Startseite   Mitarbeiter   Anfahrt   Impressum       

 

Termine

25. Januar 2016
Projektpräsentationen des 7. Semesters im Internationalen Studiengang Bionik

mehr...

21./22. Oktober 2016
Der Bremer Bionik-Kongress "Patente aus der Natur" fand zum 8. Mal an der Hochschule Bremen statt.

mehr...

Pressemeldung

Nachwachsende Rohstoffe als Ersatz für glasfaserverstärkte Kunststoffe auf der "boot 2017".
mehr...

B-I-C Blog

News und Informationen zu Studiengang, Projektarbeiten und Forschung.
mehr...

INTERNATIONALER STUDIENGANG BIONIK (B.Sc.) – Bachelorarbeiten

Der Internationale Studiengang Bionik (ISB) ist ein forschungsorientiertes, interdisziplinäres Studium biologischer wie ingenieurwissenschaftlicher Inhalte, das mit dem berufsqualifizierenden Abschluss "Bachelor of Sciences" beendet wird.

Lernen von den Kleinsten

Birte Löffler

Bachelorarbeit im ISB in Kooperation mit dem Max-Planck-lnstitut für Marine Mikrobiologie, Bremen.

 

 

 

 

Bereits seit etwa 4 Milliarden Jahren besiedeln Mikroorganismen die Erde und haben dabei alle Biotope erobert. Aus Sicht der Bionik repräsentieren sie „lebende Brennstoffzellen“.

 

Weitere Informationen ...

 

 

 

Abb: B. Löffler

 

Heute repräsentieren Mikroorgansimen den Hauptanteil der Biomasse auf der Erde und sind essentieller Bestandteil der biologischen Stoffwechselkreisläufe, wie etwa bei der Bereitstellung von Stickstoff für den Aufbau der Proteine. Damit ist ihre Stoffwechselleistung für das Leben auf der Erde ebenso bedeutsam wie die Photosynthese der Pflanzen.

 

Unsichtbare Allesverwerter

 


Darüber hinaus haben Mikroben biochemische Prozesse entwickelt, die es erlauben, aus nahezu allen Substraten unter den widrigsten Umgebungsbedingungen Energie zu gewinnen. Nicht umsonst stehen die chemischen Kreislaufprozesse von Mikroorganismen daher seit geraumer Zeit im Fokus des Interesses.

 

Abb. B. Löffler

     

Aus Sicht der Bionik repräsentieren sie „lebende Brennstoffzellen“ mit einem immensen Innovationspotenzial hinsichtlich regenerativer Energiequellen. Aber auch die Kreislaufwirtschaft und die Vermeidung bzw. Wiederaufbereitung von Abfallprodukten finden hier vielfältige Vorbilder.

 

Dabei beeindruckt nicht zu letzt die immense Anpassungsfähigkeit des mikrobiellen Stoffwechselkreislaufs, notwendige Voraussetzung zur Verwertbarkeit von stark inhomogenen Substraten wie etwa Klärschlämmen, die für technische Brennstoffzellen aktuell nicht nutzbar sind.

     
Löffler B. 2007:
Nitrifizierende Biofilme als Inspiration für energetische Innovationen.
 

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Kleben, Haften und Verbinden

Julia Platter

Bachelorarbeit im ISB in Kooperation mit dem Centre for Cell Engineering der University of Glasgow Schottland, UK.

 

 

Viele Froscharten verwenden Kleb- und Haftsekrete, um sich an Substratoberflächen halten zu können. In dieser Arbiet wurden Baumfrösche (Hyla squirella) untersucht.

 

 

Weitere Informationen ...

 

 

Abb: J. Platter

 

Biologische Haft- und Klebstoffsysteme lassen sich, neben den unterschiedlichsten Klammermechanismen, in zwei Funktions­prinzipien differenzieren: Feucht- und Trockenhaftsysteme. Beide wurden im Laufe der Evolution mehrfach unabhängig vonein­ander entwickelt.

 


Zu den Organismen, die Kleb- bzw. Haftsekrete verwenden, zählen auch viele Froscharten. Diese haften sich damit auf vergleichsweise glatten Substratoberflächen wie z.B. Blättern an und erzielen dabei eine erstaunliche Adhäsionskraft.

 

Abb. J. Platter

     

Trotz hoher Haftkraft ist das Tier dennoch in der Lage, sich jederzeit und sehr schnell von seiner Unterlage zu lösen.

Weiterhin zeigen Untersuchungen auf, dass sie sich bei der Anhaftung nicht alleine auf die Haftkraft ihres Klebers verlassen, sondern zudem die Beweglichkeit ihrer Beine und insbesondere Zehen geschickt einsetzen (Platter 2007).

 

Auf diese Art erreichen sie hohe Haftkräfte in - im Wortsinn - allen Lebenslagen.
Im Anwendungsbereich ist die Nachfrage nach vergleichbaren reversiblen Haftsekreten für unterschiedlichste Einsatzgebiete immens. Kombiniert mit der Beweglichkeit von Beinen und Zehen lassen sich die Haftkräfte markant erhöhen und könnten etwa das Einsatzspektrum von Kletterautomaten bzw. -robotern deutlich erweitern.

     
Platter J. 2007: Behavioural strategies in desprerate situations: a biomimetic study of tree frog adhesion with implications for climbing robots. .
 

Die Arbeit wurde mit dem Young Scientist Award 2007 der Biomechanics Group der Soc. Exp. Biol. ausgezeichnet.

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Kerbspannungsreduzierung nach Diatomeen-Vorbild

Isabelle Ciomber

Bachelorarbeit im ISB in Kooperation mit dem Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum
für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven
.

 

Diatomeenskelette sind sowohl stabile als auch leichte Strukturen mit einer sehr großen Formenvariation. Sie dienen der Bionikforschung immer wieder als Inspirationsquelle für statische Verbesserungen.

 

Weitere Informationen ...

 

 

 

Abb: I. Ciomber

 

Das Skelett schützt die Diatomee vor Fressfeinden, dennoch darf es nicht zu massig werden, da die Diatomeen sonst abzusinken drohen. Skelette von pennaten Diatomeen besitzen darüber hinaus Durchbrüche, die unweigerlich in rissgefährdeten Kerben enden müssten, wenn sie sich nicht durch eine spezielle Formgebung vor Spannungsmaxima an diesen Enden schützen würden.

 

Riss-Ausläufer aus dem Meer

Spannungsmessung von N. menisculus und F. saxonica zur Modifizierung der ursprünglichen Spannungshöhe.
     

Die Zielsetzung der Studie war daher, die Durchbruch-Enden verschiedener Diatomeen auf ihr Potential zur Spannungsminimierung zu untersuchen, um eine Alternative zur bisherigen technischen Lösung – dem Aufbohren – zu haben.
Wenn für eine unter Zugbelastung stehende Platte mit unmodifiziertem „Riss“ die Spannung im Kerbgrund auf 100% gesetzt wird, dann kann ein Aufbohren auf die doppelte Rissbreite die Spannung immerhin auf 75% reduzieren.

 

Ein nach N. menisculus modifiziertes Kerbende reduziert auf 62% und ein nach F. saxonica modifiziertes sogar auf 35% der ursprünglichen Spannungshöhe.

 

Eine Anwendung solcher Modifikationen käme dabei nicht ausschließlich bei Rissen in Frage. Auch Nahtgeometrien beim Schweißen könnten so in ihrem Auslauf optimiert werden.


     
Ciomber I. 2013: Kerbspannungsreduzierung durch Geometriemodifikation nach Vorbild pennater Diatomeen.  

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Optimierung von Verbundwerkstoffen mittels unidirektionaler Textilstrukturen

Andy Dentel

Bachelorarbeit im ISB der Hochschule Bremen.

 

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Rohr aus Hanffasern mit einem biobasierten Kunststoff (Polylactid) hergestellt.

 

 

 

Weitere Informationen ...

 

Abb. 2: NFK mit asymmetrischer Schichtung und Einbringung von 45°-Lagen. (A. Dentel)

 

Bionische Ansätze zur Verbundwerkstoffoptimierung beschäftigen sich mit der Aufklärung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen natürlicher Verbunde und deren Abstraktion auf technische Verbundwerkstoffe. Aus umwelttechnischen Aspekten ist die Umsetzung mit biobasierten Werkstoffen sinnvoll.

 

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von B. papyriferas (links) sowie eine Fotografie der Rindenoberfläche und den zugrunde liegenden Prinzipien des Aufbaus (Verklebung, Orientierung & Verkreuzung) als Skizzen.
     

Die Problematik von Naturfasern besteht darin, dass sie im Gegensatz zu industriell hergestellten Fasern nicht mit einer endlosen Faserlänge vorliegen und bestehende Wickeltechniken, wie sie für Glas- oder Carbonfasern zum Einsatz kommen, nicht angewendet werden können. Zur Lösung dieses Problems wurde die Struktur des asiatischen Papiermaulbeerbaumes Broussonetia papyrifera vent. genauer untersucht. Die längenbegrenzten Bastfasern ummanteln den zylindrischen Stamm. Der Aufbau des Bastes folgt einer Kombination von innerhalb einer Ebene orientierten und zueinander versetzen Schichten, die durch lokale Klebepunkte zusätzlich lagestabil fixiert sind (Abb. 1).

 

Mit Hilfe der aus der Charakterisierung des Bastes B. papyriferas gewonnen Erkenntnisse, wie der lagestabilen Fixierung der Fasern sowie der Ausrichtung der Fasern, wurde ein Hanffaserverbundwerkstoff entwickelt. Dieser Verbundwerkstoff war dazu geeignet, zu einem hohen Belastungen standhaltendem, leichten und biodegradierbaren Rohr verarbeitet zu werden (Bild 2).

 

Der Werkstoff könnte in höher belastbaren Bauteilen, wie z. B. in der Möbel- und Konsumgüterindustrie, eingesetzt werden.

     
Dentel A. 2011: Der Papiermaulbeerbaum Broussonetia papyrifera als Vorbild für die Entwicklung unidirektionaler Textilstrukturen für optimierte Verbundwerkstoffe.  

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Neues Laufmuster für LittleApe

Nina Sauthoff

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (ISB) der Hochschule Bremen in Kooperation mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) Bremen

 

Die meisten Primaten bevorzugen den Gang auf vier Beinen in dem sie sich schnell und sicher fortbewegen können. Bei Bedarf können sie jedoch in den Zweibeinstand bzw. -gang wechseln, um die Vorderarme zum Greifen frei zu haben.

 

Um diese Fähigkeit auf Roboter übertragen zu können, wurden die Verhältnisse bei Bonobos untersucht.

Weitere Informationen ...

 

Foto: DFKI (links), GNU General Public License) (rechts)

Die meisten Primaten bevorzugen den Gang auf vier Beinen in dem sie sich schnell und sicher fortbewegen können. Bei Bedarf können sie jedoch in den Zweibeinstand bzw. -gang wechseln, um die Vorderarme zum Greifen frei zu haben. Um diese Fähigkeit auf Roboter übertragen zu können, wurden die Abmessungen, die Gewichtsverteilung sowie die Freiheitsgrade der Extremitäten von Bonobos auf ein Simulationsmodell übertragen und das Gangmuster untersucht.

 

LitttleApe

 

 


Roboter und Naturvorbild Bonobo.   Laufmuster eines Bonobos.
Der Datensatz für die Generierung des Laufmusters enthält die Position von Schulter-, Ellbogen-, Hüft- und Kniegelenk sowie Hand und Fuß eines Bonobos während einer exemplarischen Schrittfolge.  

Graphische Repräsentation des Bonobo-Laufmusters. Dargestellt ist die rechte Körperhälfte des Tieres zu verschiedenen Zeitpunkten des Bewegungsablaufs nach Offset-Korrektur.

     
Das Simulationsmodell des Roboters LittleApe mit Referenzmuster. Von links nach rechts: zeitlicher Verlauf der Bewegung.
     
Nina Sauthoff (2009): Entwicklung eines biologisch inspirierten Laufmusters für den quadrupeden Roboter LittleApe“  

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Mechanische Eigenschaften des Hornissennests

Stefanie van Trist

Bachelorarbeit im ISB der Hochschule Bremen.

 

 

 

 

 

 

 

 

Verbindungselemente in der Wespennestkonstruktion von Vespa crabro (L.) sind ein ausschlaggebender Faktor für dessen Strukturfestigkeit.

 

 

 

 

Weitere Informationen ...

 

Abb: S. van Trist

 

Die europäische Hornisse Vespa crabro gehört zu den artenreichsten und vielseitigsten staatenbildenden, sozialen Insekten. Soziale Insekten sind in der Lage, durch geschickte Aufgabenteilung, ohne die für menschliche Bauten nötigen Architekten und Entwürfe, ein Nest als Lebensraum zu erstellen. Die Art und Weise des Nestbaus ist evolutionsgesteuert und wird durch viele äußere Einflüsse gelenkt.

 

Die faszinierende Nestarchitektur der Hornisse Vespa crabro (L.)

 


Der Nestbau ist zudem der Beleg für die komplexe, kollektive Organisation des Zusammenlebens der Tiere. Hornissen können ein Nest bauen, das ihre eigene Körpergröße um ein Vielfaches überschreitet. Vespa crabro ist um die 20 mm groß, das Nest kann eine Größe von etwa 30 x 30 x 60 cm³ erreichen.

 

Abb: Links: REM-Aufnahme eines Verbindungselement-Querschnitts mit Leitbündel aus Tracheen und Tracheiden. Rechts: CT-Aufnahme eines Hornissennests mit Außenhülle, Wabentellern und Verbindungselementen. (S. van Trist)

     

Die Untersuchung eines Nestes mittels Computertomographie zeigt die Symmetrie des natürlichen Bauwerks. Die Waben haben eine augenscheinlich identische Größe und auch die Außenhülle weist eine gleichbleibende Dicke auf. Die Verbindungselemente, bis zu 23 je Wabenteller, sind nicht gleichmäßig über die Wabenteller verteilt. Jedoch sind sie auf Grund ihres nahezu übergangslosen Kontakts zu den Waben und der Verwendung von besonders dicken Verbindungselementen im Zentrum des Nests, ein ausschlaggebender Faktor für die Strukturfestigkeit.

 

Sechseckige Wabenstrukturen aus der Natur haben in vielen Bereichen der Technik z.B. für Leichtbauplatten im Verbundwerkstoffbereich als Vorbild gedient.

 

Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass im Gesamtsystem Hornissennest den Verbindungselementen eine wichtige Bedeutung zukommt. Übertragen auf Bauwerke, könnten abstrahierte Hornissennestverbindungselemente als optimal ausgelegte Stützpfeiler von Leichtbauwabenplatten dienen.

     
van Trist S. 2011: Mechanische Eigenschaften der tragenden Verbindungselemente im Hornissennest von Vespa crabro (L.). Bachelorarbeit im ISB der Hochschule Bremen.  

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Im Nanokosmos der Biologie

Marit Hoff-Hoffmeyer-Zlotnik

Bachelorarbeit im ISB in Kooperation mit dem Centre for Synthetic Biology and Innovation, Imperial College, London, UK.

 

 

 

Im Nanokosmos der Biologie schließen sich Funktionsbausteine zu komplexeren Aggregationen zusammen, so bsp. auch dieDNA. .

 

Weitere Informationen ...

 

Abb: GNU-License, Author Madprime

 

Die unterste Ebene der belebten Welt stellen die Moleküle dar. Im Nanokosmos der Biologie schließen sich Funktionsbausteine, teilweise nur aus wenigen Atomen bestehend, zu immer komplexeren Aggregationen zusammen und generieren dadurch alles, was als lebende Materie bekannt ist. Durch diese hierarchische Strukturierung werden mehrdimensionale Funktionsoptionen auf molekularer Ebene generiert, die vielfältige Vorbilder für HighTech-Materialien, Selbstorganisationsprozesse bis hin zur Informationsverarbeitung darstellen. Letzteres ist die Domäne der DNA.

 

Abb: M.Hoff-Hoffmeyer-Zlotnik.
     

Hier werden Informationen gespeichert, reproduziert, realisiert sowie modifiziert. Die sich anschließenden komplexen zellulären Stoffwechselwege und Regulationskreisläufe moderieren die Haushaltsfunktionen der Organismen und machen sie lebensfähig.
Diese hochkomplexen molekularen Prozessnetzwerke sind seit geraumer Zeit aus unterschiedlichen Gründen von Interesse. So werden u.a. pharmazeutische Produkte als auch die effiziente Herstellung von Biokraftstoffen verfolgt. Auch die Theoretische sowie die Synthetische Biologie widmen sich den Stoffwechselprozessen der belebten Natur.

 

Modellhafte synthetische Ansätze, numerische wie analytische gleichermaßen, werden bemüht, die zugrunde liegenden Prinzipien zu entschlüsseln und für neuartige Einsatzgebiete nutzbar zu machen. Insbesondere die Selbstorganisationsprinzipien, etwa zur Vermeidung von Phänomenen wie überschwingende Oszillationen („Bull whip effect“), stehen hierbei im Fokus und liefern Informationen zu Designkriterien für die synthetische Kontrolle unterschiedlichster Prozessstrukturen. Hiervon profitieren auch die Wirtschaftswissenschaften, bei dem Bemühen um optimierte Produktions- und Logistikprozesse.

     
Hoff-Hoffmeyer-Zlotnik M. 2011: Modelling and analysis of a branched metabolic pathway under synthetic operon control. A biomimetics approach to a synthetic control network.  

Bachelorarbeit im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)


Informationen zu ...

   Modulübersicht

   Modulhandbuch

   Projektarbeiten

   Exkursionen

   Absolventen berichten

   Stipendien

   FAQ – Bachelor

   Auslandssemester (Bachelor)

   Bionik Selbsttest

   Bionik Master Studium

   Mitarbeiter

   B-I-C Blog

   Bionik Kongress 2016

   Tagungsband - Bionik Kongress