Science

Below, you will find an overview about my work as research assistant fellow at the University of Bremen in the area of Ultraprecision Engineering (LFM Laboratory For Precision Machining), followed by a description of my degree thesis in the area of Technical Biology & Bionics. Please centre this text on the screen and scroll down.

Hier folgt ein Überblick meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bremen im Bereich der Ultrapräzisionsbearbeitung (Labor Für Mikrozerspanung). Anschliessend wird meine Diplomarbeit aus dem Bereich der Technischen Biologie und Bionik dargestellt. Bitte schieben Sie diesen Text auf volle Bildschirmbreite und scrollen Sie dann hinunter.

  
 
  

 
  
 
  
 
  

Own Research Project / Eigenes Forschungsprojekt

Degree Thesis / Diplomarbeit

"Construction and Manufacturing of a Technical Model to Demonstrate the Degrees of Freedom in the Forewing–joint of a Large Dragonfly(Aeshna cyanea)"

"Konstruktion und Fertigung eines Technischen Demonstrationsmodells der Freiheitsgrade in der Vorderflügelgelenkregion einer Grosslibelle (Aeshna cyanea)"

Abstract

The aim of this study is, on the one hand, to gain a comprehensive understanding of the morphology and construction of the wing joint of large dragonflies (in particular Aeshna cyanea, Anisoptera), and on the other hand, to create a simplified technical construction based on this knowledge.

A functional model will be built of metal to a scale of approximate 18:1. Both wing joints will be moved symmetrically within the three possible degrees of freedom by means of a single joystick. The essential components and partly functional principles of the model follow those of a natural dragonfly as closely as possible without a direct copy being constructed. Keeping fundamental biological-technical research in mind, our aim is to stimulate and create ideas for possible technical applications.

Furthermore, we wish to construct an educational model, which will be useful and motivate future generations of researchers in this field.

[Roland Stern, Construction and Manufacturing of a Technical Model to Demonstrate the Degrees of Freedom in the Forewing-joint of a Large Dragonfly(Aeshna cyanea).Degree thesis, math. – nat. Fac. University of Bonn / Saarbrücken, 175 pp.(In German).]

Zusammenfassung der Diplomarbeit

Ziel der Arbeit ist einerseits, die Gelenkregion im Vorderflügelbereich von Großlibellen (im besonderen Aeshna cyanea, Anisoptera) in ihrer Morphologie und Konstruktion möglichst weitgehend zu verstehen und andererseits, deren Funktion technisch abstrahiert und verein-facht zu erfassen.

Es wird ein Funktionsmodell aus Metall im Maßstab von ca. 18:1 erstellt, das in seiner Dynamik die drei möglichen Freiheitsgrade im Flügelschlag der Libelle zweiseitig-symmetrisch durch Ansteuerung über einen einzigen „Joystick“ leistet. Wesentliche Bauteile und Funktionsprinzipien dieses Modells sind in der Konstruktion unmittelbar aus der Betrachtung des natürlichen Vorbildes entstanden, aber es besteht nicht der Anspruch, dieses Vorbild möglichst naturgetreu „nachzubauen“. Unser Interesse ist vielmehr, im Sinne einer biologisch-technischen Grundlagenforschung Anregungen und Ideen für eine potentielle technische Verwendung zu gewinnen (Ausblick), sowie in der Bedeutung eines pädagogisch wirksamen Demonstrationsmodelles zukünftig forschende Generationen in die wissenschaftlich immer noch sehr lückenhafte Thematik der Funktion der Flügelgelenkung von Libellen einzuführen und für weitergehende Untersuchungen zu motivieren.

[Roland Stern, Konstruktion und Fertigung eines technischen Demonstrationsmodelles der Freiheitsgrade in der Vorderflügelgelenkregion einer Großlibelle(Aeshna cyanea).Auswärtige Diplomarbeit, math. – nat. Fak. Universität Bonn / Saarbrücken, 175 S..]

Publication / Veröffentlichung

Einleitung

Beim Libellenflug werden, wie allgemein bei Insekten, die zur Erzeugung von Auftrieb (Hub) und Vortrieb (Schub) erforderlichen Kräfte im von zahlreichen Muskelsträngen durchzogenen Brustbereich generiert und über eine Flügelgelenkregion auf komplex ausgebildete Flächentragwerke übertragen. Der Begriff Flügelgelenkregion (Tannert, 1958) wird hier bewusst gewählt: Bei genauerer Betrachtung der dorsalwärts im Thorax gelegenen Anlenkung der beiden Flügelpaare der Odonaten wird deutlich, dass es sehr unpräzise ist, von dem Gelenk der Libellenflügel zu sprechen - es handelt sich in der natürlichen Konstruktion vielmehr um eine ebenso hoch komplex gestaltete Kombination aus zahlreichen Kugelgelenken und zahlreichen Scharniergelenken, Biegezonen und Gelenkhäuten. Der sich in verschiedenen Gelenkpunkten verwindende Flügel kann in seiner vollständigen Funktion auch nicht als Einzelflügel verstanden werden; vielmehr agieren beide Flügel eines Paares dorsal miteinander gekoppelt.

Aus technischer Sichtweise vermag ein Scharniergelenk allein die drei Haupt-Freiheitsgrade eines Libellenflügels (Ab- und Aufschlag, Vor- und Zurückschwingen sowie Verdrehung um die eigene Längsachse) nicht zu leisten - an gebräuchlichen technischen Gelenken wäre dazu am ehesten ein Kugelgelenk in der Lage. Doch so einfach ist es nicht, die enormen Flugleistungen eines hochspezialisierten Lufträubers zu erreichen. Die genauere Untersuchung der Morphologie der Flügelgelenkregion von Großlibellen zeigt, dass alle Freiheitsgrade mechanisch anschlagbegrenzt sind. Die einzelnen Drehachsen sind nicht stabil, sondern während des Flügelschlages variabel verschiebbar, um eine elliptische Flügelschlagbahn zu erzeugen etc.

Allein die Zahl der beteiligten, den Flugmotor darstellenden Flugmuskeln imponiert (mindestens 48 für beide Flügelpaare; Russenberger und Russenberger, 1962) und lässt die morphologische Komplexität der Flügelgelenkung erahnen. Entsprechend schwierig gestaltet sich ein vollständiges Verständnis des Libellen-Flugapparates.

Die Relevanz der biologischen Forschung wird gegenwärtig deutlich zugunsten der „modernen“, v.a. molekularbiologischen und genetischen Fachrichtungen bewertet. Dieser (gesellschaftspolitischen) Prioritätensetzung entspricht die Bereitstellung von finanziellen Mitteln. Doch im Bereich der Morphologie und Anatomie, in unmittelbarer Kooperation mit der Systematik in einer modernen historisch-evolutionären Homologienforschung, werden die unumgänglich notwendigen Basics für eine noch vielfach zu entwickelnde, interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den anderen Fachrichtungen gelegt. Ohne diese Grundlagen wären zahlreiche Forschungen im molekularbiologisch-genetischen Bereich nutzlos. Abgesehen davon hat es eine in vielen Aufgabenfeldern gleichwertige gesellschaftliche Relevanz, die Natur in Hinblick auf ihre physikalisch-mechanischen Konstruktionsprinzipien hin zu untersuchen. Dies zeigen etliche Beispiele und Aufgabenstellungen aus der Technischen Biologie und Bionik. Eine fundierte Grundlagenforschung in verschiedenen Bereichen der Technischen Biologie entwickelt ein erweitertes Verständnis der Natur, welche in ihren höchst erfolgreichen Lösungsstrategien Anregungen für eine bionisch-ingenieurswissenschaftliche Übertragbarkeit auf bislang ungelöste Probleme in der Technik liefert (Nachtigall, Vorlsg. Technische Biologie und Bionik WS 1998/99). Viele Lösungen in unserer alltäglichen Technik wären ohne diesen Blick auf Anregungen aus den natürlichen Konstruktionen nie entworfen worden.

Das Beispiel der Libellen zeigt: Diese Großinsekten haben in ihrer Existenz seit 250 Millionen Jahren die verschiedensten Umweltänderungen überlebt. Sie zeigen bis heute in einer Dimensionierung, von der wir in der Technik nur träumen können, etliche funktionelle Lösungen in von unseren technischen Systemen unerreichter Präzision und Vielfältigkeit. Die Flügelgelenkung ermöglicht die libelleneigene, helikopterähnlich höchst variable Flugcharakteristik als Schlagflug, Gleitflug, Schwirrflug, Rückwärtsflug, Paarung in der Luft, extrem schnelle Manövrierfähigkeit usw.Dieses funktioniert ein Libellenleben lang bei enormen, auf eine Ultraleichtkonstruktion wirkenden Kräftebeanspruchungen, mit einer aus technischer Sicht sehr hohen Flügelschlagfrequenz, wartungsfrei, ohne mechanische Defekte und schließlich unter vollem Recycling aller verwendeten Baumaterialien zurück in den Stoffkreislauf der Natur. Hier stellt sich die Frage: Wie realisiert die Natur alle diese verschiedenartigen Anforderungsprofile in derartiger Perfektion?!Es wird deutlich, wie viel an erfinderischem Innovationspotential für unsere Alltags-Technik und -Problemstellungen hier noch verborgen liegen muss.

Die vorliegende Arbeit befasst sich aus dem Blickwinkel der Technischen Biologie mit den Haupt-Freiheitsgraden in der Vorderflügelgelenkregion von Großlibellen (Anisoptera, Odonata), unter besonderer Untersuchung der Art Aeshna cyanea (Blaugrüne Mosaikjungfer). In Anlehnung an das konstruktive Anregungen liefernde natürliche Vorbild dieser Art soll ein technisch-abstrahiertes, beidseitig-symmetrisch wirksames Funktionsmodell aus überwiegend metallischen Werkstoffen erstellt werden, das in seiner Betätigung die Freiheitsgrade mit großen angeschlossenen, naturnah gestalteten Modell-Flügeln demonstriert. Die Funktion der drei Haupt-Freiheitsgrade (s.o.) soll technisch so einfach wie möglich realisiert werden. Dabei besteht kein Anspruch eines möglichst naturgetreuen Nachbaues mit konstruktiver Umsetzung jeder Einzelfunktion im Libellenthorax. Dies ist bereits von anderen Autoren mit jahrelangem Aufwand und infolge begrenzter Mittel naturgemäß nur bedingtem Erfolg versucht worden (Russenberger und Russenberger 1962; Pfau 1986), die mit ihren Funktionsmodellen in der Integration der gesamten Problematik der Flugmuskulatur zudem ganz andere Schwerpunkte gesetzt haben.

Das in dieser Arbeit zu erstellende Modell soll vielmehr in Form eines optisch ansprechenden Ausstellungsstückes dazu geeignet sein, als didaktisches Lehrmodell in die Thematik der Flügelgelenkung von Großlibellen einzuführen. Es soll zu einer tiefergehenden Beschäftigung bzw. Forschung motivieren. Um einen direkten assoziativen Lehreffekt zu ermöglichen, soll das Modell aus den Abmessungen von wichtigen funktionellen Körperteilen von Aeshna cyanea auf den Maßstab von etwa 18:1 einheitlich skaliert werden. So wird eine Vorstellung der realitätsnahen Größenverhältnisse vermittelt. Dieses Modell soll darüber hinaus in der konstruktiven Analogie wesentlicher Funktionsprinzipien und geometrischer Formen des Libellenbauplanes ein Verständnis der Verhältnisse im natürlichen Vorbild erleichtern bzw. neue Blickwinkel und Fragestellungen eröffnen helfen.

Z.B. wurde bislang in Berechnungen der Flügelstatik mittels eines nach der FE–Methode (FE = Finite–Element) erstellten 3D-Computermodells die Insertion des Flügels im Thorax stark vereinfachend als Einspannelement an seiner Basis angenommen. Dies trifft auf die Verhältnisse in natura ganz und gar nicht zu und führte vermutlich zu den noch nicht hinreichenden Ergebnissen in den Berechnungen der Strukturstabilität (Kesel, Philippi und Nachtigall 1996). Daher besteht ein deutlicher Bedarf, die Flügelgelenkregion (auch virtuell) präziser zu erfassen.

Das konstruktive Konzept des Flügelgelenkmodelles dieser Arbeit beinhaltet fünf wichtigste Haupt-Baugruppeneinheiten:

1.         Beschwerende Grundplatte mit aufeinander zu- und voneinander weg schwingenden „Thorax“-Körperwandblechen

2.         Form- und stabilitätsgebende Fachwerkkonstruktion mit Gelenkträgerplatte links und rechts auf der Innenseite der Körperwandbleche

3.         Seitengelenkkonstruktion auf linker und rechter Gelenkträgerplatte zur Ermöglichung der Freiheitsgrade der Einzelflügel

4.         Zweifach-Kardangelenk mit angeschlossenen Handansteuerungshebeln zur funktionellen Kopplung zweier Modellflügel

5.         Vorderflügelpaar mit schnell demontierbaren Anschlusselementen

Die Kraftübertragung in allen Freiheitsgraden soll zunächst bewusst unter Verzicht auf aufwendige Federglieder, störungsanfällige Elektroantriebe o.ä. über nur einen einzigen Handhebel (Joystick) ansteuerbar konstruiert werden. Dieser Joystick sollte sich im Modellinneren zwischen den Körperwandblechen befinden und für eine Ansteuerung außerhalb des Modelles verlängerbar oder (in verschiedenen Ausführungen und Größen) auch oberseits montierbar sein.

Die Seitengelenkkonstruktionen sollen mit drei sich frei drehenden, mechanisch anschlagbegrenzten Achsen gestaltet - und nicht, was rein von der Dynamik her auch möglich wäre - durch eine handelsübliche Gehäuseeinheit (Stehlager: Kugelgelenk mit Querbohrung) ersetzt werden, da die Freiheitsgrade dann nur „verschmiert“ erkennbar wären.

Ein aus didaktischer Sicht erheblich weitgehenderer Demonstrationseffekt würde erzielt, wenn die Kraftübertragung in der Ansteuerung in zwei linearen Komponenten (beim Ab- und Aufschlag der Flügel, sowie bei der Vor- und Zurückbewegung) und einer radialen Komponente (bei der Verdrehung der Flügel in ihrer eigenen Längsachse) erfolgt, bei der die betreffenden Freiheitsgrade wirklich funktionell sichtbar wären. Diese drei Einzelkomponenten sollen im Modell durch senkrechten Druck bzw. Zug (= Ab- bzw. Aufschlag), Vorschieben bzw. Zurückziehen (= Vor- bzw. Zurückschwingen) oder eine Drehbewegung nach hinten-oben bzw. vorne oben (= Pronation bzw. Supination) am Joystick ansteuerbar sein. Mit einiger Übung in der Bedienung sollte dann auch ein dreidimensionales Zusammenspiel der drei Teilbewegungen zu einer Simulation der Flügelschlagbahn als ruderschlagartige Gesamtbewegung möglich sein.

Für die drei Haupt-Freiheitsgrade werden für diese Arbeit folgende Bezeichnungen festgelegt:

          FG1 = Freiheitsgrad 1:Ab- und Aufschlag der Flügel

          FG2 = Freiheitsgrad 2: Vor- und Zurückschwingen der Flügel

          FG3 = Freiheitsgrad 3: Flügeltorsion (Pronation nach vorne und Supination nach hinten).

Das Modell soll nach den Fertigungsmethoden der im Maschinenbau üblichen Verfahren der Metallbearbeitung so klein wie irgend möglich gebaut werden.

In dieser Arbeit erfolgt eine Darstellung der für die Thematik relevanten Ergebnisse der wichtigen, bislang zum Thema publizierten Forschungsarbeiten. Es werden die eigenen präparativen Untersuchungen vom Binokular über Mazerationspräparate bis zur Rasterelektronenmikroskopie und der sich daraus ergebende Erkenntnisgewinn für die konkrete Modellkonstruktion beschrieben. Es folgen der vollständige Konstruktionsablauf und die Beschreibung der zur Herstellung des Flügelgelenkmodelles angewandten Fertigungs-methoden.                                                                                                                                                                                                                                                                            

Abschließend werden die Ergebnisse fotografisch und anhand von CAD-erstellten Zeichnungen (CAD = Computer Aided Design)dokumentiert und in ihrer Bedeutung (auch für weitergehende Forschungen in diesem Feld) diskutiert.

Im Ergebnisteil der Arbeit befinden sich ausklappbar eingeheftet Zusammenbauzeichnungen in drei Ansichten und in einer perspektivischen Darstellung, in denen die Einzelbauteile nummeriert sind, sowie die Stückliste, die bereits sehr viele Informationen zum Verständnis des Modells in Kurzform enthält. Für ein erleichtertes Verständnis der mechanischen Funktionen und Bedeutung aller Einzelbauteile empfiehlt es sich, beim Lesen der Kapitel der Konstruktion und Fertigung, diese Zeichnungen samt Stückliste parallel mit einzusehen.

Von der Internetseite

http://www.uni-saarland.de/fak8/bi13wn/projekte/biomechanik/projects/stern.htm:

(Berabeitet durch: Roland Stern)

Literatur
Pfau H.K. (1984): Untersuchungen zur Konstruktion, Funktion und Evolution des Flugapparates der Libellen (Insecta, Odonata). Habilitationsschrift an der Universität Mainz.
Russenberger H, Russenberger M. (1962): Bau und Wirkungsweise des Flugapparates von Libellen, unter besonderer Berücksichtigung von Aeshna cyanea. Mitt. Naturf. Ges. Schaffhausen 27: 1 - 88.
Stern R. 2000: Konstruktion und Fertigung eines technischen Demonstrationsmodells der Freiheitsgrade in der Vorderflügelregion einer Großlibelle (Aeshna cyanea). Diplomarbeit an der Universität des Saarlandes, unpubliziert.
Kesel A.B., Stern R., Nachtigall W. (2000): Ein Funktionsmodell des Libellenflügelgelenks. Biona-Report 14, (eds. Nachtigall W., Wisser A.) Fischer, Stuttgart.
Tannert W. (1958): Die Flügelgelenkung der Odonata. Dtsch. Entomol. Ztsch. 5: 394 - 455.