Spechtkopf inspiriert Stoßdämpfer

Von Paul Marks

4. Februar 2011

Specht gegen Stoßdämpfer

Wenn Flugzeugabsturzforscher der Zukunft einen Flugschreiber aus den Trümmern eines Flugzeugs bergen, verdanken sie möglicherweise dem Goldspecht Melanerpes aurifons das Überleben der Flugdaten. Der Grund? Ein Stoßdämpfer, der von der Fähigkeit des Vogels inspiriert ist, starker Verzögerung standzuhalten.

Der Kopf eines Spechts erfährt eine Verzögerung von 1200 g, wenn er bis zu 22 Mal pro Sekunde auf einen Baum trommelt. Menschen erleiden oft eine Gehirnerschütterung, wenn sie 80 bis 100 g ausgesetzt sind. Daher war unklar, wie der Specht Hirnschäden vermeidet.

Deshalb untersuchten Sang-Hee Yoon und Sungmin Park von der University of California in Berkeley Video- und CT-Scans des Kopfes und Halses des Vogels und stellten fest, dass er über vier Strukturen verfügt, die mechanische Stöße absorbieren.

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Das sind sein harter, aber elastischer Schnabel; eine sehnige, federnde Zungenstützstruktur, die sich hinter den Schädel erstreckt und als Zungenbein bezeichnet wird; ein Bereich aus schwammigem Knochen im Schädel; und die Art und Weise, wie Schädel und Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit interagieren, um Vibrationen zu unterdrücken.

Anschließend machten sich die Forscher daran, künstliche Analoga für all diese Faktoren zu finden, um ein mechanisches Stoßdämpfungssystem zum Schutz der Mikroelektronik zu bauen, das auf ähnliche Weise funktioniert.

Um den Verformungswiderstand des Schnabels nachzuahmen, verwenden sie ein zylindrisches Metallgehäuse. Die Fähigkeit des Zungenbeins, mechanische Belastungen zu verteilen, wird durch eine Gummischicht innerhalb dieses Zylinders nachgeahmt, und die des Schädels/der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit durch eine Aluminiumschicht. Der Vibrationswiderstand des spongiösen Knochens wird durch dicht gepackte Glaskugeln mit einem Durchmesser von 1 Millimeter nachgeahmt, in denen der fragile Schaltkreis sitzt (siehe Abbildung).

Um ihr System zu testen, steckten Yoon und Park es in eine Kugel und feuerten sie mit einem Luftgewehr auf eine Aluminiumwand. Sie fanden heraus, dass ihr System die darin untergebrachte Elektronik vor Stößen von bis zu 60.000 g schützte. Heutige Flugschreiber halten Stößen von 1000g stand.

„Wir wissen jetzt, wie wir den Bruch von Mikrogeräten durch mechanische Stöße verhindern können“, sagt Yoon. „Ein Institut in Korea untersucht derzeit einige militärische Anwendungen der Technologie.“

Der Stoßdämpfer könnte nicht nur die Elektronik von Flugschreibern schützen, sondern auch in „bunkerbrechenden“ Bomben sowie zum Schutz von Raumfahrzeugen vor Kollisionen mit Mikrometeoriten und Weltraummüll eingesetzt werden. Es könnte auch zum Schutz der Elektronik in Autos eingesetzt werden.

„Diese Studie ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie die Natur in Kombination hochentwickelte Strukturen entwickelt, um eine zunächst unmöglich erscheinende Herausforderung zu lösen“, sagt Kim Blackburn, Ingenieurin an der Cranfield University im Vereinigten Königreich, die sich auf Studien zum Aufprall von Kraftfahrzeugen spezialisiert hat.

„Es könnte unsere Überlegungen zu regenerativen Dämpfern für Fahrzeuge beeinflussen und die Energie in eine Form umleiten, die leichter rückgewinnbar ist, als sie in Wärme umzuwandeln“, fügt Blackburn hinzu. „Letztendlich müssen wir vom Specht lernen, Energie zurückzugewinnen und dem Fahrer keine Kopfschmerzen zu bereiten.“

Nick Fry, Vorstandsvorsitzender des Formel-1-Teams Mercedes GP Petronas mit Sitz in Brackley, Großbritannien, sagt, dass solche Ideen zum Unfallschutz für Fahrer im Motorsport beitragen könnten: „Ein großes Problem bei der Formel 1 besteht darin, den Fahrer zu schützen, indem man ihn zum Abbremsen bringt.“ eine Unfallsituation so zu bewältigen, dass seine inneren Organe und sein Gehirn nicht zu Brei werden.“

„Das erreichen wir mit einem cleveren Design aus Verbundwerkstoffen, hochentwickelten Sicherheitsgurten und einem Kopf- und Nackenrückhaltesystem“, sagt Fry. „Aber diese Forschung könnte etwas sein, auf das wir in Zukunft zurückgreifen können – sie könnte sehr interessant sein.“

Zeitschriftenreferenz: Bioinspiration and Biomimetics, DOI: 10.1088/1748-3182/6/1/016003

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