Ziel des Projektes BioElast 01 (A03) war die Entwicklung von adaptiven, elastisch verformbaren Faserverbundkunststoffen mit einstellbaren Steifigkeitseigenschaften ohne den Materialeinsatz und das Gewicht der Elemente zu erhöhen für den Einsatz als großmaßstäbliche Fassadenverschattungselemente. Die mögliche Verformung und Versteifung von flächigen Bauteilen aus Faserverbundkunststoff wurden durch die Integration stabförmiger pneumatischer Aktuatoren untersucht.
Im Gegensatz zu technischen Bewegungsapparaten werden in der Pflanzenwelt Bewegungen nicht durch Starrkörpermechanismen, d.h. bei denen starre Glieder durch kinematische Verbindungen miteinander verbunden sind, erreicht, sondern durch nachgiebige Mechanismen. Sie erreichen ihre Funktionalität durch kontrollierte elastische Verformung von elastisch verformbaren Elementen. Als biologisches Vorbild wurden in diesem Projekt gestielte Pflanzenblätter herangezogen. Aufgrund der graduellen Übergänge, der äußeren Form und des Adernetzwerks im Blatt selbst, welches verantwortlich für die Blattentfaltung und Formstabilität ist, haben sie sich als ideale Ideengeber erwiesen. Bei der Verbindung von Blattstiel und Blattspreite handelt es sich darüber hinaus und eine schadensresistente Verbindung.
Innerhalb des Projektes konnte erfolgreich das pflanzliche Aktuierungsprinzip und die Integration des Aktuators in ein technisches Fassadenbauteil übertragen werden. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass das die pneumatische Aktuierung von Faserverbundkunststoffen aus der Fläche heraus eine Krümmung derselbigen zur Folge hat, die zu einer Versteifung der Gesamtstruktur führt. Im Fall des Anwendungsbeispiels eines Fassadenverschattungsbauteils bedeutet dies einen größeren Widerstand gegen Wind- und Schneelasten. Der Demonstrator des Projektes, FlectoCurve, zeigt verschiedene Formen einer solchen Integration von pneumatischen Aktuatoren und wird hier separat im Detail beschrieben.
Projektlaufzeit
Juli 2019 – Juni 2023
Projektteam
ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen
Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Mona Mühlich, Axel Körner
ITFT Institut für Textil- und Fasertechnologien
Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Dr.-Ing. Larissa Born
PBG Plant Biomechanics Group, Botanischer Garten
Universität Freiburg
Prof. Dr. Olga Speck, Max Langer
Publikationen im Rahmen des Projektes
Langer M, Kelbel MC, Speck T, Müller C, Speck O (2021) Twist-to-Bend Ratios and Safety Factors of Petioles Having Various Geometries, Sizes and Shapes. Front Plant Sci 12:765605. https://doi.org/doi:10.3389/fpls.2021.765605
Langer M, Speck T, Speck O (2021) Petiole-Lamina Transition Zone: A Functionally Crucial but Often Overlooked Leaf Trait. Plants (Basel) 10(4). https://doi.org/10.3390/plants10040774
Langer M, Hegge E, Speck T, Speck O (2022) Acclimation to wind loads and/or contact stimuli? A biomechanical study of peltate leaves of Pilea peperomioides. J Exp Bot 73(4):1236–1252. https://doi.org/10.1093/jxb/erab541
Mühlich M, González EA, Born L, Körner A, Schwill L, Gresser GT, Knippers J (2021) Deformation Behavior of Elastomer-Glass Fiber-Reinforced Plastics in Dependence of Pneumatic Actuation. Biomimetics (Basel) 6(3). https://doi.org/10.3390/biomimetics6030043
Speck O, Langer M, Mylo MD (2022) Plant-inspired damage control – An inspiration for sustainable solutions in the Anthropocene. The Anthropocene Review 9(2):220–236. https://doi.org/10.1177/20530196211018489
Wolff-Vorbeck S, Speck O, Langer M, Speck T, Dondl PW (2022) Charting the twist-to-bend ratio of plant axes. J R Soc Interface 19(191):20220131. https://doi.org/10.1098/rsif.2022.0131
Förderung
Diese Forschung wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Kunst (MWK) Baden-Württemberg innerhalb des Programms ZO IV: Kapitel 1222 TG 90: Schwerpunktbereich „Aufbau und Stärkung der Forschungsinfrastruktur im Bereich der Mikro- und Nanotechnologie sowie der neuen Materialien“ im Rahmen des Verbundprojektes „Bio-inspirierte elastische Materialsysteme und Verbundkomponenten für nachhaltiges Bauen in 21ten Jahrhundert“/BioElast 01 (A03) gefördert.
Contact
Larissa Born
Dr.-Ing.Stellvertretende Institutsleitung