Was Insektenflügel zum Vorbild für die Konstruktion machen könnte

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Die Flügel machen gerade einmal zwei Prozent der gesamten Masse eines Insektenkörpers aus und sind dennoch sehr stabil und gleichzeitig flexibel. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben untersucht, was für eine solche Flügelstruktur notwendig ist, und die Erkenntnisse auf ein Flugzeugmodell übertragen.

• Technische Konstruktionen halten in der Regel entweder große Traglasten aus, oder sie geben bei äußeren Einwirkungen wie einem Zusammenstoß flexibel nach, um nicht zu zerbrechen.

• Insektenflügel kombinieren die beiden Fähigkeiten und können sie je nach Umgebungsbedingungen dosieren.

• Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben untersucht, wie eine solche stabile und gleichzeitig flexible Flügelstruktur möglich ist.

• Sie haben die zugrunde liegenden Konstruktionsstrategien auf ein Flugzeugmodell übertragen.

Bienen auf Nahrungssuche kollidieren während des Fluges etwa einmal pro Sekunde mit kleinen Hindernissen wie Blüten, Blättern oder Ästen, ohne dabei größeren Schaden zu nehmen. Gleichzeitig wirken verschiedene aerodynamische Kräfte auf ihre Flügel, die sie mühelos aushalten – dabei machen die zarten Gebilde gerade einmal zwei Prozent der gesamten Masse eines Insektenkörpers aus. Wie die Insektenflügel diesen unterschiedlichen Anforderungen standhalten, ohne zu zerbrechen, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einem Artikel in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Advanced Science zeigen sie mehrere Besonderheiten in der Flügelstruktur auf, dank derer sie sowohl stabil als auch flexibel sind und sich so an unterschiedliche Belastungen anpassen können. Langfristig könnten diese Konstruktionsstrategien auch technische Anwendungen in der Robotik, Luftfahrt oder Biomedizin widerstandsfähiger machen, so die Forschenden.

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. Bisherige Ansätze dazu sind jedoch oft kompliziert und kostenintensiv und eignen sich so kaum für breit eingesetzte Anwendungen.

Insektenflügel ermöglicht flexible Anpassung an verschiedene Belastungssituationen

„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“, fasst Professor Stanislav Gorb von der Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ an der CAU das Ergebnis der Studie zusammen. Bisher standen häufig aerodynamische Aspekte im Fokus biologischer Forschung zu Insektenflügeln.

Das Forschungsteam vom Zoologischen Institut nahm jedoch den Aufbau der Insektenflügel genauer in den Blick. Anhand von Libellenflügeln brachten sie erstmals drei Elemente in der Flügelstruktur und ihre Funktionen in Verbindung. Gemeinsam sorgen diese dafür, dass Kollisionen und Windkräfte während des Fluges Insekten nichts anhaben können: 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. „Dank dieser drei Strukturen sind Insekten in der Lage, ihre Flügeleigenschaften anzupassen und so mehrere Funktionen gleichzeitig zu erfüllen, sagt Doktorand Ali Khaheshi, Erstautor der Studie.

Flügelstrategien auf Flugzeugmodell übertragen

Doch das Forschungsteam ging noch einen Schritt weiter: Um zu prüfen, ob ihre Theorie über die Konstruktionsstrategien der Insektenflügel auch einer praktischen Anwendung standhält, wendeten sie diese auf ein 8x5 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. Es zeigte sich, dass diese 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. „Diese Experimente bestätigen, dass es alle drei Elemente in Kombination braucht“, sagt Ingenieur und Materialwissenschaftler Khaheshi. Das könnte auch mit anderen, qualitativ hochwertigeren Materialien funktionieren, vermuten die drei Forscher.

Zentraler Aspekt ist, 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 uns dabei helfen, technische Systeme zu konstruieren, die sich selbstständig an extreme oder unvorhergesehene Situationen anpassen – zum Beispiel in Umgebungen, in denen der Mensch nicht aktiv eingreifen kann, wie bei Weltraummissionen“, sagt Dr. Hamed Rajabi.

Bild oben: Insgesamt drei Elemente in der Struktur von Insektenflügeln sorgen dafür, dass Kollisionen und Windkräfte während des Fluges ihnen nichts anhaben können: flexible Gelenke, mechanische Stopper und „Abknickzonen“. © Hamed Rajab

Originalpublikation: Triple Stiffness: A Bioinspired Strategy to Combine Load-Bearing, Durability, and Impact-Resistance. Ali Khaheshi, Stanislav Gorb, Hamed Rajabi, Adv. Sci. 2021, 2004338, 18 March 2021, DOI: 10.1002/advs.202004338, https://doi.org/10.1002/advs.202004338

Weitere Informationen: https://www.uni-kiel.de/de/ und https://www.kinsis.uni-kiel.de/de

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