die natur als ideengeber: innovation für architektur und ... · (schefflera arboricola) faser-bzw....

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Die Natur als Ideengeber:

Innovation für Architektur

und Technik

Thomas Speck

Funktionelle Morphologie & Bionik

Botanischer Garten der Universität Freiburg

Freiburger Materialforschungszentrum &

Freiburger Institut für interaktive Werkstoffe

und bioinspirierte Technologien

Leistungszentrum Nachhaltigkeit

Kompetenznetze Biomimetik und BIOKON e.V.

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Eine direkte Kopie von Funktiona-

litäten gelingt aufgrund physikali-

scher Begrenzungen in der Regel

nicht (Reynoldzahl, Materialeigen-

schaften, Energiebedarf…)

Was ist definitiv nicht

Bionik?

Diskussionsreihe des Umweltministeriums Baden-Württemberg „Anstöße“ - LGS 14-06-2016

Biologische Inspiration für

bionische Flugzeuge ?

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Biologische Inspiration für

bionische Flugzeuge !

Optimierung von Winglets

für Flugzeugflügel (Boing 747)

mittels Evolutionsstrategie als

Optimierungsmethode (quanti-

tative Analyse, Abstraktion,

Transfer funktionaler Prinzipien…)

Was ist definitiv

Bionik?


Die Natur als Ideengeber: Innovation

für Architektur und Technik

• Was ist Bionik und was nicht ?

• Verschiedene Teilbereiche der Bionik

• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme

basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild

der Blüte der Paradiesvogelblume

• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert

vom Fallenmechanismus des Wasserads

• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde

• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von

Blattoberflächen

• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente

Materialien und Strukturen

• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht

• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft










Blattoberflächen





© Plant Biomechanics Group Freiburg

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© Plant Biomechanics Group Freiburg & verschiedene Quellen

Teilbereiche der Bionik: eine Erfolgs-

geschichte mit vielen Facetten












Blattoberflächen






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Technische Herausforderung - biologische

Lösung: Adaptive biegsame Flächentragwerke

© bp.blogspot

Scharniere & Gelenkungen typischer Verschattungs-

systeme: fehleranfällig & hohe Wartungskosten

©

img.alibaba.com

Peek und Cloppenburg, Köln 2005

Renzo Piano & Knippers Helbig

© bp.blogspot

Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart & ITV Denkendorf

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Funktionsweise der Paradiesvogelblumen-Blüte

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Prototyp Flectofin® Fassadenverschattung: Biegung

aktuiert durch hydraulische Kolben an der Basis

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Elastische Architektur: Flectofin®-Prototyp

Bionisches Fassadenverschattungssystem

1. Abstraktionsschritt: Physikalisches Modell

Funktionsmodelle für

Fassadenverschattung

3. Abstraktionsschritt

Simulation (FEM)

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© Soma – Architecture Vienna

© ITKE University of Stuttgart

Themen-Pavillon auf der Weltaus-

stellung 2012 (Yeosu, Süd-Korea)

Architekturbüro soma (Wien) und Ingenieurbüro Knippers Helbig (Stuttgart)

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© B. Miklautsch

Doppel-Flectofin®:

Simulation & Demonstrator

Elastische Architektur: Flectofin® ein

bionisches Fassadenverschattungssystem


Weitere Einsatzmöglichkeiten

(1) selbst-adaptive Belüftungs-

klappen an Helmen (aktuiert

durch Wärme / Feuchtigkeit)

(2) selbst-adaptive Klappen-

systeme im Flug-, Wasser-

oder Motorsport












Blattoberflächen






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20fach verlangsamt

Der Verschluss der

Schnappfalle ist

eine Bewegungs-

amplifizierung,

hervorgerufen

durch eine kleine

Biegung der

Mittelrippe

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Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa): Morpho-

logie und Funktionsweise der Schnappfalle

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Die beiden (Blatt-)Hälften der Schnappfalle des Wasserrads bleiben unverformt.

Der Verschluss der Schnappfalle wird durch eine Turgor-induzierte Verformung

(Biegung) der Mittelrippe hervorgerufen, die die beiden Blatthälften verbindet.

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Elastische Architekture: Bionisches Fassadenverschattungssystem inspiriert

durch das Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa)

TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE, IBB & ITFT Universität Stuttgart

Kinematisches Model des

abstrahierten Faltmechanismus Kinetisches Model der Schnappfalle des

Wasserrads in FEM

Flexible Fas-

sadenverschat-

tungselemente

inspiriert durch

das Wasserrad

auf einer

gekrümmten

Oberfläche

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Flectofold

© ITKE & ITFT University of Stuttgart and ITV Denkendorf

Elastische Architekture: Bionisches Fassadenverschattungssystem inspiriert

durch das Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa)

TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE, IBB & ITFT Universität Stuttgart

Bionisches Fassadenverschattungsmodul aus Faserverbundmaterial












Blattoberflächen






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Pfahlrohr (Arundo donax), ca. 4m hoher Bestand

Biologische Vorbilder:

Pfahlrohr, Bambus

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Für bionische Umsetzungen interessante

strukturelle und mechanische Eigenschaften:

• Optimierter Faserverlauf und Faserverteilung

• Gradueller Übergang zwischen Fasern und Matrix

• Strukturoptimierung auf mind. 5 hierarchischen Ebenen

• Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit

und einem gutmütigen Bruchverhalten

© ITV Denkendorf Kooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth

Struktur- und gewichtsoptimierte Faser-

verbundmaterialien mit Gradientenaufbau



Kooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth

Ziel sind gewichts- und

strukturoptimierte Faser-

verbundmaterialien mit

Gradientenaufbau und:

• guter Schwingungsdämpfung

• dauerhaft hoher dynamischer

Belastbarkeit

• gutmütigem Bruchverhalten

Produktion durch neue

Techniken:

• 3D-Flechttechnik

• Pultrusionsverfahren

Der Technische Pflanzenhalm (mitte), ein

patentiertes strukturoptimiertes Pultrusions-

produkt und zwei der biologischen Vorbilder,

Pfahlrohr (links) und Schachtelhalm (rechts)

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© ITV Denkendorf

Flechtpultrusions-Anlage ITV Denkendorf

Kooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth

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Flechtpultrusion beim ITV Denkendorf

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Hoch belastbare Bauteile aus bionisch

optimierten verzweigten Faserverbünden

Tragstrukturen im

Bereich Automotive

Luft- und

Raumfahrt

Rahmen

(z.B. Fahrräder)

© www.metallguss-steinruecken.de © www.onerad.fr © www.light-bikes.de

Anwendungen

in der

Architektur Biologische

Vorbilder © P

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© wikipedia.de

© www.

dehner.de

Stark belastete

Konstruktionen in

der Architektur

Drachenbaum

(Dracaena marginata)

Dünnschnitt

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Hoch lastaufnehmende Verzweigungsregionen von Pflanzen

Kooperationsprojekt: PBG Freiburg, ITV Denkendorf, TU Dresden, Uni Stuttgart

Mazeration

Säulenkaktus

(Pachycereus sp.)

Strahlenaralie

(Schefflera arboricola)

Mazeration

Faser- bzw. Holzbündelverlauf bei baumför-

migen Monokotyledonen und Säulenkakteen

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Faser- bzw. Holzbündelverlauf bei baumför-

migen Monokotyledonen und Säulenkakteen

Analyse von äußerer Form und innerer Struktur bei Kakteen

Pilosocereus

pachycladus

Cleistocactus

morawetzianus Myrtillocactus

geometrizans

Pilosocereus pachycladus

FEM-Analyse von Verzweigungsmodellen

von zwei ausgewählten Kakteenarten

Myrtillocactus geometrizans

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3D-Analyse des Faserverlaufs beim

Drachenbaum

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Verzweigungsregion eines Drachenbaums 3D-

Analyse mit Magnet Resonance Imaging (MRI)

Start

Ende

Analyse-

richtung

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Kooperationsprojekt PBMG & Uniklinik Freiburg und Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

µ-Computer-Tomographie-Analyse der

Verzeigungsregion eine Strahlenaralie

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Start

Ende

Analyse-

richtung

3D-Analyse der äußeren Form

und der inneren Struktur

1.5 cm

Haupt-

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Seiten-

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TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE & ITFT Universität Stuttgart

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Verzweigungen von Pflanzenstämmen:

Ideengeber für verzweigte Faserverbünde

Kooperationsprojekt: PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, TU Dresden, ILK Dresden

Struktur- und gewichtsoptimierte verzweigte

und unverzweigte Faserverbundmaterialien

© ITV Denkendorf

Luft- & Raumfahrttechnik

(Rumpf- & Flügelbau)

Automobilbau und Fahrzeugbau

Sportartikel

Architektur & Gerätebau © Plant Biomechanics Group Freiburg

Medizintechnik

(Prothetik)

Einsatzbereiche

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Blattoberflächen






Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden

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Die Kutikula ermöglicht Pflanzen das Überleben

in verschiedenen Habitaten

Epidermis und Kutikula: Multifunktionale

Grenzfläche zwischen Pflanzen und Umwelt ©

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Bionische Antihaft-Oberflächen nach

dem Vorbild von Blattoberflächen

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© Plant Biomechanics

Group Freiburg

a. Magnolia grandiflora, b. Paeonia officinalis, c. Calathea zebrina, d. Diospyros kaki, e. Paeonia suffruticosa,

f. Colocasia esculenta, g. Hevea brasiliensis, h. Vitis vinifera, i. Rosa hybrid Floribunda cv. ´Sarabande`.

Hierarchische Strukturierungsebenen Blattoberfläche

Ebene I:

Zellform

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Magnolia grandiflora

Paeonia officinalis

Colocasia gigantea




Messgerät zur Analyse

der Lauf-Reibungskräfte

Wechselwirkung zwischen hierar-

chisch strukturierten Oberflächen

Tarsus Klauen und ver-

schiedenen Haartypen

Blattoberfläche mit

verschiedenen Zellformen,

Kutikularfalten und/oder

Wachskristallen



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Messungen von Lauf-Reibungskräften

Kartoffelkäfer auf Glasoberfläche Kartoffelkäfer auf Blattoberfläche



Litchi chinensis (adaxial)

Hevea brasiliensis (adaxial)

Cyclamen persicum (adaxial)

Magnolia grandiflora (adaxial)

Hevea brasiliensis (abaxial)

Litchi chinensis (abaxial)

Diospyros kaki (Frucht)

Ilex aquifolium (adaxial)

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Lauf-Reibungskräfte relativ zu Glasoberfläche

Kutikularfalten

Höhe: ca. 0,5 µm

Breite: ca. 0,5 µm

Abstand: 0,5 – 1,5 µm

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Glatte Glas-

oberfläche

(44,4 ± 6,8 mN)



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Anhaftstrukturen

am Bein des

Kartoffelkäfers


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Kartoffelkäfer auf künstlicher Oberfläche

Messungen von Lauf-Reibungskräften

Künstliche Oberfläche: Replikat

der abaxialen Blattoberfläche

von Litchi chinensis



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Blattoberflächen






Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart

Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem

Vorbild von Frucht- und Samenschalen

Technische Produkte mit hoher Dämpfung sowie Aufprall- und Durchschlagschutz

Schusssichere Kleidung, aufpralldämpfende und

durchschlagsichere Helme

Aufpralldämpfende und insassenschützende Autoteile

Transport von Gefahrengütern

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m © Jeff Dean

© Ucon AG

Biologische Vorbildstrukturen

Hohe Zähigkeit und Härte Hohe Zähigkeit und Härte

Schale der Macadamia-Nuss (Same)

Hohe Energiedissipation Hohe Energiedissipation

Fruchtwand der Pomelo

Hohe Zähigkeit & Härte und hohe Energiedissipation

Hohe Zähigkeit & Härte und hohe Energiedissipation

Fruchtwand der Kokosnuss

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Vorbild von Frucht- und Samenschalen ©

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H1: Integrale Ebene-1

= ganze Frucht


= Schale & Fleisch

H3: Gewebeebene-1

= Makrostruktur

der Schale

H4: Gewebeebene-2

= Mikrostruktur

der Schale

H5: Zellebene-1

= Anordnung und

Form der Zellen

H7: Ultrastrukturebe

= Zellwandultrastruk-

tur und Biochemie

H6: Zellebene-2

= Zellstruktur und

Zellkompartimente



Aufpralltest bei Pomelo-Früchten

Kraftsensor

Spiegel

Highspeed

Kamera 1

Highspeed

Kamera 2

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100.000 fps

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fps

15m

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Aufprall- und Durchstoßschutz:

Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten

Aufpralltest bei

Pomelo-Früchten

Kraftsensor

Spiegel

Highspeed

Kamera 1

Highspeed

Kamera 2

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Deformation der Pomelo-Früchte

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Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten

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Faserbündel und Deformation

Probenhöhe in Prozent der Originalhöhe

Durch Zellen

gebildete

„Schaumschicht“

mit graduelle

Porengröße und

Faserbündel-

verstärkung

Schalenaufbau

und Feinstruktur

bei der Pomelo

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Samenschale - ein mehrschichtiges, extrem zähes und hartes Mikrolami-

nat mit mehreren Schichten aus Sklerenchymfasern und Sklereidenzellen

Struktur und Feinstruktur der

Samenschale des Macadamia-Samens

Äußere Sklereidenschicht

Innere Sklereiden-

schicht

Sklerenchymfaser-

schicht S

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(L6) Innere

Samenwand

Creme-farbene

Schicht

Dunkelbraune

Schicht

Epidermis

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Beispiel: Multischichtsystem bei Macada-

mia-Same: hoch integrierte Schutzhülle

Schemazeichnung Bruchoberfläche

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Spezifische Bruchkraft

bei verschiedenen

Früchten und Samen


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erlin


= ganze Frucht


= Schale

H3: Gewebeebene-1

= Makrostruktur

der Schale

H4: Gewebeebene-2

= Mikrostruktur

der Schale

H5: Zellebene-1

= Anordnung und

Form der Zellen

H7: Ultrastruktureben

= Ultrastruktur

und Biochemie

der Zellwand

H6: Zellebene-2

= Zellstruktur und

Zellkompartimente



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Durchstoßschutz inspiriert von Samen ©

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Evaluation und Produktion hierarchisch strukturierter

Metallschäume mit Langfaserverstärkung (H1-H5)

Lang-

faser

Verbindung

zwischen

Faser und

Schaumsteg

AlSi7Mg-Probe mit

variabler Porrengröße

(Gradierung)

Farbangeäzter

Schnitt eines

Bi57Sn43-Stegs

(jede Farbe reprä-

sentiert ein Korn)

CT-Bild einer Schaumprobe

mit integrierten Fasern

Gusskomponente

mit Einlaufsystem



Durchstoßschutz inspiriert von Samen

Pomelo (Citrus maxima)

Macadamianuss (Macadamia sp.)

Kokosnuss (Cocos nucifera)

© Foundry Institute RWTH

Aachen, Plant Biomechanics

Group Freiburg & Materials

Engineering TU Berlin www.amazon.de © Ucon AG

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Blattoberflächen






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Bambushalme: hochdämpfende Gradienten-

strukturen mit Zuggurtung in den Knoten

Strukturoptimierte, schockabsorbierende

Transportpalette aus Naturfaserverbundstoff

Biologische Vorbilder

Einbindung der Stacheln von Igel & Stachelschwein in

Haut als Schockabsorber durch interne Reibung

Kooperationsprojekt PBMG Freiburg mit ITV Denkendorf und Rittal GmbH & Co. KG

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Animation: Dämpfung von Igelstacheln

© Pro 7 - Gallileo

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Designmodel eines

bionischen Dämpfer-

moduls inspiriert von

Igelstacheln und Igelhaut

Strukturoptimierte, schockabsorbierende

Transportpalette aus Naturfaserverbundstoff

Modell einer strukturoptimierten

Transportpalette mit bionischen

Schockabsorbern nach dem Vorbild

von Igelstacheln und Bambushalm

Kooperationsprojekt PBMG Freiburg mit ITV Denkendorf und Rittal GmbH & Co. KG

Bionisch-technische Umsetzung - hochdämpfende Schockpalette

Einsatzmöglichkeiten:

(1) Impaktdämpfung bei Schuhen oder Protektoren

(2) Impaktdämpfung im Flug-, Wasser- & Motorsport

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Blattoberflächen






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Was kann Bionik leisten?

Zukunftsvisionen

Bionik im Jahr 1980: Alles ist denkbar und (fast)

nichts ist umsetzbar.

Bionik im Jahr 2016: Alles ist denkbar und (fast)

alles ist umsetzbar.

Bionik im Jahr 2016: Nutzen einer historischen Chance

durch Weiterentwicklung in Analyse-, Simulations- und

Produktionstechnologien sowie des gesellschaftlichen

und politischen Umfelds (Nachhaltigkeit).


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Biological Design and Integrative Structures Analysis, Simulation and Implementation in Architecture

Cooperative Research Center TRR 141

6 Gruppenleiter/innen, 1 Postdoc,

12 Doktoranden/innen, 12 Bachelor-. Master-

& Stex-Studierende, 2 Technikerinnen,

2 Gartenmeister/innen, 12 Gärtnerinnen

6 Gruppenleiter/innen, 1 Postdoc,

12 Doktoranden/innen, 12 Bachelor-. Master-

& Stex-Studierende, 2 Technikerinnen,

2 Gartenmeister/innen, 12 Gärtnerinnen

Plant Biomechanics Group – Botanischer Garten der Universität Freiburg www.botanischer-garten.uni-freiburg.de

Kompetenznetz ‚Biomimetik‘ Baden-Württemberg (MWK-BW) www.kompetenznetz-biomimetik.de

BIOKON e.V & BIOKON international – The Biomimetic Association (BIONA-BMBF) www.biokon.de & www.biokon-international.com

Bildung und Lehre in Bionik www.bionik-online.de www.bionik-vitrine.de www.bionik-blog.de

Danksagung

http://www.biokon-international.net/

die natur als ideengeber: innovation für architektur und ... · (schefflera arboricola) faser-bzw....

Documents