Ausgeklügelter Aufbau aus Knochen und Muskeln federt Erschütterungen effizient ab - Prototyp eines Specht-Stoßdämpfers

Specht

Berkeley (USA) - Etwa 20-mal pro Sekunde hämmert ein Specht seinen Schnabel in hartes Holz. Obwohl der Kopf des Vogels bei jedem Aufprall enorm stark abgebremst wird, leiden Spechte dank eines pfiffigen natürlichen Dämpfungssystems nicht unter Gehirnerschütterungen. Diesem wohl effizientesten Stoßdämpfer in der Natur gingen nun amerikanische Wissenschaftler auf den Grund. Wie sie in der Fachzeitschrift "Bioinspirations & Biomimetics" berichten, gelang ihnen der Bau eines bionischen Stoßdämpfers, um empfindliche, elektronische Bausteine besser gegen Erschütterungen schützen zu können.

"Der Specht führt die mechanischen Erschütterung der Schnabelstöße mit seiner einzigartigen Skelettstruktur aus Schnabel, Schädelknochen und Zungenbein ab", berichten Sang-Hee Yoon und Sungmin Park von der University of California in Berkeley. Dadurch nimmt das Gehirn der Vögel selbst bei schnellen Stößen, bei denen starke Bremskräfte vergleichbar mit der 1200-fachen Erdbeschleunigung wirken, keinen Schaden. Mit Röntgenaufnahmen eines Schädels der Spechtart Melanerpes aurifrons und mechanischen Schwingungsexperimenten konnten die beiden Forscher das Geheimnis des Specht-Stoßdämpfers entschlüsseln.

Nicht nur die stabile Lagerung des Vogelhirns und schnell reagierende Muskeln, sondern auch die elegante Verknüpfung zwischen Schnabel und Schädel spielt für den natürlichen Stoßdämpfer eine entscheidende Rolle. Der harte Schnabel geht in das Zungenbein über und die Stöße werden über eine schwammartig aufgebaute Knochensubstanz - Spongiosa genannt - abgedämpft. Darauf verteilen sich die wirkenden Kräfte über den gesamten Schädelknochen. Für den bionischen Stoßdämpfer in Form eines Zylinders ersetzten die Forscher den Schnabel durch eine harte Metallhülse. In diese setzten sie erst eine Lage aus elastischem Gummi, das dem Zungenbein entsprach. Eine zweite, innere Metallhülse übernahm die Aufgabe des Schädelknochens. Als Ersatz für die schwammartige Knochensubstanz wählten Yoon und Park viele winzige Glaskügelchen.

Um die Effizienz dieses Dämpfungssystems nach Spechtart zu testen, packten die Forscher empfindliche, elektronische Bauteile wie Dioden oder Optokoppler in die Glaskügelchen. Mit einer Luftkanone schossen sie Projektile auf den Zylinder und erzeugten damit Stöße, die dem 60.000-fachen der Erdbeschleunigung entsprachen. Ihr Ergebnis: Nach vielen Stoßversuchen waren weniger als ein Prozent der sensiblen Bauteile beschädigt. Dagegen wurden klassisch mit Kunststoffharz ummantelte Module in über einem Viertel der Versuche zerstört. "Das bionische Stoßdämpfersystem mit Glaskügelchen, elastischer Schicht und Metallmänteln kann Mikromodule vor hochfrequenten und kräftigen Vibrationen effizient schützen", folgerten Yoon und Park. Doch wegen des komplexen Aufbaus wären solche Stoßdämpfer in der Fertigung relativ teuer.