VDI 6221 Blatt 1-2013 Biomimetics - Biomimetic surfaces.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREBionikBionische OberflchenBiomimeticsBiomimetic surfacesVDI 6221Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch BionikVDI-RICHTLINIENDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 07.080 September 2013The German version of this standard sh

2、all be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Normative Verweise . . . . . .

3、 . . . . . . . . 33 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Beispiele fr bionische Oberflchensysteme. 54.1 Fluiddynamik . . . . . . . . . . . . . . . 64.2 Adhsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Anti-Adhsion . . . . . . . . . . . . . . . 104.4 Festkrperreibung . . . . . . . . .

4、 . . . . 104.5 Optische Effekte . . . . . . . . . . . . . . 114.6 Thermoregulation . . . . . . . . . . . . . 124.7 Wasserregulation. . . . . . . . . . . . . . 124.8 Elektrische Effekte. . . . . . . . . . . . . 134.9 Katalytische Effekte durch organische Molekle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5、.10 Nicht katalytische Effekte durch organische Molekle. . . . . . . . . . . . 145 Grundlage des Verfahrens . . . . . . . . . . . 145.1 Ideenfindung . . . . . . . . . . . . . . . . 145.2 Biology-Push-Prozess des bionischen Arbeitens . . . . . . . . . . . . 155.3 Technology-Pull-Prozess des bionische

6、n Arbeitens . . . . . . . . . . . . 165.4 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.5 Abstraktion und Analogie. . . . . . . . . . 185.6 Von der Planung bis zur Invention . . . . . 185.7 Kommunikationsprozess im bionischen Arbeiten . . . . . . . . . . . . . 186 Kriterien . . . . . . . . . . .

7、 . . . . . . . . . . 19Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Normative references . . . . . . . . . . . .

8、. 33 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 34 Examples of biomimetic surface systems . . 54.1 Fluid dynamics . . . . . . . . . . . . . . 64.2 Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Anti-adhesion . . . . . . . . . . . . . . . 104.4 Solid body friction . . . . . . . . . . . . 104.5

9、Optical effects . . . . . . . . . . . . . . . 114.6 Temperature regulation . . . . . . . . . . 124.7 Water regulation. . . . . . . . . . . . . . 124.8 Electrical effects. . . . . . . . . . . . . . 134.9 Catalytic effects of organic molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.10 Non-catalytic eff

10、ects of organic molecules . . . . . . . . . . . . . 145 Basis of the process . . . . . . . . . . . . . . 145.1 Development of new ideas . . . . . . . . . 145.2 Biology push process of biomimetic development . . . . . . . . . . 155.3 Technology pull process of biomimetic development . . . . . . . . .

11、 . 165.4 Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.5 Abstraction and analogy . . . . . . . . . . 185.6 From the planning to the invention . . . . . 185.7 Communication process in biomimetics . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Bibliography

12、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20VDI-Gesellschaft Technologies of Life Sciences (TLS)Fachbereich BionikZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2013Vervielfltigung auchfr innerbetriebli

13、cheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF87D9NormCD - Stand 2013-09Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 2 VDI 6221 Blatt 1 / Part 1VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden un

14、ter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrecht

15、s und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufba

16、r unterwww.vdi.de/6221.EinleitungBionik ist die interdisziplinre Zusammenarbeit vonBiologie und Technik mit dem Ziel durch Abstrak-tion, bertragung und Anwendung von Erkenntnis-sen aus biologischen Vorbildern, technische Frage-stellungen zu lsen (VDI 6220 Blatt 1).Im technischen Bereich sind Grenzsc

17、hichtfunktiona-lisierungen essenzieller Bestandteil einer sehr breitenProdukt- und Anwendungspalette. Dies gilt im ber-tragenen Sinne auch fr biologische Grenzflchen,die sich zudem hufig durch Multifunktionalitt aus-zeichnen. Oftmals werden unterschiedlichste Eigen-schaften und Funktionen an diesen

18、Schnittstellen rea-lisiert. Die Vorgnge an den inneren Grenzflchen ei-nes Organismus, den Membranen, sind meist chemi-scher bzw. elektro-chemischer Natur. An den uerenGrenzflchen lassen sich neben chemischen vor al-lem physikalische Effekte aufzeigen. Hierzu zhlenSelbstreinigung, Reduktion oder Erhh

19、ung des Rei-bungswiderstands, Minimierung des Brechungsinde-xes, Verdunstungsschutz, Stoff- und Gasaustausch,Thermoregulation und Isolation, Kommunikation,Pathogenabwehr, UV-Resistenz, Adhsion wie Ad-hsionsvermeidung. Oft lsst sich hierbei zeigen,dass diese Funktionen und Effekte durch mikro- undnan

20、oskopisch strukturierte Differenzierungen bzw.Eigenschaftsgradienten erzeugt werden. Demnachergibt sich die Eigenschaft aus der adquaten Einstel-lung von Strukturdimension und -geometrie und me-chanischer Werkstoffeigenschaft der jeweiligenGrenzflche(n).Aus dem Bereich der Bionik sind hier der Rible

21、t-effekt (Beeinflussung der festkrpernahen Fluid-schicht bzw. der dort induzieren Widerstandskompo-Preliminary noteThe content of this standard has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of repri

22、nting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this standard without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI Notices (www.vdi.de/richtlinien)

23、.We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this standard.A catalogue of all available parts of this series ofstandards can be accessed on the internet atwww.vdi.de/6221.IntroductionBiomimetics is defined as the interdisciplinary coop-eration of biology and technology with the

24、 goal ofsolving technical problems through the abstraction,transfer, and application of knowledge gained frombiological models (VDI 6220 Part 1).In the field of technology, boundary layer functional-izations are an essential part of a very wide range ofproducts and applications. In a broader sense,

25、thisalso applies to biological boundary surfaces, whichare also often characterized by multifunctionality. Inmany cases, a wide variety of different properties andfunctions are realized on these surfaces. The eventstaking place on the inner boundary surfaces of an or-ganism, the membranes, are usual

26、ly of a chemical orelectrochemical nature. Physical effects are the pri-mary effects found on the outer boundary surfaces, inaddition to chemical effects. Such physical effects in-clude self-cleaning, reducing or increasing the resist-ance to friction, minimizing the index of refraction,protection a

27、gainst evaporation, exchanging materialsand gases, temperature regulation and insulation,communication, defense against pathogens, resist-ance to UV light, adhesion, and adhesion prevention.It can often be shown in these cases that these func-tions and effects are created by microscopic and na-nosco

28、pic structural differences and property gradi-ents. Consequently, a given property arises by corre-spondingly adjusting the dimension and geometry ofstructures and the mechanical material properties ofthe particular boundary surface(s).In the field of biomimetics, the riblet effect (which re-sults f

29、rom influencing the fluid layer close to thesolid body or the resistance components inducedB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF87D9NormCD - Stand 2013-09All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 VDI 6221 Blatt 1 / Part 1 3 nente durch Mikrotopografien) und der Lotus-

30、Ef-fect (Selbstreinigung durch die Interaktion von Mi-krorauigkeiten und Werkstoffeigenschaften) am be-kanntesten. Dabei offerieren strmungsbeeinflus-sende Effekte fr Transport- und Fortbewegungssys-teme energetisches Sparpotenzial. Auch im Bereichder Adhsionsreduktion bzw. -erhhung lassen sichvielf

31、ltige Anwendungen aus der Bionik heraus er-warten. Nicht minder breit drfte das Einsatzspekt-rum im Thermobereich, wie in der Interaktion mitden unterschiedlichsten Spektralbereichen elektro-magnetischer Strahlung sein. Aktuell nur marginalabschtzbar drfte das Potenzial von Mehrfach-Funktionalisieru

32、ngen sein.1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie dient Produkt- bzw. Technologieent-wicklern, die ihre Mglichkeiten und Leistungsfhig-keiten durch Anwendung von biologischen Prinzi-pien erweitern mchten. Diese Prinzipien zeichnensich durch den Erfahrungsschatz von Jahrmillionenalten Entwicklungsprozess

33、en aus (Evolution). Diekreative Anwendung von diesen Prinzipien kann be-reits bestehende Anwendungen optimieren, die Ent-wicklungszeiten drastisch verkrzen und neue Such-felder und Entwicklungsrichtungen erffnen.2 Normative VerweiseDas folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlin

34、ie erforderlich: VDI 6220 Blatt 1:2012-12 Bionik; Konzeption undStrategie; Abgrenzung zwischen bionischen undkonventionellen Verfahren/Produkten3 BegriffeFr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Be-griffe nach VDI 6220 Blatt 1 und die folgenden Be-griffe:BioadhsionVerwendung adhsiver Sekretione

35、n von Organismenfr deren Haftung, Aufbau, Verschluss, Verteidigungund Beutefang. Anmerkung: Die natrlichen Klebstoffe werden in Wasserlebens-rumen (Fische, Muscheln, Gliederfer, Wrmer, Bakterien, Al-gen, Pilze etc.) und Landlebensrumen (Amphibien, Gliederfer,Schnecken etc.) erzeugt und zeichnen sich

36、 durch eine zuverlssigeWirksamkeit auch auf nassen und schmutzigen Oberflchen aus.Sie basieren meist auf Polymeren, wie Proteinen oder Polysaccha-riden, und sind aufgrund ihrer Biokompatibilitt und Wirksamkeitin feuchter Umgebung von grtem medizinischem Interesse (sieheauch Abschnitt 4.2 und 1).ther

37、e through microtopographies) and the Lotus-Ef-fect (self-cleaning through the interaction of a mi-crorough surface and the material properties) are themost well-known effects. These effects, which influ-ence the flow of fluids, have the potential to save en-ergy when applied to transportation and mo

38、tion sys-tems. Numerous applications of biomimetics can alsobe expected in the area of increasing and reducing ad-hesion. The range of possible thermo applications isjust as wide, if not wider, which also applies to appli-cations utilizing the interaction of surfaces with a va-riety of different spe

39、ctral ranges of electromagneticradiation. The potential for multiple functionaliza-tions is only marginally estimable at the present time.1 ScopeThis standard is intended for product and technologydevelopers who want to expand their possibilities andincrease their efficiency through the application

40、of bi-ological principles. These principles are character-ized by the treasure trove of experience gained fromdevelopment processes that are millions of years old(evolution). The creative application of these princi-ples can be used to optimize existing applications,drastically reduce development ti

41、mes, and open upnew areas of study as well as new strategies in devel-opment.2 Normative referencesThe following referenced document is indispensiblefor the application of this standard: VDI 6220 Part 1:2012-12 Biomemetics; Conceptionand strategy; Differences between biomimetic andconventional metho

42、ds/products3 Terms and definitionsFor the purposes of this standard, the terms and defi-nitions as per VDI 6220 Part 1 and the followingterms and definitions apply:BioadhesionUse of adhesive secretions by organisms for the pur-pose of bonding, fabricating structures, sealing, de-fense, and capturing

43、 prey. Note: The natural adhesives are created in aquatic habitats (fish,mussels, arthropods, worms, bacteria, algae, fungi, etc.) and in ter-restrial habitats (amphibians, arthropods, snails, etc.) and are char-acterized in that they remain reliable and effective even on wet anddirty surfaces. They

44、 are usually based on polymers such as proteinsor polysaccharides and are of great interest to the medical commu-nity due to their biocompatibility and effectiveness in humid envi-ronments (see also Section 4.2 and 1).B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF87D9NormCD - Stand 2013-09Alle Rechte vo

45、rbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 4 VDI 6221 Blatt 1 / Part 1Bionisches OberflchensystemOberflchensystem, das mageblich die biologische/bionische Funktion bestimmt.Anmerkung: Dies beinhaltet Grenzflchen und hier insbesondereOberflchen. Damit ist ein Bereich eines physikalisc

46、hen Krpers/Organismus an der Phasengrenze zum umgebenden Raum gemeint,der sich in seiner Zusammensetzung, Struktur (Form, Geometrie,Topografie) und Funktion deutlich vom Kern des physikalischenKrpers unterscheidet.BiotribologieErforschung der Reibung, Adhsion und des Ver-schleies biologischer System

47、e und Anwendung desgewonnenen Wissens auf das Design technischerSysteme, die Entwicklung von Schmiermitteln undneuer Klebstoffe oder die Konstruktion knstlicherGelenke 2.ChromatophorPigmenthaltige Zellen oder Zellkompartimente (Or-ganellen), die in unterschiedlichen Organismengrup-pen auftreten knne

48、n (Bakterien, Pflanzen, Tiere). Anmerkung: Je nach Art der eingelagerten Pigmente (Carotinoide,Guaninkristallen, Melanine usw.) werden unterschiedliche Typenvon Chromatophoren unterschieden.EvolutionVernderung von vererbbaren Merkmalen einer Popu-lation von Individuen von Generation zu Generation.An

49、merkung: Durch Mutationen im Genom (Erbgut) und Rekom-bination entstehen neue Merkmalsvariationen, die durch natrlicheSelektion und/oder Gendrift in einer Population manifestiert oderreduziert werden knnen.GrenzflcheFlche zwischen zwei Phasen, z.B. die Flche zwi-schen zwei nicht mischbaren Flssigkeiten wie lund Wasser. Anmerkung: Im engeren Sinn werden die Flchen zwischen fls-sigen und festen, flssigen und flssigen, sowie festen und festenPhasen Grenzflchen genan