Wie Insekten beim Fliegen Kollisionen überstehen

Faszination Technik Wie Insekten beim Fliegen Kollisionen überstehen

30.03.2021Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die flexible Flügelstruktur von Insekten.

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Christian-Albrechts- Universität zu Kiel

Insekten kollidieren während des Fluges etwa einmal pro Sekunde mit kleinen Hindernissen wie Blüten, Blättern oder Ästen, ohne dabei größeren Schaden zu nehmen.
(Bild: Stanislav Gorb)

Sich ständig stoßen ohne sich etwas zu brechen – das können Insekten. Warum ihre zarten Flügel dabei nicht kaputt gehen, wird am Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) untersucht.

Technische Konstruktionen erfüllen in der Regel nur eine der beiden Eigenschaften: Entweder sie halten große Traglasten aus, wie stabil tragende Bauteile in Gebäuden, oder sie geben bei äußeren Einwirkungen wie einem Zusammenstoß flexibel nach, um nicht zu zerbrechen. Ließen sich beide Fähigkeiten kombinieren, könnten effiziente technische Strukturen entwickelt werden, die ihre Formbarkeit den jeweiligen Anforderungen flexibel anpassen.

Was die ingenieurwissenschaftliche Forschung zurzeit noch beschäftigt, haben Insekten bereits perfektioniert: Dank eines besonderen Aufbaus können ihre Flügel verschiedene Flexibilitätsgrade einnehmen, je nachdem was die jeweilige Situation erfordert

Professor Stanislav Gorb, Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ an der CAU

Die drei Besonderheiten der Flügelstruktur

Anhand von Libellenflügeln brachten die WissenschaftlerInnen erstmals drei Elemente in der Flügelstruktur und ihre Funktionen in einen Zusammenhang: flexible Gelenke, mechanische Stopper und Abknickbereiche. Libellenflügel bestehen aus Adern, zwischen denen eine Membran gespannt ist. Winzige Gelenke verbinden die einzelnen Adern und ermöglichen so, dass sich die Flügel unter geringer Last verbiegen können. Bei stärkerer Belastung wird diese Bewegung von mikroskopisch kleinen Stacheln gestoppt, die an den Mikrogelenken sitzen. Diese Stopper stützen die Flügel nun gegen die Belastung von außen. Und schließlich können bei einem Zusammenstoß mit einem Hindernis spezielle Bereiche am Flügelende für kurze Zeit reversibel einknicken.

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Übertragung auf ein Flugzeugmodell

Um zu prüfen, ob ihre Theorie über die Konstruktionsstrategien der Insektenflügel auch einer praktischen Anwendung standhält, wendeten die WissenschaftlerInnen diese auf ein 8 x 5 Zentimeter großes und 3,8 Gramm schweres Flugzeugmodell an. Sie druckten es per 3D-Druck aus PLA / PLH-Filament und unterzogen es verschiedenen Kollisionsexperimenten mit Hindernissen und im freien Fall (siehe Video):

Es zeigte sich, dass die Flügel die Zusammenstöße überstanden, während auf herkömmliche Weise konstruierte Flugzeugmodelle zerbrachen. Zusätzlich testeten sie leicht abgewandelte Konstruktionen, bei denen sie jeweils eines der drei Konstruktionselemente wegließen. Die Experimente bestätigen, dass es alle drei Elemente in Kombination braucht. Zentraler Aspekt sei, dass die Strategien bereits im Aufbau der Flügel integriert sind und autonom funktionieren, ohne zusätzliche Energie aktiv einbringen zu müssen. Solche Erkenntnisse aus der Biologie könnten helfen, technische Systeme zu konstruieren, die sich selbstständig an extreme oder unvorhergesehene Situationen anpassen, heißt es.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht. Zur Originalpublikation Triple Stiffness: A Bioinspired Strategy to Combine Load-Bearing, Durability, and Impact-Resistance

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