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Vorbildlich konstruiert

Die Wissenschaftler Ali Khaheshi und Dr. Hamed Rajabi aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik ergründen die Struktur von Insektenflügeln, um menschengemachte Konstruktionen zu verbessern.

Libelle
© Stanislav Gorb

Von Insekten lernen: Forschende der Uni Kiel haben die Aderstruktur von Libellenflügeln entschlüsselt, um sie für menschgemachte Konstruktionen zu adaptieren.

Beweglich und doch stabil – in vielen Feldern wie etwa der Medizin, der Raum- und Luftfahrt oder der Robotik sind diese beiden Eigenschaften Kernanforderungen an die verbauten Mechanismen und Systeme. Ob Tragfläche oder Turbine, Prothese oder Protektor: Sie alle sind am effizientesten, wenn sie sowohl flexibel als auch robust sind. Was so selbstverständlich erscheint, stellt die Ingenieurskunst jedoch seit Jahrzehnten vor eine gewaltige Herausforderung. Denn schon ihrer Natur nach schließen sich diese beiden Attribute aus. »Je mehr man bei einer Konstruktion an der einen Eigenschaft dreht, desto mehr verschiebt sich die andere in die entgegengesetzte Richtung«, erklärt Doktorand Ali Khaheshi. Ist ein Material maximal flexibel und damit langlebig, weil anpassungsfähig, bietet es nicht ausreichend Stabilität, etwa um große Lasten zu tragen. Ist es wiederum besonders tragfähig, buchstäblich belastbar, besitzt es in der Regel nicht ausreichend Flexibilität, um sich an starke Abnutzung anzupassen. »Das einfachste Beispiel ist ein Gummiband«, erklärt Dr. Hamed Rajabi, »es kann nicht viel Gewicht tragen, aber es lässt sich leicht verformen und bleibt lange Zeit strapazierfähig. Ein Gegenbeispiel ist Kreide: Sie kann viel Druck aushalten, doch bei einer bestimmten Belastung bricht sie plötzlich.« Wie so oft im Leben macht es also erst die richtige Mischung.

Beide Eigenschaften perfekt auszutarieren ist eine Königsdisziplin der Ingenieurskunst. Ihr widmen sich die beiden Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik von Professor Stanislav N. Gorb. In der multidisziplinären Forschungsgruppe am Zoologischen Institut arbeiten Dr. Hamed Rajabi und Ali Khaheshi, die zum Forschungsschwerpunkt Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS) gehören, an der Schnittstelle zwischen Ingenieurswissenschaft, Biologie und Physik. Ihr Lösungsansatz: sich von biologischen Systemen inspirieren lassen, speziell von Insektenflügeln. »Wir wissen, dass Insektenflügel sehr tragend sind«, sagt Rajabi, der seit fast zehn Jahren die feinen Flügelstrukturen detailliert erforscht. »Wenn man Insekten im Flug genau beobachtet, sieht man, dass die Flügel extreme Verformungen aushalten. Man fragt sich, wie können so flexible Systeme gleichzeitig so tragfähig sein?« Ihr Geheimnis ist eine mechanisch stabile Aderstruktur, die sich durch die zarte Flügelmembran zieht. Ihre weichen Verbindungsstellen erlauben den Flügeln maximale Verformung unter aerodynamischen Bedingungen. Zusätzlich verfügen sie über Spikes, feste Dornen, die den Bewegungsradius begrenzen und das Gelenk bei hoher Last »verriegeln«, um trag- und damit flugfähig zu bleiben. Ein besonders gutes Beispiel dafür ist laut Rajabi die Libelle.

3d-Grafik einer Drachenkonstruktion
© Ali Khaheshi / Hamed Rajabi

Flexibel und doch stabil: Die Verbindungsstellen der Drachenstreben funktionieren nach tierischem Vorbild.

 

Um das Struktur-Funktionsprinzip der Libellenflügel auch für technische Anwendungen nutzen zu können, mussten die Forscher das richtige Kräfteverhältnis der Komponenten finden, den Kompromiss zwischen Flexibilität und Stabilität. »Das war der schwierige Part«, lacht Rajabi. »Mithilfe eines 3D-Druckers haben wir neun verschiedene Sets solcher gelenkähnlichen Verbindungen erstellt und immer wieder unter verschiedenen Belastungsszenarien getestet«, erklärt Khaheshi. Die beste Formel haben sie dann an einem 3D-gedruckten Flugdrachen erprobt – dem ersten seiner Art. Sonst ein Kinderspielzeug, bot der rautenförmige Drache mit den gekreuzten Streben die perfekten Voraussetzungen für einen Testlauf in der Luft. Das Ergebnis ist vielversprechend: Weit über 20-mal konnte die Spike-Konstruktion an der Schnur den 80 Kilometer pro Stunde starken, stürmischen Böen am Eckernförder Strand problemlos standhalten. Der leichte Drache aus dem 3D-Drucker hält damit weitaus höheren Belastungen stand als konventionelle Exemplare.

Ihre Technik setzen Khaheshi und Rajabi nun in ganz verschiedenen Lebens- und Forschungsbereichen um. Zuletzt haben sie nach ähnlichem Vorbild eine Schiene für das menschliche Handgelenk entwickelt, mit der sich der Bewegungswinkel beim Sport oder nach einer Verletzung genau kontrollieren lässt. Ein Patent haben sie bereits angemeldet.

Autorin: Anna-Kristina Pries

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