauen – Von der Natur lernen. Birkhäuser, Basel, 180-187.
R. Horn, H. Dahy, J. Gantner, O. Speck, P. Leistner (2018): Bio-inspired Sustainability Assessment for Building Product Development—Concept and Case Study. Sustainability 10(1): 130–154. DOI: 10.3390/su10010130
R. Horn, J. Gantner, L. Widmer, K. P. Sedlbauer, O. Speck (2016): Bio-inspired Sustainability Assessment – A conceptual framework. In: J. Knippers, K. Nickel & T. Speck (eds.), Biomimetic Research for Architecture and Building Construction: Biological Design and Integrative Structures, Bio-inspired Systems, Vol. 9, 361-377, Springer, Cham.

Projektfinanzierung

Von biologischen Konzepten für drei Nachhaltigkeitsstrategien lernen

Biologisches Vorbild: Wuchsform „Liane“

Im Laufe der biologischen Evolution hat sich die Wuchsform „Liane“ im Pflanzenreich mehrfach unabhängig voneinander entwickelt. Obwohl das Konzept der Nachhaltigkeit anthropozentrisch ist und in der Biologie nicht existiert, lassen sich die Merkmale und allgemeinen Konzepte von Lianen auf die drei Nachhaltigkeitsstrategien Effizienz, Konsistenz und Suffizienz übertragen.

Bioinspiration: Schärfung des Verständnisses der drei Nachhaltigkeitsstrategien

Das Verständnis von Nachhaltigkeit hat sich seit der Einführung durch den Oberberghauptmann Hans Carl von Carlowitz vor über 300 Jahren erheblich weiterentwickelt. Ursprünglich schlug er den Begriff als Mittel zur Behebung des akuten Holzmangels vor. Die drei Nachhaltigkeitsstrategien sind die Grundlage für einen nachhaltigen Lebensstil, an dem wir uns aktiv beteiligen können.

Effizienz (= besser): Durch Veränderung des Produktionsprozesses können wir die Ressourcen besser nutzen, um die Leistung eines Produkts zu erreichen.
Konsistenz (= anders): Wir können unseren Produktionsprozess von umweltschädlichen auf naturverträgliche Technologien umstellen.
Suffizienz (= weniger): Indem wir unseren Lebensstil ändern, können wir den Verbrauch überflüssiger Dinge reduzieren.

The stem of the twining liana Condylocarpon guianense wounding around a tree in the tropical rain forest of French Guyana.

Biologische Konzepte	Nachhaltigkeitsstrategie
Kompromiss	Effizienz
Modularität	Effizienz
Multifunktionalität	Effizienz
Externe Unterstützung	Effizienz
Funktionsbezogenes Gewebe	Effizienz
Leichtbaukonstruktion	Effizienz
Schadensvorbeugung	Effizienz
Beste Einpassung	Konsistenz
Kein Abfall	Konsistenz
Funktionswandel	Konsistenz
Schadensmanagment	Konsistenz
Änderung der Wuchsform	Suffizienz
Gut genug	Suffizienz
Weniger ist mehr	Suffizienz

Peer Review Publication

O. Speck, M. Möller, R. Grießhammer, T. Speck (2022): Biological concepts as a source of inspiration for efficiency, consistency, and sufficiency. Sustainability 14: 8892. DOI: 10.3390/su14148892