VDI 6220 Blatt 1-2012 Biomimetics - Conception and strategy - Differences between biomimetic and conventional methods products.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREBionikKonzeption und StrategieAbgrenzung zwischen bionischen und konventionellen Verfahren/ProduktenBiomimeticsConception and strategyDifferences between biomimetic and conventionalmethods/productsVDI 6220Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuc

2、h BionikVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2012Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedICS 07.080 Dezem

3、ber 2012 December 2012FrhereAusgabe: VDI6220:2011-06 Entwurf Formeredition: VDI 6220:2011-06 DraftVDI-Gesellschaft Technologies of Life Sciences (TLS)Fachbereich BionikInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungs

4、bereich . . . . . . . . . . . . . . 62 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Was ist Bionik? . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1 Begriffsdefinition . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Wesen der Bionik . . . . . . . . . . . . . . 103.3 Abgrenzung zu und Schnittmengen mit verwandten Wi

5、ssenschaften. . . . . . . . . 113.4 Bionische Produkte und Prozesse. . . . . . 124 Grund und Anlass bionische Verfahren zu nutzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.1 Mglichkeiten, Leistungsfhigkeit und Erfolgsfaktoren der Bionik . . . . . . . . . 194.2 Bionik und Nachhaltigkeit . . . . . .

6、 . . . 204.3 Grenzen der Bionik . . . . . . . . . . . . . 225 Prozess des bionischen Arbeitens . . . . . . 235.1 Ideenfindung . . . . . . . . . . . . . . . . 245.2 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.3 Abstraktion und Analogie. . . . . . . . . . 295.4 Von der Planung bis zur Invention

7、. . . . . 315.5 Der Kommunikationsprozess im bionischen Arbeiten . . . . . . . . . . . . . 316 Implementierung der Bionik in die Innovationssysteme . . . . . . . . . . . . . . 32Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8、2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 73 What is biomimetics? . . . . . . . . . . . . . 93.1 Definition of the term. . . . . . . . . . . . 93.2 The essentials of biomimetics . . .

9、. . . . 103.3 Boundaries to and areas of overlap with related sciences . . . . . . . . . . . . . . . 113.4 Biomimetic products and processes . . . . 124 Reasons and occasions for using biomimetic methods . . . . . . . . . . 194.1 Possibilities, performance, and success factors for biomimetics . . .

10、. . . 194.2 Biomimetics and sustainability . . . . . . . 204.3 Limits of biomimetics . . . . . . . . . . . 225 Biomimetic engineering process . . . . . . . 235.1 Development of new ideas . . . . . . . . . 245.2 Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.3 Abstraction and analogy . . . . . . .

11、 . . . 295.4 From the planning phase to the invention . 315.5 The communication process in biomimetics. . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Implementation of biomimetics in the innovation systems . . . . . . . . . . . . . . 32Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Die deutsche Versio

12、n dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - S

13、tand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 2 VDI 6220 Blatt 1 / Part 1VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie,

14、 der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen,

15、 die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungUnter Bionik werden Forschungs- und Entwick-lungsanstze verstanden, die ein technisches Anwen-dungsinteresse verfolgen und auf der Suche nach Problemlsungen, Erfindungen und Innovationen Wissen aus der

16、 Analyse lebender Systeme heranzie-hen und dieses Wissen auf technische Systeme ber-tragen. Der Gedanke der bertragung von der Biolo-gie zur Technik ist dabei das zentrale Element der Bi-onik (zur Definition der Bionik siehe Abschnitt 3).Die grundlegende Motivation fr die bertragung von biologischen

17、 Lsungen auf technische Anwen-dungen besteht darin, dass im Lauf von 3,8 Milliar-den Jahren evolutiv optimierte biologische Struktu-ren entstanden sind, die auch fr technische Entwick-lungen bedeutsam und berzeugend sein knnen. Heute sind ber 2,5 Millionen identifizierte Arten mit ihren spezifischen

18、 Besonderheiten weitgehend be-schrieben. Im Sinne der Bionik stehen sie als giganti-scher Ideenpool fr technische Problemlsungen zur Verfgung.Historisch lsst sich die Bionik in folgende Entwick-lungsphasen einteilen 1: Ab etwa 1950 begann eine modellbasierte Bionik, die sich vor allem im Flug-zeug-,

19、 Fahrzeug- und Schiffbau durchsetzte und auf Basis der hnlichkeitstheorie Modellgesetze fr die Prinzipienbertragung von biologischen Vorbildern auf technische Ausfhrungen ableitete. Etwa um 1960 wurden durch den Einfluss der Kybernetik die beiden Sulen der Bionik Biologie und Technik erstmalig auf e

20、in gemeinsames sprachliches und me-thodisches Fundament gestellt, das eine wichtige Ba-sis fr das zentrale Element des Wissenstransfers in-nerhalb der Bionik darstellt. Seit etwa 1980 wird die Bionik auch auf die Nano- und Mikroskala erweitert (z. B. Lotus-Effect) 2. Neue Methoden der Mess- und Fert

21、igungstechnik waren dazu der Schlssel. Seit Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), s

22、torage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honor

23、ary con-tributors to this guideline.IntroductionBiomimetics is understood to be the application of re-search and development approaches of interest to technical applications and which use knowledge gained from the analysis of living systems to find so-lutions to problems, create new inventions and i

24、nno-vations, and transfer this knowledge to technical sys-tems. The idea of transferring biological principles to technology is the central element of biomimetics (see Section 3 for a definition of biomimetics).The basic motivation behind the transfer of biological solutions to technical application

25、s is the assumption that optimized biological structures have been devel-oped in the course of 3,8 billion years of evolution that could also be significant and convincing in tech-nical developments. To date, over 2,5 million differ-ent species have been identified and described to a great extent to

26、gether with their specific characteris-tics. In terms of biomimetics, there is therefore a gi-gantic pool of ideas available for solutions to techni-cal problems.Historically, the development of biomimetics can be divided into the following phases 1: Model-based biomimetics was introduced starting a

27、round 1950 primarily for use in the design and construction of aircraft, vehicles, and ships by deriving modeling rules based on similarity theory for transferring the principles of biological models to technical designs. Around 1960, the two pillars of biomimetics biol-ogy and technology were combi

28、ned linguistically for the first time due to the influence of cybernetics and placed on a common linguistic and methodical foundation. This foundation then became an impor-tant basis for the central element of the field of bio-mimetics: the transfer of knowledge. Since about 1980, biomimetics has al

29、so been extended down to the microscale and nanoscale (e. g. the Lotus-Effect)B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 6220 Blatt 1

30、 / Part 1 3 den 1990er-Jahren erhlt die Bionik vor allen Dingen durch die sich rasant entwickelnden Querschnitts-technologien Informatik, Nanotechnologie, Mecha-tronik und Biotechnologie, die vielfach eine bertra-gung komplexer biologischer Systeme erst ermgli-chen, weitere wichtige Impulse 3. Heute

31、 etabliert sich Bionik zunehmend als eine Wis-senschaftsdisziplin, die zahlreiche Produkt- und Technologieinnovationen hervorbringt. Die hochgra-dig interdisziplinre Arbeitsweise, die Fachleute aus der Biologie, den Ingenieurwissenschaften und zahl-reichen anderen Disziplinen zusammenbringt, birgt d

32、abei ein besonders hohes Innovationspotenzial 4. An zahlreichen Hochschulen und aueruniversitren Forschungseinrichtungen ist die Bionik daher inzwi-schen Gegenstand von Lehre und Forschung. Aber auch produzierende Unternehmen verwenden zuneh-mend bionische Verfahren zur Entwicklung neuer oder zur Op

33、timierung bestehender Produkte. Trotz der steigenden Anzahl an Forschern und Anwendern in Bereich Bionik ist der Transfer von Erkenntnissen aus der Biologie in die Technik nach wie vor ein kom-plexer Prozess, der hohe Ansprche an die beteiligten Akteure stellt.Die Natur verfgt ber zahlreiche geniale

34、 Lsun-gen“, die oft intuitiv verstanden werden knnen. Den-noch sind die Aufklrung der zugrundeliegenden Me-chanismen und vor allem deren Nutzbarmachung fr die Technik nur selten einfach. Diese Diskrepanz ist ein Grund fr die dauerhafte Aktualitt, die das Thema Bionik auch in den nchsten Jahrzehnten

35、ha-ben wird 5.Zurzeit lassen sich unterschiedliche Technologiebe-reiche identifizieren, in denen die Bionik schwer-punktmig eingesetzt wird. Im Wesentlichen ent-sprechen diese der Fachgruppengliederung des bun-desweiten Bionik-Kompetenznetzes BIOKON e. V. (www.biokon.de). Die bergnge zwischen den Te

36、il-bereichen sind jedoch flieend, und in der hochdyna-mischen bionischen Forschungslandschaft entstehen immer wieder neue Forschungsschwerpunkte, die diese Einteilung erweitern und ergnzen. VDI 6221 Blatt 1: Funktionale bionische Oberflchen Oberflchenstrukturen zur Selbstreinigung und zur Reduktion

37、von BewuchsIn der Richtlinie VDI 6221 Blatt 1 wird der Bereich eines physikalischen Krpers/Organismus an der Phasengrenze behandelt, der sich in seiner Zusam-mensetzung, Struktur (rumliche Struktur, Mikroto-2. New methods in measurement and manufactur-ing technology were the keys to these extensions

38、. Since the 1990s, biomimetics has received further impetus, in particular due to the rapid developments in technology in the related fields of computer sci-ence, nanotechnology, mechatronics, and biotechnol-ogy. In many cases, it is new developments in these fields that enable the transfer of compl

39、ex biological systems in the first place 3.Today, the field of biomimetics is increasingly con-sidered a scientific discipline that has generated nu-merous innovations in products and technologies. This highly interdisciplinary collaborative work, which brings together experts from the fields of bio

40、l-ogy, engineering sciences, and numerous other disci-plines, possesses a particularly high potential for in-novation 4. For this reason, biomimetics has now become an object of research and education at numer-ous universities and extramural research institutions. However, manufacturing companies ar

41、e also increas-ingly turning to biomimetic methods to develop new products or to optimize existing products. In spite of the increasing number of researchers and users active in the field of biomimetics, the transfer of knowledge from the field of biology to technology is still a com-plex process th

42、at places high demands on the people involved.Nature has numerous “ingenious solutions” available that can often be understood intuitively. It is seldom easy, though, to explain the underlying mechanisms, and in particular to explain how they could be applied to technology. This discrepancy is one r

43、eason for the current and ongoing relevance of the field of biomi-metics, which will also continue into the next decades 5.It is currently possible to identify various areas in tech-nology in which biomimetics are primarily used. For the most part, these areas can be associated with the various tech

44、nical committees of the nationwide Bion-ics Competence Network BIOKON e. V. (www.bi-okon.de) in Germany. The transitions between the sub-areas are fluid, though, and new areas of emphasis are constantly arising in the highly dynamic research in the field of biomimetics. These different areas of re-s

45、earch in biomimetics are continuously expanded and complemented.VDI 6221 Part 1: Functional biomimetic surfaces Self-cleaning surface structures to reduce incrustationsGuideline VDI 6221 Part 1 handles the phase bound-ary of a part of a physical body/organism that differs significantly from the rest

46、/core/core body in terms of its composition, structure (spatial structure, micro-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 4 VDI 622

47、0 Blatt 1 / Part 1pografie) und Funktion deutlich vom Rest/Kern/Kernkrper unterscheidet.Es werden die Kriterien zur Definition funktionaler bionischer Oberflchen“ angegeben, unterschiedli-che Funktionen von Oberflchen beispielhaft erlu-tert sowie exemplarische Vorbilder wie Lotus-Ef-fect, Riblet-Fol

48、ie (knstliche Haihaut), giftfreies Antifouling, klebstofffreie Haftmechanismen, biolo-gische Mikrostrukturen auf Oberflchen und deren Funktion sowohl aufgelistet als auch unter Berck-sichtigung eines Kriterienkatalogs bewertet. VDI 6222 Blatt 1: Bionische RoboterIn der Richtlinie VDI 6222 Blatt 1 wi

49、rd die allge-meine Definition eines Roboters um das Eigen-schaftswort bionisch“, als ein besonderes unter-scheidbares Merkmal, erweitert. Dieses Merkmal grenzt die Gruppe der Roboter auf diejenigen ein, die durch Anwendung bionischen Arbeitens entstanden sind und mindestens ein umgesetztes dominantes bi-ologisches Prinzip in sich tragen.Die Richtlinie beinhaltet eine Begriffsdefinition, eine Darstellung der Vorteile bionischer Roboter, eine Aufzh