Bewegungsdesign und Biomimetik

Energieeffizienz und Nachhaltigkeit spielen eine immer größere Rolle in der modernen Architektur. Infolgedessen steigt die Nachfrage an adaptiven Strukturen, die sich ihren Anforderungen durch beispielsweise Geometrieänderungen ständig anpassen und somit Tragwerksgewicht und Energie einsparen können. Dementsprechend ist der Entwurf von beweglichen Strukturen von großer Relevanz.

Ein Beispiel hierfür sind adaptive Gebäudehüllen, die große Verformungen durchlaufen müssen, oder ausfahrbare Konstruktionen zum Öffnen und Schließen von Stadiondächern. Dabei muss nicht nur die Geometrie in den unterschiedlichen, z.B. geöffneten und geschlossenen Zuständen bestimmte Anforderungen erfüllen sondern auch der Formübergang. Auch dieser muss so gestaltet sein, dass er die Bedingung der Effizienz erfüllt.

Die Grundidee dieses Forschungsprojekts besteht demnach darin, eine möglichst effiziente Bewegung zwischen zwei geometrischen Konfigurationen einer Struktur, wie z.B. einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand einer Dachstruktur, zu finden.

Bewegungen vieler Pflanzenflächen erfüllen die eingangs genannten Kriterien. Blüten und Blätter weisen häufig robuste Bewegungsmuster auf, die für viele biologische Funktionen relevant sind. Sie basieren auf der lokal angepassten Steifigkeit ihrer Komponenten und vermeiden hochkonzentrierte Beanspruchungen. Ein wichtiger Punkt ist die Identifizierung der Bewegungsmuster und der Aktuierungsprinzipien sowie ihr Zusammenspiel mit der Pflanzenstruktur. Pflanzenbewegungen können durch reversible (nastische) Turgoränderungen und durch irreversibles (tropistisches) Wachstum aktiv hydraulisch aktuiert werden. Passive Aktuierung erfolgt durch hygroskopisches Aufquellen und Schrumpfen oder durch Kohäsionskräfte. Andere Mechanismen nutzen die Freisetzung gespeicherter elastischer Energie in vorgespannten Strukturen oder werden durch äußere mechanische Kräfte ausgelöst.

Diese Eigenschaften von Pflanzenbewegungen werden mit einem biomimetischen Ansatz auf bewegliche Strukturen in der Architektur übertragen. Zusätzlich werden mit den Methoden der Simulation neue Erkenntnisse über das biologische Vorbild gewonnen. Mit Finite-Elemente-Simulationen wurden Hypothesen der Biologie unterstützt und mögliche Bewegungsmechanismen und Aktuierungen identifiziert. Die Simulation erlaubt es verschiedene Bewegungsprinzipien zu isolieren und Parameterstudien durchzuführen, was mit Experimenten an der echten Pflanze nicht möglich ist. Für die Anwendung in der Architektur kommen vor allem die Bewegungen von Orchideenblüten und der Schnappmechanismus von fleischfressenden Pflanzen in Frage. Untersucht wurden die Venusfliegenfalle und ihre Schwester, das Wasserrad.

Ein natürlicher Gedanke ist, dass Bewegungen in der Natur, hier von Pflanzen, dem Prinzip der maximalen Effizienz bzw. der minimal erforderlichen Energie folgen, weshalb die Biomimetik als Ansatz gewählt wurde. Jedoch ist es oft nicht eindeutig ersichtlich, hinsichtlich welcher Eigenschaften die Bewegung einer Pflanze effizient ist. Die Anforderungen von Pflanzen an ihre Bewegungen können sich von den Anforderungen an die Bewegung einer Struktur im Bauwesen ganz signifikant unterscheiden. Während eine Pflanze eine wachsende Struktur ist und auch andere biologische Prozesse, wie z.B. die Verdauung, wichtig sind, spielen diese Aspekte in Gebäudelementen keine Rolle. Aus diesen Gründen wurde aufbauend auf den Erkenntnissen der reversen Biomimetik von Pflanzenbewegungen eine neue Forschungsidee generiert: Den Entwurf von Bewegungen erstmals allgemeingültig und abstrakter, also unabhängig von Pflanzen, zu betrachten. Dabei wurde eine Methode auf Basis einer variationellen Methode entwickelt, die es erlaubt, eine Bewegung zwischen zwei Zuständen mit einer konkreten Zielvorgabe zu entwerfen.

Werden Anforderungen an das nichtlineare Verformungsverhalten der Struktur gestellt, kann die Bewegung in Abhängigkeit des hierzu erforderlichen Lastkollektivs gefunden werden. So können Strukturen durch eine Variation der Last unterschiedliche Übergänge zwischen zwei Geometrien realisieren und dabei vorgegebene Eigenschaften, wie z.B. eine energieminimale Bewegung, erfüllen. Die Methode des Bewegungsentwurfs basiert auf einer zusätzlichen Diskretisierung des Deformationspfads. Dieser kann mit unterschiedlichen Formfunktionen approximiert werden. Dabei sind beispielsweise lineare Lagrange-Polynome, aber auch Spline-Funktionen, die eine bessere Approximation glatter Funktionen erlauben, möglich. Zusätzlich erlaubt es die Methode, unterschiedliche, in der FEM für strukturmechanische Probleme geläufige Elementtypen, wie z.B. Stabelemente, Scheibenelemente sowie isogeometrische Schalenelemente einfach zu integrieren.

Im Gegensatz zur Aktuierung durch Zufuhr von äußerer Energie sind einige Pflanzenstrukturen und deren Materialsysteme interessante Beispiele für passiv aktuierte Elemente. Um sich an veränderliche Umgebungsbedingungen anzupassen, benötigen sie keine zusätzliche metabolische Energie, sondern nutzen ihre inhärenten Materialeigenschaften. Durch anisotrope Ausrichtung von Fasern und eine feuchtigkeitsabhängige Quellung bzw. Schrumpfung der umgebenden Matrix können so zum Teil komplexe und mehrphasige Formänderungen der flächigen Strukturen umgesetzt werden. Diese Funktionsprinzipien können mechanisch abstrahiert, modelliert und simuliert werden. Die Erkenntnisse daraus können zum einen zu einem besseren Verständnis der Pflanzenbewegung führen (reverse Biomimetik) aber auch zum Entwurf und zur Entwicklung neuer Materialsysteme in der Architektur genutzt werden. Mittels mehrschichtiger Strukturen durch den sogenannten 4D-Druck soll der Technolgietransfer hin zu einer umweltfreundlichen Architektur geschaffen werden.

Projekttitel:
Bio-inspirierte elastische Materialsysteme und Verbundkomponenten für nachhaltiges Bauen im 21ten Jahrhundert.
Förderung:
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg im Rahmen der Zukunftsoffensive IV Innovation und Exzellenz
Projektpartner:
Plant Biomechanics Group Freiburg (PBG), Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD), Universität Stuttgart
Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK): Chemie und Physik von Grenzflächen (CPI), Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Assoziiertes Projekt im Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC), University of Stuttgart
Bearbeitung:
Rebecca Thierer, Renate Sachse