Bionik: Spechtkopf inspiriert Entwicklung von Stoßdämpfern
© U.S. Fish and Wildlife Service (USFWS) (Ausschnitt)
"Bekommt der Specht Kopfweh, wenn er gegen den Stamm hämmert?" Diese Frage stellen sich wohl viele Menschen, wenn sie sehen, wie der Vogel presslufthammerartig gegen den Stamm hackt. Das Tier leidet nach getaner Holzarbeit jedoch nicht im Geringsten unter Schmerzen, denn sein Hirn ist sehr gut gepolstert – was So Sang-Hee Yoon und Sungmin Park von der University of California in Berkeley nun zu einem extrem stabilen Stoßdämpfer inspiriert hat.
Um die beim Klopfen auftretenden Schwingungen abzufangen, setzen Spechte wie der von den beiden Forschern beobachtete Goldstirnspecht (Melanerpes aurifrons) auf eine vierfache Absicherung gegenüber den Schockwellen: einen harten, aber gleichzeitig elastischen Schnabel, ein federndes Zungenbein, einen schwammförmigen Schädelknochen und größere Mengen an Hirnwasser. Zusammengenommen können diese Elemente die Stöße des Schnabels sicher dämpfen, der mit dem 1200-Fachen der Erdbeschleunigung gegen das Holz klopft – und das bis zu 22-mal pro Sekunde. Menschen können schon beim Achtfachen des Werts Schleudertraumata oder Knochenbrüche erleiden.
Yoon und Park haben diese Prinzipien für ihren Stoßdämpfer simuliert und kopiert, um zum Beispiel sensible Elektronik selbst gegen extreme Aufprallgeschwindigkeiten zu schützen. Ein zylinderförmiger Metallbehälter fängt dazu bereits Deformationsenergie auf – er absorbiert wie der Schnabel schon einen Teil der auftretenden Schwingungen. Da sich der Zylinder beim Aufprall aber auch noch verformt, schützt er zusätzlich wie eine vorgelagerte Knautschzone. An seiner Innenwand folgen je eine Gummi- und eine Aluminiumschicht, die noch vorhandene Belastungen weiterleiten und verteilen sollen wie Zungenbein und Flüssigkeit im Vogelschädel, so dass sie nicht konzentriert auf einen Punkt wirken. Dicht gepackte millimetergroße Glaskügelchen schirmen schließlich das darin eingebettete Elektronikbauteil endgültig vor möglichen Schäden ab.
Im Experiment – bei dem die beiden Physiker ihre Prototypen mit einem Luftgewehr gegen eine Aluminiumwand schossen – überstanden die Versuchsgegenstände Belastungen bis zum 60 000-Fachen der Erdbeschleunigung praktisch völlig unbeeinflusst: Moderne Flugschreiber mit ihren Kunstharzmänteln sind dagegen nur bis zum 1000-Fachen wirklich geschützt. Neben der Luftfahrt sehen die beiden Ingenieure auch noch Einsatzmöglichkeiten in der Raumfahrt, wo ihr Absorber sensible Technik vor umherfliegendem Weltraumschrott schützen könnte. Und auch die Autoindustrie könnte Interesse zeigen – nicht nur um empfindliche Bordelektronik zu schützen, sondern auch um neue Stoßdämpfer zu entwickeln, die die auftretenden Belastungen in Antriebsenergien umzuwandeln. (dl)
Um die beim Klopfen auftretenden Schwingungen abzufangen, setzen Spechte wie der von den beiden Forschern beobachtete Goldstirnspecht (Melanerpes aurifrons) auf eine vierfache Absicherung gegenüber den Schockwellen: einen harten, aber gleichzeitig elastischen Schnabel, ein federndes Zungenbein, einen schwammförmigen Schädelknochen und größere Mengen an Hirnwasser. Zusammengenommen können diese Elemente die Stöße des Schnabels sicher dämpfen, der mit dem 1200-Fachen der Erdbeschleunigung gegen das Holz klopft – und das bis zu 22-mal pro Sekunde. Menschen können schon beim Achtfachen des Werts Schleudertraumata oder Knochenbrüche erleiden.
Yoon und Park haben diese Prinzipien für ihren Stoßdämpfer simuliert und kopiert, um zum Beispiel sensible Elektronik selbst gegen extreme Aufprallgeschwindigkeiten zu schützen. Ein zylinderförmiger Metallbehälter fängt dazu bereits Deformationsenergie auf – er absorbiert wie der Schnabel schon einen Teil der auftretenden Schwingungen. Da sich der Zylinder beim Aufprall aber auch noch verformt, schützt er zusätzlich wie eine vorgelagerte Knautschzone. An seiner Innenwand folgen je eine Gummi- und eine Aluminiumschicht, die noch vorhandene Belastungen weiterleiten und verteilen sollen wie Zungenbein und Flüssigkeit im Vogelschädel, so dass sie nicht konzentriert auf einen Punkt wirken. Dicht gepackte millimetergroße Glaskügelchen schirmen schließlich das darin eingebettete Elektronikbauteil endgültig vor möglichen Schäden ab.
Im Experiment – bei dem die beiden Physiker ihre Prototypen mit einem Luftgewehr gegen eine Aluminiumwand schossen – überstanden die Versuchsgegenstände Belastungen bis zum 60 000-Fachen der Erdbeschleunigung praktisch völlig unbeeinflusst: Moderne Flugschreiber mit ihren Kunstharzmänteln sind dagegen nur bis zum 1000-Fachen wirklich geschützt. Neben der Luftfahrt sehen die beiden Ingenieure auch noch Einsatzmöglichkeiten in der Raumfahrt, wo ihr Absorber sensible Technik vor umherfliegendem Weltraumschrott schützen könnte. Und auch die Autoindustrie könnte Interesse zeigen – nicht nur um empfindliche Bordelektronik zu schützen, sondern auch um neue Stoßdämpfer zu entwickeln, die die auftretenden Belastungen in Antriebsenergien umzuwandeln. (dl)
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