Research Topics

Die Vielfalt der Bionikkompetenz gebündelt in Bremen

Die Forschung am Bionik-Innovations-Centrum (B-I-C) ist interdisziplinär ausgerichtet und verbindet naturwissenschaftliche, ingenieurtechnische und materialwissenschaftliche Ansätze. In multidisziplinären Teams werden biologische Funktionsprinzipien systematisch analysiert, modelliert und für technische Anwendungen nutzbar gemacht.

Die Arbeit erfolgt in enger Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Ziel ist es, neue Erkenntnisse entlang der jeweiligen Forschungsschwerpunkte zu gewinnen und diese durch anwendungsnahe Forschung in innovative Technologien zu überführen.

Bionik als Motor für zukunftsfähige Technologien

Fluid dynamics

Körper, die von Wasser oder Luft umströmt werden, sind Strömungskräften ausgesetzt, die maßgeblich durch Form und Oberflächenstruktur beeinflusst werden. Die Natur zeigt hierfür hocheffiziente Lösungen: Von reibungsreduzierenden Mikrostrukturen bis zu auftriebserzeugenden Flügelgeometrien liefert sie optimierte Strategien für nahezu jede Strömungssituation.

Die Fluiddynamik ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt am Bionik-Innovations-Centrum. Biologische Vorbilder wie die strukturierte Haihaut, die wasserabweisende Salvinia-Pflanze oder die gefalteten Flügel von Libellen demonstrieren eindrucksvoll, dass scheinbar widersprüchliche Lösungen – etwa strukturierte statt glatte Oberflächen – zu deutlich höherer Effizienz führen können. Diese Prinzipien werden am B-I-C systematisch analysiert und für technische Anwendungen nutzbar gemacht.

Methodisch verbindet das B-I-C experimentelle Strömungsuntersuchungen in der Aero- und Hydrodynamik mit numerischen Simulationen mittels Computational Fluid Dynamics (CFD). In den Creative Labs für Hydrodynamik und Aerodynamik werden reale Strömungsvorgänge präzise vermessen, visualisiert und ausgewertet.

In zahlreichen nationalen und internationalen Forschungsprojekten wurden am B-I-C bereits unter anderem Insektenflügel, Vogelflugkonzepte, Fischantriebe sowie strömungsoptimierte Oberflächenstrukturen untersucht. Die Fluiddynamik ist dabei eng mit weiteren Forschungsschwerpunkten des B-I-C verzahnt und bildet eine zentrale Grundlage für bionisch inspirierte Innovationen in Mobilität, Energieeffizienz und Technologieentwicklung.

Animal locomotion

Organismen bewegen sich in den unterschiedlichsten Lebensräumen mit hoher Effizienz, Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Ihre Fortbewegung – sei es Laufen, Klettern, Kriechen, Schwimmen oder Fliegen – ist über Millionen von Jahren auf minimalen Energieverbrauch optimiert. Form, Oberflächenbeschaffenheit und Bewegungsmechanismen sind dabei entscheidende Faktoren, die maßgeblich über den Aufwand und die Effektivität der Fortbewegung bestimmen.

Am Bionik-Innovations-Centrum werden diese biologischen Prinzipien systematisch analysiert, um neue Antriebskonzepte und energieeffiziente Mobilitätslösungen für technische Systeme zu entwickeln. Ziel ist es, die von der Natur gezeigte Eleganz und Anpassungsfähigkeit in Robotiksysteme, Fahrzeuge oder Micro Air Vehicles (MAVs) zu übertragen.

Ein Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Fortbewegung im Medium Luft. Vogel- und Libellenflügel dienen als Vorbilder: Effiziente Leichtbauweisen, spezielle Flügelgeometrien und markante Strukturen an den Hinterkanten verbessern Auftriebs- und Widerstandsverhalten und inspirieren innovative Tragflächen- und Steuerungskonzepte. Gleichzeitig werden alternative Antriebssysteme und Mechanismen zur Widerstandsminimierung untersucht, um den Energieverbrauch technischer Systeme deutlich zu reduzieren.

Methodisch verbindet das B-I-C experimentelle Untersuchungen der Bewegungsdynamik mit numerischen Simulationen. In den Laboren werden Bewegungsabläufe präzise vermessen, visualisiert und analysiert. So entsteht ein tiefes Verständnis biologischer Strategien, das in nationalen und internationalen Forschungsprojekten erfolgreich in technische Anwendungen überführt wird.

Funktionale Oberflächen

Funktionale Oberflächen aus der Natur bieten ein enormes Innovationspotenzial für technische und nachhaltige Produkte. Am B-I-C werden insbesondere biologische Ober- und Grenzflächen mariner Organismen untersucht, um Klebe-, Haft- und Verbindungsmechanismen zu verstehen und für technische Anwendungen zu nutzen.

Biologische Oberflächen zeichnen sich häufig durch Multifunktionalität aus. Unterschiedliche, teils scheinbar widersprüchliche Eigenschaften werden an diesen Schnittstellen zwischen innen und außen vereint. Zu den untersuchten Funktionen zählen Selbstreinigung, Reibungsmodulation, Verdunstungsschutz, Stoff- und Gasaustausch, Thermoregulation, Isolation, Kommunikation, Pathogenenabwehr, UV-Resistenz sowie gezielte Adhäsion oder deren Vermeidung. Dieses breite Spektrum bietet ein vielfältiges Inspirationsfeld für neue Materialien und Oberflächenkonzepte.

Ein zentraler Forschungsschwerpunkt liegt auf der bio-inspirierten Entwicklung von Antifouling-Systemen, wie sie beispielsweise im Projekt Haihaut 2.0 umgesetzt wurden. Weitere Studien untersuchten das klebstofffreie Haftsystem von Spinnen sowie von marinen Makroalgen. Aktuell liegt der Fokus auf der Salvinia-Pflanze, deren Oberflächen Luft halten und so die Reibung zum Medium Wasser deutlich reduzieren können. Auf dieser Grundlage wurden in dem EU-Projekt AIRcoat luft-haltende Oberflächen entwickelt und erprobt, um Reibung an Schiffrümpfen zu minimieren. Darauf aufbauend untersucht das BMBF-Projekt AIRtube, inwieweit auch die strömungsmechanischen Eigenschaften von Innenoberflächen in Rohren und Schläuchen optimiert werden können.

Leichtbau, Konstruktion & Optimierung

Biologische Konstruktionen und Strukturen zeichnen sich durch enorme Belastbarkeit bei minimalem Materialeinsatz aus und dienen als ideale Vorbilder für den Leichtbau. Am B-I-C werden diese Prinzipien systematisch untersucht, um effiziente, robuste und ressourcenschonende Bauteile zu entwickeln. Numerische Simulationsverfahren und Optimierungsalgorithmen ermöglichen die Übertragung biologischer Konstruktionen auf unterschiedliche Maßstäbe und Anwendungsbereiche.

Im Fokus stehen sowohl die Analyse der natürlichen Konstruktionsvorgänge als zielgerichteter Prozesse als auch die Abstraktion biologischer „Arbeits“-Methoden wie das Wachstum von Bäumen oder Knochen. Diese Konzepte, bekannt als CAO (Computer-Aided Optimization) und SKO (Struktur-Konstruktive Optimierung), erlauben die Herstellung von Bauteilen, die bei gleicher Tragfähigkeit deutlich leichter sind.

Ein zentrales Forschungsfeld im Rahmen der „Technology Push“-getriebenen Arbeit am B-I-C ist die Untersuchung mechanischer Eigenschaften von Insekten. So wurde beispielsweise das Außenskelett der Insekten, die Kutikula, als hochkomplexes, mehrschichtiges Faserverbundmaterial analysiert. Die spezifische Anordnung der Materialien verleiht den Organismen bei Landevorgängen eine hohe Belastbarkeit und ermöglicht gleichzeitig leichte Strukturen, die ihre Flugfähigkeit unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse eröffnen vielfältige Übertragungsmöglichkeiten in technische Anwendungen – von robusten Landeeinrichtungen für extraterrestrische Exploration bis hin zu stoßfesten Verpackungen für Transportgüter unterschiedlichster Größe und Empfindlichkeit.

Organisation & Logistik

In enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern und den Wirtschaftswissenschaften analysiert das B-I-C biologische Systeme im Hinblick auf Effizienz, Resilienz, Selbstorganisation und adaptive Steuerung – und macht diese Potenziale für Unternehmen nutzbar.

Biologische Vorbilder zeigen, wie komplexe Prozesse durch intelligente Kommunikation, dezentrale Steuerung und flexible Arbeitsabläufe stabil und effizient koordiniert werden können. Diese Mechanismen übertragen wir auf unternehmerische Fragestellungen, etwa zur Optimierung von Produktionsprozessen, interner Kommunikation oder globaler Lieferketten. So lieferte beispielsweise die Analyse der Organisationsstrukturen sozialer Insekten wertvolle Impulse für die Entwicklung praxisnaher Kommunikations- und Steuerungskonzepte in Unternehmensworkshops.

Ein besonderer Fokus liegt auf der nachhaltigen Gestaltung global verteilter Wertschöpfungsketten. Vor dem Hintergrund steigender Komplexität, Ressourcenknappheit und Klimazielen entwickeln wir gemeinsam mit Industriepartnern bionisch inspirierte Lösungsansätze für robuste, transparente und ressourceneffiziente Liefer- und Informationsflüsse. Unsere Forschungsinspiration reicht dabei von molekularen Steuerungsprozessen bis hin zu hochkomplexen Ökosystemen als Vorbilder für vernetzte Wirtschaftssysteme.

In erfolgreichen Industriekooperationen – unter anderem mit dem Unternehmen Tchibo – konnten bionische Methoden direkt in konkrete betriebliche Maßnahmen überführt werden. Das gemeinsam am B-I-C entwickelte Vorgehensmodell dient heute als praxisnaher Leitfaden für weitere Projekte zur nachhaltigen Optimierung von Organisations- und Logistikprozessen.

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Biological Materials

In der Arbeitsgruppe Biological Materials dienen natürliche Materialsysteme als Ausgangspunkt für hochinnovative Verbundwerkstoffe mit vielseitigem technischem Einsatzpotenzial.

Biologische Strukturen und Biomechanik

In der Arbeitsgruppe Biologische Strukturen und Biomechanik wird die Arthropoden-Kutikula als vielseitiges biologisches Verbundmaterial erforscht – von ihrer biologischen Funktion über ihre mikroskopische Mechanik bis zur Entwicklung neuartiger, kutikula-inspirierter Werkstoffe mittels Nanotechnologie.

Ausgewählte Forschungsberichte

Forschen. Entwickeln. Abheben.

Promotion

Aktuell bietet die Bionik in Bremen eine Promotionsstelle im Rahmen des EU-geförderten Verbundprojekts Nature4Nature im Bereich der Strömungssimulation an. Weltweit werden in diesem Projekt acht Doktorand:innen an elf Standorten in der bionischen Entwicklungsmethodik ausgebildet – in interdisziplinären Teams aus Biolog:innen, Ingenieur:innen, Designer:innen und Industriepartnern. Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung bioinspirierter Filtersysteme zur Reinigung der Meere, die Naturprinzipien gezielt für nachhaltige technische Anwendungen nutzbar machen.

Weiterhin ist es möglich, in den Arbeitsgruppen der Bionik individuell kooperativ in unterschiedlichen Projekten zu promovieren. Sprechen Sie hierfür die AG leitenden Professor:innen an.