Interdisziplinäre Ansätze

Elektronische Visualisierung und Organsimulation unter Zeitaspektsberücksichtigung zur evolutionären Rekonstruktion (e-Voluzzer)

Untersucht man Organismen auf einer biotechnischen Ebene, so stellen sie sich als komplexe Konstruktionen dar, deren Körperformen und Bewegungen durch verspannende, stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen erzeugt werden. Flüssigkeitsgefüllte Körperhohlräume, die als Hydroskelette sowohl Muskelkräfte übertragen als auch die Körperform mitbestimmen, spielen bei den meisten Organismen eine wesentliche Rolle. Der räumliche Aufbau solcher hydraulischen Tierkonstruktionen wurde bisher in Zeichnungen festgehalten. Die Hydrodynamik von Leibeshöhlenfüllungen, die Wirkweise von Druckkräften und Verspannungsverhältnissen sowie Bewegungsabläufe mußte man sich immer ‘denken’, es gab bislang keine Möglichkeiten sie zu visualisieren.
Ziel des Projektes ist es, auf der Basis eines neu entwickelten Computeralgorithmus (hydropneumatische Biosimulation) die Körper von Organismen dreidimensional zu modellieren, um Formerhaltungsmechanismen und Bewegungen in Echtzeit zu simulieren. Ausgehend von der Echtzeitsimulation sollen dann die Körperkonstruktionen real existierender (fossiler und rezenter) Organismen und die rekonstruierter evolutiver Zwischenstadien hinsichtlich ihres funktionellen Gesamtgefüges überprüft und Evolutionsverläufe per Computer visualisiert werden.

Das Projekt besteht aus zwei Aufgabenteilen (1) die Entwicklung des Programmes e-Voluzzer und (2) die Simulation und Visualisierung von Tierkonstruktionen, wie sie beispielsweise im Rahmen des DFG-Projektes GU566/1-1 zur Evolutionsgeschichte der Echinodermen bearbeitet werden.

Über diese Anwendungen hinaus stellt die hydropneumatische Biosimulation ein innovatives Konzept in der Computergraphik dar, welches es gestattet, mit vergleichsweise wenig Aufwand Tierkörper zu modellieren und realitätsnah zu animieren. Sie ergänzt damit die bestehenden Methoden zur Modellierung und Animation deformierbarer Objekte.

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Bionik, Bio-Engineering

Bionik versteht Lebewesen als Vorlage für die Konstruktion technischer Apparate. Nach dem Motto "Die Natur dachte zuerst daran", werden bautechnische Lösungen die bei Organismen zu finden sind, für technische Anwendungen nutzbar gemacht. Klassische Beispiele sind die rauhe Haut des Hais, die günstige Verwirbelungen erzeugt und dadurch den Strömungswiderstand herabsetzt. Angeraute Oberflächen werden mittlerweile im Flugzeug- und Schiffsbau eingesetzt.

Der Anwendung auf spezielle technische Fragestellung geht jedoch eine detaillierte Analyse der Konstruktions-Bedingungen, d.h. der biomechanischen Zusammenhänge im lebenden Organismus, der wirkenden Kräftemuster und der daraus resultierenden Bewegungsabläufe in einem Organismus voraus.

Bio-Engineering stellt eine Kombination von konstruktionsmorphologischer Untersuchung und anwendungsbezogener Bionik dar. Indem in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten morphologisch-präparative Arbeiten an bestimmten Organismen mit geometrischen Beschreibungen des dreidimensionalen Gefüges und einer hydraulisch-dynamischen Betrachtungsweise kombiniert werden, können schließlich abstrahierte technische Beschreibungen vorgenommen werden, die Ausgangspunkt sind für die Anfertigung eines sich bewegenden Modells nur Überprüfung der aufgestellten Hypothesen.

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