Bionik: Mobile Systeme M. Sc.

Lokomotion der Tiere (Laufen): Biologische Antriebs- und Fortbewegungssyteme auf allen Skalierungsebenen (vom Einzeller zum Vertebraten), Form-Funktions-Abhängigkeiten, Eigenschaften der “Baumaterialien” (Knochen, Sehnen, Muskeln), Systemimmanenzen, Muskelfasertypen, neurophysiologische Einheit, neuronale Kontrollmechanismen und Sensoreinheiten, Terrestrische Fortbewegungstypen: “Bein-gestütze” Lokomotion (2-, 4-, 6- 8-beinig) versus Kriechen, Gangarten.

Biomechanik (Terrestrik): Skalierungseffekte und -Grenzen, Widerstands-Faktoren, Boden-Reaktionskräfte, Kräfte und Momente, Hill´sche Gleichung, Einsatzoptionen und -Limitationen von Kraftplattformen, Schrittphasen (Stand-/ Schwungbein), Schrittfrequenz, -aplitude, Froude-Zahl, Bewegungseffizienz. Interpretation von Messkurven, Ausleitung von bionischen Übertragungsoptionen (Robotik)

Analyse der menschlichen Fortbewegung mittels Videoanalyse und Kräftemessungen inkl. Auswertung der Videodaten durch Digitalisierung der Bewegungskinematik, der Berechnung von biomechanischen Parametern und Ermittlung abgeleiteter Werte (Beschleunigungen, Trägheitsmomente etc.). Methode der inversen Dynamik zur Bestimmung von Kräfte- und Momentenfluss im menschlichen Körper. Grundlagen der menschlichen Anatomie und Physiologie, im speziellen zur Ermittlung anthropometrischer Komponenten. Eine umfangreiche Einführung in die automatisierte und programmierte Datenauswertung, inkl. Anwendung von Programmen zur Videoanalyse (u.a Scilab, ffmpeg, ImageJ), Aufbereitung und Digitalisierung. Interpretation und Bedeutung für bio-inspirierte Systeme in der Robotik, Medizintechnik und Bionik.

Räumliche Kinematik & Kinetik, mathematische Modelle und Ersatzsysteme für Bewegungsabläufe biologischer und technischer Systeme. Anwendung von Mehrkörper-Simulationssystemen in Analyse & Synthese, Überprüfung der Umsetzbarkeit in der Wertschöpfungskette der Bionik.

Overview on the process of computational fluid dynamics, conservation equations in differential form, meshes, spatial and temporal discretisation of conservation equations with a focus on finite volumes, solution of equation systems, solution algorisms for Navier-Stokes equation of incompressible fluids, set-up of different CFD cases for laminar flows, visualisation and interpretation of results

Projektdesign: Kommunikations- & Informationsmanagement, Interpretation & Bewertung wissenschaftl. Textquellen (inkl. Patente), Kreativitätstechniken (6-3-5-Methode, Brainsketching), Formulieren von wissenschaftl. Hypothesen, Aspekte adäquaten Versuchsdesign, stat. Analyse- und Bewertungsverfahren, Interpolation- u. Prognosetools, Befundbewertung, Abstraktionsverfahren in der Bionik; bionischer Designprozess, Diskussionspraxis. Einführung in die Marktanalyse und die inhaltsrelevante Technikfolge-abschätzung, Parameter zur Nachaltigkeitsbewertung.

Exkursion: Exkursionen zu relevanten Betrieben, Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen sowie zu biologischen Institutionen und Forschungsstationen. Teilnahme an adäquaten wissenschaftlichen Veranstaltungen und Meetings.

Lokomotion der Tiere (Fliegen & Schwimmen): Reynoldszahl-Abhängigkeit, Form-Funktions-Beziehung, hydrostatischer Auftrieb, aktive u. passive Widerstandsbeeinflussung, alternative Antriebsmechanismen, Froude-Efficency, funktionale Oberflächen, "biol. AUVs": Drafting, Draining, Tuning; aquatische Sensorik, Mobilität als Erfolgsstrategie, Gleit-, Schlag-, Segelflug, biol. Tragflächen, leading- u. trailing-edge-Effekte, instationäre Effekte: wake cupture, clap-and-fling; Start- u. Landevorgänge, Ultraleichtbau und Hochauftriebsstrukturen, biol. Effizienzstrategien, Anwendungspotenziale, "biol. MAV´s",

Biomechanik (Aero- & Hydrodynamik): Tragflügeltheorie, Widerstandskomponenten, Grenzschichtphänomene, no-slip-condition, Kutta-Bedingung, Magnus- Effekt, Turbulenzgrad, Stromlinien, Grenzschichteffekte, stationäre u. instationäre Aerodynamik bei Vögel und Fledermäusen; Strömungssichtbarmachung (LDA, DPIV), Nachlaufphänomene, Vortex-Ring Modelle, Kármán-Wirbelstrasse, Reynolds-Zahl, Froude-Zahl, Rohr- u. Kanalströmungsphänomene, Rheologie; Funktionsgrundlagen Autonomer Unterwasserfahrzeuge (AUV), Chancen und Grenzen der Übertragbarkeit
 

Durchführung von Experimenten an Wind- und Wasserkanal unter Einsatz von Kraftmessungen (Auftriebs-, Widerstands-Kräfte) sowie Strömungsvisualisierungen (Laser-Messtechnik, DPIV), Auswertung komplexer Daten unter Anwendung adäquater Software-Tools, Befundausleitung und kritische Interpretation, Erstellung von Modellen (2D, 3D) zur aerodynamischen bzw. aquatischen Analyse unter Anwendung von 3D-Druckverfahren. Entwicklung eines bio-inspirierten Flügel- / Flossen-Modells als Antriebseinheit für technische Fortbewegungssysteme nach Ausleitung aus dem bionischen Suchprozess. Vergleich der messtechnischen Resultate mit Literaturwerten und deren kritische Diskussion.

Dimensionslose Grundgleichungen und Kennzahlen, Statik der Fluide, Stromfadentheorie, vollausgebildete Strömungen, schleichende Strömungen, Wirbeltransportgleichung und Wirbelsätze, Potentialtheorie, Grenzschichttheorie, Turbulenz, Lokomotion von Körpern in Fluiden in Natur und Technik

Introduction to Computational Fluid Dynamics (CFD) and numerical simulation of turbulent flows, Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS: Reynolds averaging, Boussinesq hypothesis, two equation models, Reynolds-stress models, boundary conditions), Large Eddy Simulation (LES: filtering, filtered momentum equation, modelling of small grid scale tensor, wall treatment), Direct Numerical Simulation (DNS), set-up of CFD cases for turbulent flows, visualisation and interpretation of results

Problemanalyse, Informationsbeschaffung und -bewertung; Marktanalyse, bionischer Designprozess (Bio-Push, Techno-Pull), Kundenorientierung (Pflicht- und Lastenheft), Entscheidungsmatrix, Versuchsdesign inkl. Messtechnik; Auswahl der Verfahren zur Datenanalyse und -darstellung; Messwertaufnahme; funktionsadäquate Werkstoffcharakteristik, problemrelevanter Einsatz von CAD-Modellierung, MKS und / oder CFD-Simulation versus Experimentalansätzen; Ergebnisbewertung, Transferanalyse in technische Anwendungen, Prototyping (RPT), Zeit- und Ressourcenmanagement

Wahlmodule bieten den Studierenden die Möglichkeit, Lehrinhalte aus einer fachübergreifenden Angebotspalette auszuwählen, die nicht Teil des Pflichtprogramms, jedoch Teil des Ausbildungsziels des Studiengangs sind. In Betracht kommen insbesondere interdisziplinäre Projekte, wissenschaftliche Sonderthemen, Exkursionen und weitere Angebote zur Erlangung personaler Kompetenzen (Schlüsselkompetenzen)

In der wissenschaftlichen Abschlussarbeit, der Master Thesis, zeigt die:der Studierende ihre:seine Fähigkeit, ein wissenschaftliches Thema der Bionik auf Master-adäquatem Niveau zu erarbeiten. Dies geschieht neben dem Selbststudium auch in Beratungsgesprächen mit der:dem Prüfenden und in den regelmäßig stattfinden den Seminaren mit dem:r betreuenden Professor:in, in dem die Studierenden ihre gewählte Methodik sowie den Bearbeitungsstand jeweils referieren und kommentieren. Das Seminar soll eine geordnete Bearbeitung und gezielte Betreuung ermöglichen.