Projekte
Transition zones between rod-shaped and planar plant structures
Projektbeschreibung
In diesem Projekt, das vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg als Teilprojekt von BioElast gefördert wird, beschäftige ich mich mit der Übergangszone zwischen stabförmigen und flächigen Strukturen. Als biologische Vorbilder dienen verschiedene Laubblätter, die in der Regel aus einem stabförmigen Blattstiel und einer ebenen Blattspitze bestehen, die durch eine glatte Übergangszone verbunden sind. Im Rahmen eines biomimetischen Bottom-up-Ansatzes möchte ich zunächst ein besseres Verständnis der Morphologie, Anatomie und Biomechanik dieser Stiel-Blatt-Übergangszonen gewinnen. Meine Projektpartner aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen werden dieses Wissen dann in technische Anwendungen integrieren.
Projektergebnis
Das Ziel meiner Doktorarbeit war die Erforschung bioinspirierter und biomimetischer Ansätze zur Bewältigung technischer Herausforderungen im Bereich der Architektur. Bei herkömmlichen Konstruktionsmethoden werden stangenförmige und flächige Bauteile oft mit einer Vielzahl von Einzelelementen zusammengefügt. Aufgrund der hohen Spannungen und Belastungen, die zwischen diesen Elementen auftreten, sind die Systeme anfälliger für Ausfälle und Wartung.
Ein Ziel des Projekts war es daher, bioinspirierte Systeme zu entwickeln, die diese sehr unterschiedlichen Strukturen über schadensresistente und belastbare Übergangszonen miteinander verbinden. Idealerweise sind diese Systeme hinsichtlich ihrer großen, flächigen Strukturen adaptiv und können auch dynamischen Belastungen wie Wind problemlos standhalten. Laubblätter erfüllen diese Anforderungen, jedoch ist die Übergangszone zwischen dem stabförmigen Blattstiel und der flächigen Blattspreite kaum erforscht.
Meine Arbeit hat gezeigt, dass verschiedene Gradienten ein wichtiges Funktionsprinzip der untersuchten Blattstiele und Übergangszonen darstellen. Diese Gradienten überschneiden sich im Verlauf des Blattstiels und der Übergangszone und sind teilweise über verschiedene Hierarchieebenen integriert. Dies beinhaltet Gradienten von Größe, Form und Steifigkeit. Das Zusammenspiel dieser verschiedenen Gradienten reduziert Spannungsspitzen, die durch mechanische Belastungen in und zwischen den einzelnen Blattkomponenten entstehen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die im Pflanzengewebe übliche Faser-Matrix-Struktur und damit die Anordnung der Gewebe innerhalb der Blattbestandteile. Es stellte sich heraus, dass es eine Trennung der mechanischen Funktionen zwischen dem Blattstiel und der Übergangszone gibt. Der Blattstiel kompensiert Biegebelastungen, während sich Torsionsbelastungen zwischen dem Blattstiel und der Übergangszone verteilen. Alle diese Prinzipien zusammen führen zu den elastischen Übergangszonen, die wir vom Rascheln der Blätter im Wind kennen.
Die Übertragung dieser Funktionsprinzipien auf den Bereich des Bauwesens könnte einen wesentlichen Beitrag zu belastbareren und weniger schadensanfälligen technischen Übergängen zwischen stabförmigen und flächigen Strukturen leisten.
Betreuerin
Dr. Olga Speck
Max Langer schloss seine Dissertation im März 2022 ab.
Derzeitige Position
Software-Entwickler bei Testo bioAnalytics GmbH mit dem Schwerpunkt auf Bildverarbeitung, Computer Vision und Machine Learning.