Bionik (eBook)

Aktuelle Forschungsergebnisse in Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaft

Torsten Rossmann, Cameron Tropea (Herausgeber)

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2005 | 2005
XIV, 599 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-540-26948-9 (ISBN)

Infos

In vielen Wissenschafts- und Technikzweigen ist der praktische Nutzen der Bionik anerkannt. Die Lösung technischer Probleme mit Hilfe biologisch motivierter Prinzipien wird erfolgreich praktiziert. Außen vor blieb jedoch bisher die Verständigung zwischen den beteiligten Wissenschaftszweigen.

Dieses Buch gibt einen aktuellen Überblick über die unterschiedlichen Forschungsfelder, angefangen von Optimierungsstrategien in der Robotik über Adaptive Beinprothesen, Informationsverarbeitung in natürlichen und künstlichen Systemen, Optimierungsstrategien in der Industrie bis hin zu Philosophischen Aspekten der Bionik. Somit unterstützt es erstmals einen Diskurs zwischen den Disziplinen und ermöglicht einen Austausch zwischen Forschern unterschiedlicher Fachgebiete. Die Beiträge sind allgemein verständlich geschrieben und wagen einen Blick in die Zukunft spannender Forschungsaufgaben.

Torsten Rossmann, geb. 1966, ist Geschäftsführer des Biotechnik-Zentrums (BitZ) an der Technischen Universität Darmstadt. Er studierte Biologie, Geologie/Paläontologie und Maschinenbau. In mehr als 50 Fachartikeln hat er sich mit dem Bau und der Funktion der Lebewesen beschäftigt. Mit dem Aufbau und der Leitung des BitZ findet sein ausgeprägtes fachübergreifendes Interesse eine Herausforderung.

 

Cameron Tropea, geb. 1954, ist derzeit Leiter des Fachgebietes Strömungslehre und Aerodynamik im Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt, wo er sich vor allem mit Forschung im Bereich der Fluidzerstäubung, der Aerodynamik und der Strömungsmesstechnik befasst. Seine Beschäftigung mit der Bionik umfasst die Aerodynamik des Vogelfluges sowie das Aufprallverhalten von Flüssigkeitstropfen auf strukturierten Oberflächen.

Inhalt

Vorwort der Herausgeber 7
Vorwort von Prof. Werner Nachtigall 9
Inhalt 11
1. Bionik 15
1.1. Bionik im natur- und ingenieurwissenschaftlichen Bereich 15
Sprachlich beschriebene Dynamik und rekurrente Fuzzy-Systeme 16
1. Motivation 16
2. Logik und Fuzzy-Logik 17
3. Sprachliche Modellierung intraspezifischer Konkurrenz 18
4. Mathematische Modellierung intraspezifischer Konkurrenz 19
5. Fuzzy-Systeme, rekurrente Fuzzy-Systeme und Automaten 21
6. Chaos bei der intraspezifischen Konkurrenz 23
7. Anwendungen rekurrenter Fuzzy-Systeme 24
8. Sequentielle Mustererkennung in Stranggießanlagen 25
9. Fazit 28
Adaptronik – ein technischer Ansatz zur Lösung bionischer Aufgaben 30
1. Bionik und Adaptronik als wissenschaftliche Disziplinen 30
2. Schnittstellen von Bionik und Adaptronik: Beispiele 34
3. Zusammenfassung 42
Microelectronics meets Bionics 44
1. The status of Microelectronics 44
2. Bionic-electronics 48
3. Artificial Neural Network 60
4. Future contribution of Microelectronics in Bionics 62
Wirbelbildung hinter schlagenden Tragflächen 64
1. Einleitung 64
2. Material und Methode 69
3. Erste Ergebnisse und Ausblick 72
Infobionik – Entwurf einer menschzentrierten Benutzerschnittstelle 75
1. Einführung 75
2. Motivation und Einordnung 77
3. Vision 80
4. Grundlagen 83
5. Probleme 86
6. Verwandte Ansätze 90
7. Ausblick 91
Neurobionik – Prothetik, Biohybride und intelligente Algorithmen 93
1. Einleitung 93
2. Neuroprothetik 94
3. Hybridtechnologie 97
4. Intelligente Algorithmen aus der Natur 98
Animal attachments: Minute, manifold devices. Biological variety – Basic physical mechanisms – A challenge for biomimicking technical stickers 105
1. Introduction 105
2. Classical descriptions, mainly in insects 106
3. Examples of recent investigations 114
4. General biological aspects and technical use 120
Bionik im Bauwesen 135
1. Einleitung 135
2. Arten der Bionik 137
4. Ein Beispiel für die Anwendung von Evolutionären Algorithmen anhand der Optimierung von Fassadensystemen – ein bionischer Ansatz 147
Laufbewegungen bei Roboter, Tier und Mensch: Analyse, Modellierung, Simulation und Optimierung 156
1. Einführung 157
2. Grundlagen der vier- und zweibeinigen Fortbewegung 157
3. Dynamik des Laufens bei Robotern 160
4. Dynamik des Laufens bei Tier und Mensch 163
5. Integration von Sensorik und Motorik 165
6. Zusammenfassung und Ausblick 166
Literatur 168
Ein bionisches neuronales Netz zur Periodizitätsanalyse 170
1. Motivation 170
2. Das auditorische System 171
3. Ein neuronales Netz zur zeitlichen Periodizitätsanalyse 173
3.3. Modellierung des auditorischen Systems bis zum PAN-Modell 177
3.4. Die PAN-Simulation 180
4. Simulation mit dem PAN-Modul 192
5. Ergebnisse 193
6. Ausblick – Bionische Neuronale Netze 195
1.2. Bionik im gesellschafts- und wirtschafts- wissenschaftlichen Bereich 199
Zirkulierende Körperstücke, zirkulierende Körperdaten: Hängen Biopolitik und Bionik zusammen? 200
1. Bionik und – „Biopolitik“? 200
2. Ambivalenz der Bionik 201
3. Was ist unter Biopolitik zu verstehen? 203
4. Und die Bionik? 213
5. Antwort und Schluss 215
Was ist TechnoWissenschaft? – Zum Wandel der Wissenschaftskultur am Beispiel von Nanoforschung und Bionik 217
1. Einführung 218
2. Wissenschaftskultur 219
3. Perspektivenwechsel 221
4. TechnoWissenschaftskultur 222
5. Das Interesse der TechnoWissenschaft 224
Bionik und Interdisziplinarität 227
1. Einführung 227
2. Interdisziplinarität und Philosophie 228
3. Horizontale Zirkulationen in der Bionik – wissenschaftstheoretische Aspekte 235
4. Traditionslinien der Zirkulationstheorie – das Beispiel der Nachahmungsthese 241
5. Vertikale Zirkulationen in der Bionik – am Beispiel der Chaosbionik 244
6. Perspektiven 249
Technologie- und marktorientierte Entwicklung von Bionik-Produkten 254
1. Problemstellung 254
2. Technologie- und Marktorientierung als Leitidee des Innovationsmanagements 256
3. Einordnung der Bionik in das Technologie- und Innovationsmanagement 257
4. Kompetenz im Management von Bionik-F& E-Netzwerken
5. Technologiemanagement im Innovationsfeld Bionik 262
6. Produkt- und Prozessentwicklung in der Bionik 266
7. Fazit 271
Industriedesign für nachhaltige Produkte, was bringt Bionik? 273
1. Gestaltung/Industriedesign 273
2. Nachhaltiges Wirtschaften 277
3. Industriedesign ist komplexe Optimierung 279
4. Designqualität, was ist das? 281
5. Produktbeispiele mit bionischem Aspekt 285
6. Gibt es Bionik-Design-Produkte? 288
1.3. Didaktik und Methodik der Bionik 289
Lectus CV – „Bionik trifft Adaptive Ergonomie“ 290
1. Eine Vision 290
2. Das Konzept 291
3. Fazit 295
Interdisziplinarität: „Kritisches“ Bildungsprinzip in Forschung und Lehre 296
1. Vorbemerkung zum „Credo“ der Bionik: Natur-Technik- Interdisziplinarität 296
2. Interdisziplinarität – Zur Karriere eines Begriffs 300
3. Blicke auf das Begriffsfeld: Typen und Auffassungen von Interdisziplinarität 303
4. Zwischen Kritik und Funktion: Zur wissenschaftssystematischen Ortsbestimmung von Interdisziplinarität 305
5. Die „kritische“ Bildungsfunktion von Interdisziplinarität in Forschung (Wissenschaftsentwicklung) und Lehre (Bildung der Studierenden) 310
6. Anfragen zur interdisziplinären Theorie und Praxis an das Bionik-Projekt 314
Naturorientierte Innovationsstrategie – Entwickeln und Konstruieren nach biologischen Vorbildern 317
1. Einleitung 317
2. Natürliche Konstruktionen als Vorbilder 319
3. Zielbestimmung/Lösungsfindung unter bionischen Aspekten 322
Die Untersuchung des Lokomotionsapparates von Fischen mit der ‘Transduktions-Methode’ 327
1. Einführung 327
2. Bewegungen von Fischen und Fisch-Antrieben 330
3. Der innere Aufbau eines Fisch-Körpers 331
4. Beschreibung der Transduktions-Methode 334
5. Zusammenfassung 339
"Biomechanical Animal Design" – ein neues Praktikums-Modell 341
1. Einführung 341
2. Ablauf des Praktikums "Biomechanical Animal Design" 343
3. Zusammenfassung 350
4. Fazit 350
2. Biomedizintechnik 352
Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren 353
1. Einführung 354
2. Verschleiß von Gelenkprothesen 357
3. Ermüdung von Dentalimplantaten 365
4. Ausblick 371
Tieftemperaturkonservierung lebender Bioproben – Kryotechnologieplattform für die Biotechnologie und Medizin 375
1. Wunschtraum der Medizin 375
2. Langzeitlagerung von Zellen 377
3. Kryokonservierung ist kein natürlicher Prozess 378
4. Anforderungen der Biotechnologie und Medizin 381
5. Notwendigkeit moderner Kryotechnologieplattformen 382
6. Beispiele für eine neue Kryotechnologie-plattform 383
7. Modernste Kryobank im Saarland 388
8. Lebendsammlungen – Wirtschafts- und Forschungsressourcen von morgen 390
9. Ausblick 392
Mikro-Elektromechanische-Systeme in der Medizintechnik - Projektkanon am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) 395
1. Einleitung 396
2. Minimal-Invasive Chirurgie – Geschichte und Hintergründe 396
3. Simulatoren in der MIC – Selbstverständliches wird wieder entdeckt 398
4. Schläuche und Drähte als Schienen – Kathetertechnologie ist Zukunft 399
5. Tasten im Körper 400
6. Miniaturroboter zur Dick- und Dünndarmuntersuchung 401
7. Druckmessung – Bedeutung für den Menschen 403
Tumortherapie mit Ionenstrahlen 411
1. Einleitung 411
2. Physikalische Vorteile von Ionenstrahlen 412
3. Erhöhte biologische Wirksamkeit 416
4. PET Verifikation 419
5. Klinische Ergebnisse Darmstädter Kohlenstoff Therapie 419
6. Perspektive und weltweite Einbindung der Ionentherapie 421
Analyse und Repräsentation akustischer Signale im Hörsystem 424
1. Periodizität, eine wichtige Eigenschaft von Kommunikationssignalen 424
2. Die Frequenzanalyse im Innenohr 427
3. Die zeitliche Analyse im Hörsystem 428
4. Orthogonalität von Tonotopie und Periodotopie im Colliculus inferior 433
5. Repräsentation zeitlicher Information im Hörcortex 436
6. Bedeutung der zeitlichen Analyse für die Musikwahrnehmung 437
7. Schlussfolgerung 438
Mit Stammzellen und Tissue Engineering zu Netzhautimplantaten 440
1. Stammzellbiologie und Tissue Engineering gehören zusammen 441
2. Ohne Stammzellen kein Lebendzellersatz 442
3. Embryonale oder adulte Stammzellen? 442
Funktionelle Behandlung von Kreuzbandverletzungen als Beispiel für angewandte bionische Medizin 451
1. Einleitung 451
2. Funktionelle Anatomie 452
3. Unfallmechanismus und Diagnostik 453
4. Funktionelle Behandlung 455
5. Rehabilitation 457
6. Ausblick: Allografts, bioaktive Substanze und Navigation 458
7. Diskussion 460
Ion channels as functional components in sensors of biomedical information 463
1. Introduction 463
2. Biosensing properties of ion channels 464
3. Heart beat and cyclic nucleotides: 464
4. ATP and insulin secretion 465
5. The activity of ion channels can be measured 465
6. Ion channel activity assay 469
7. Ion channels and bio-engineering 470
8. Viral channels as toolbox 473
9. The viral K+ channel Kcv is a very small homolouge of eukaryotic K+ channels 474
10. Just a few changes in the primary amino acid structure result in dramatic changes in the performance of the Kcv channel protein 475
11. Outlook 476
Neuronale Mechanismen der Entstehung von Tinnitus 479
1. Was ist Tinnitus? 480
2. Wo entsteht Tinnitus? 480
3. Wie lässt sich ein subjektiver Tinnitus objektiv nachweisen? 484
4. Wie entsteht die Tinnitusaktivität? 490
5. Spielen Lernvorgänge für die Manifestierung von Tinnitus eine Rolle? 491
6. Modell zur zentralen Tinnitusentstehung 492
7. Simulation des Tinnitusmodells 494
3. Biomechanik 498
Magnetrezeption bei Brieftauben 499
1. Einführung 500
2. Die Magnetfeldrezeption unter magnetischen Gesichtspunkten 503
3. Struktur möglicher Magnetsinnesorgane 505
4. Rezeptorphysiologische Prozesse bei der Magnetfeldrezeption 507
5. Die Modellstruktur im Taubenschnabel (Abb. 1) 508
6. Subzelluläre Komponenten und Struktur der Magnetithaltigen Dendriten 509
Mechanical stress as the main factor in skull design of the fossil reptile Proterosuchus (Archosauria) 514
1. Introduction 514
2. Methods 515
3. Description 518
4. Discussion 522
Biodynamische Modellierung des Menschen – Anwendung ingenieurwissenschaftlicher Methoden auf das biologische System Mensch 526
1. Strukturdynamik – was ist das? 526
2. Schwingungen in der Natur – Ansätze für die Bionik 527
3. Biodynamik – Schwingungsverhalten des Menschen 527
Neue Prüfkonzepte für Primärstabilität und Dauerfestigkeit mandibulärer Osteosynthesesysteme sowie für mathematische Modelle des Kausystems 540
1. Einleitung 541
2. Stand der Technik 541
3. Entwicklung eines multifunktionalen Prüfaufbaus 542
4. Stabilitätsvergleich von Osteosynthesesystemen (Reintitan vs. Formgedächtnismaterial) 548
5. Ergebnisse 550
6. Diskussion 552
7. Zusammenfassung 553
8. Ausblick 554
Prinzipien und Merkmale gelungener Bewegungen 558
1. Einleitung 558
2. Qualitative Merkmale gelungener Bewegungen 559
3. Optimierungsfunktionen 560
4. Ökonomie- und Effizienzkriterien 562
5. Simulationen auf der Grundlage der Optimierungsfunktionen und Segmentarbeit 563
6. Biomechanische Prinzipien 566
7. Zusammenfassung und Ausblick 570
Langfristige Verankerung künstlicher Gelenke – kann das gut gehen? 572
1. Anatomie und Physiologie der Gelenke 573
2. Endoprothesen 577
3. Primär- und Sekundärstabilität 578
4. Prothesenkonstruktionen und ihre Berechnung 579
5. Ausblick 588
Autorenverzeichnis 590

Textauszug

Titan in der Gelenk- und Zahnprothetik: Verschleiß und Ermüdung als lebensdauerbegrenzende Faktoren (S. 351-352)

Eckart Exner, Clemens Müller, Harald Schmidt
Institut für Materialwissenschaften, Technische Universität Darmstadt

Zusammenfassung

Reintitan und einige Titanlegierungen werden als Ersatz für mechanisch hochbelastete Teile in den menschlichen Körper eingebaut. Die positiven Eigenschaften wie exzellente Biokompatibilität und hoher Korrosionswiderstand werden in einigen Anwendungen durch unzureichende mechanische Stabilität eingeschränkt. Diese Problematik wird an zwei Beispielen aufgezeigt: Bei Gelenkprothesen führt häufig der Verschleiß bei Reibung gegen den als Gegenkörper eingesetzten Kunststoff zum Ausfall. Durch Ionenimplantation von Stickstoff und Kohlenstoff wird der Verschleißwiderstand wesentlich erhöht. Im Zahnersatz wird ein Unterbau aus Titan aus ästhetischen Gründen und zum Verschleißschutz durch eine Keramikauflage verblendet. Kritisch für den Einsatz ist, ob diese Maßnahmen andere Eigenschaften, und zwar vor allem die Ermüdungslebensdauer und den Korrosionswiderstand, in nicht zulässigem Maß verändern. Forschungsergebnisse, die in Zusammenarbeit verschiedener Institutionen gewonnen wurden, lassen Schädigungsmechanismen besser verstehen und liefern die Grundlage zu Verbesserungen und neuen Anwendungen von Titanwerkstoffen in der Humanmedizin.

Abstract

Titanium for joint and dental prosthesis: wear and fatigue as life-time limiting factors. Titanium and some of its alloys are used in replacements of highly loaded parts of the human body. Advantageous properties like excellent biocompatibility and high corrosion resistance are often impaired by insufficient mechanical stability. This problem is shown for two examples. In joint replacements, when a titanium alloy is sliding against a polymer used as partner material, excessive wear may limit the lifetime. Scratching can be significantly reduced by ion implantation, particularly with nitrogen or carbon. In tooth replacements, a titanium substrate is covered by a ceramic layer not only to improve the metal against wear but also for aesthetic appearance. In these applications such measures may alter other relevant properties like fatigue life and corrosion resistance to a nontolerable degree. Research carried out in cooperation of a number of institutions helps to understand damaging mechanisms and provides the fundamental knowledge for improvements and new applications of titanium materials in medical technology.

1. Einführung

Tabelle 1 zeigt einen Überblick über die Entwicklung der Humanimplantation. In den letzten 25 Jahren hat die Entwicklung medizinischer Instrumente und der Ersatz von Teilen des menschlichen Körpers (Organen, Knochen und Zähnen) entscheidende Fortschritte gemacht. Abb. 1 zeigt einige typische Implantate im menschlichen Körper. Titan hat sich in vielen Fällen als erste Wahl unter möglichen Werkstoffen erwiesen [1 - 5]. Konkurrenten sind vor allem rostfreie Stähle, Kobaltlegierungen und neuerdings auch keramische Materialien. Die gegenüber Knochen sehr hohe Steifigkeit (hoher Elastizitätsmodul) dieser Materialien, die vor allem bei Patienten mit Metallallergie problematische Biokompatibilität von Stählen und Kobaltlegierungen und die hohe Sprödigkeit der Keramik sind wesentliche Gründe, dass Titan oft der Vorzug gegeben wird, beispielsweise für künstliche Herzklappen, die weltweit pro Jahr etwa 60.000 Patienten eingepflanzt werden, für Elektroden von Herzschrittmachern oder für Stabilisierungselemente der Wirbelsäule.

Arthritis, meistens rheumatisch oder degenerativ bedingt, Nekrose und Krebs können Finger-, Ellbogen-, Hüft- oder Kniegelenke zerstören, und oft ist der chirurgische Weg mit dem vollständigen Ersatz der betroffenen Gelenkteile die beste oder sogar einzige Möglichkeit, die Schmerzen zu beseitigen und ein hohes Maß an Beweglichkeit zu erhalten. Auch im Kauapparat verlangt der Teil- oder Vollersatz von Zähnen oder Kieferteilen eine Kombination von speziellen Eigenschaften, die neben den Edelmetallen auch Titan aufweist. Bevorzugte Einsatzgebiete des Titans und einiger seiner Legierungen liegen deshalb im orthopädischen Bereich und im Zahnersatz. Titan und Titanlegierungen erfüllen zwei wesentliche Voraussetzungen zum Dauereinsatz im menschlichen Körper: Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Eine nur wenige Nanometer (ein Milliardstel eines Meters) dicke Oxidschicht an der Oberfläche schützt das Metall vor dem Angriff von Körperflüssigkeiten aller Art und führt dazu, dass das Wirtsgewebe das Implantat nicht oder nur sehr langsam abstößt und nicht von ihm beschädigt wird. In vielen Fällen wird sogar eine gute Anbindung oder das Einwachsen von Knochengewebe in geeignete Oberflächenstrukturen beobachtet.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 14.10.2005
• Zusatzinfo: XIV, 599 S.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Mathematik / Informatik ► Informatik
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Biologie
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Biomechanik • Biomedizintechnik • Bionik • Biotechnik • Ergonomie • Gewebe • Implantat • Informationsverarbeitung • Konstruktion • Mechanik • Medizin • Medizintechnik • Optimierung • Prothese • Roboter • Robotik
• ISBN-10: 3-540-26948-7 / 3540269487
• ISBN-13: 978-3-540-26948-9 / 9783540269489