Form und Funktion

Hintergrund und Motivation
Kieselalgen, eine Klasse des Phytoplanktons, sind marine Mikroorganismen, die sich durch verkieselte, harte Schalen und Skelette mit hochkomplexen Aufbau auszeichnen. Diese Morphologien wurden durch den selektiven Druck geformt, dem die Organismen während ihrer Evolutionsgeschichte ausgesetzt waren.
Die Herstellung einer Beziehungen zwischen den entsprechenden biologischen Strukturen und deren mechanischen Funktionen wird nicht nur das Wissen über diese Organismen und den evolutionären Druck, der sie geformt hat, erweitern, sondern würde es Ingenieuren ermöglichen, die entdeckten biologischen Prinzipien zur Lösung analoger, technischer, menschlicher Herausforderungen einzusetzen.

Ziele
Durch computergestütztes Design und Simulationen zielt diese Arbeit darauf ab, die Verbindungen zwischen den natürlich vorkommenden, komplizierten Planktongeometrien und ihren mechanischen Funktionen aufzudecken. Im Wesentlichen werden die Ergebnisse eines zweistufigen Ansatzes dazu beitragen, das allgemeine Verständnis von Phytoplanktonorganismen zu verbessern und gleichzeitig helfen, bioinspirierte funktionale Designstrategien zu entwickeln, die effizient auf moderne technische Anwendungen und Designtechnologien übertragen werden können.

Vorgehen
Es wird ein systematischer Ansatz zur Verknüpfung der Morphologie von Diatomeen mit ihren mechanischen Funktionen entwickelt. Dieser Ansatz wird zwei verschiedene Stufen umfassen. Zuerst wird eine Sammlung von Merkmalen zusammengestellt, von denen erwartet wird, dass sie zur mechanischen Leistung beitragen. Abstraktionen dieser Merkmale werden modelliert und in einen rechnergestützten Prozess eingegeben, der automatisch verschiedene Merkmale für unterschiedliche mechanische Belastungsbedingungen bewertet. Basierend auf den Ergebnissen dieser allgemeinen Bewertung wird eine zweite Stufe durchgeführt, die eine tiefergehende Bewertung beinhaltet. Wenn ein bestimmtes Merkmal häufig vom numerischen Algorithmus ausgewählt wird, um einen bestimmten Lastfall zu berücksichtigen, wird dieses spezifische Merkmal zusätzlich für diesen spezifischen Lastfall sorfgältig untersucht.

Abschlussarbeiten
Im Rahmen dieses Projekts können Abschlussarbeiten durchgeführt werden. Initiativbewerbungen nehmen wir gerne an und können an Sandra Coordes gerichtet werden. Wichtig ist uns, dass aus der Bewerbung die eigene Motivation, der Bildungsweg und die bisherigen, praktischen Erfahrungen/Berufserfahrungen hervorgehen.
 

Veröffentlichungen
Breish, F., Hamm, C., Kienzler R. (2023) Diatom-inspired stiffness optimization for plates and cellular solids. Bioinspir Biomim. 18(3)