Der Locust Ovipositor: Eine Form folgt der Funktionsstudie eines einzigartigen Grabapparats

• Antragstellerin: Professorin Yael Politi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503007430

Ideale Vergrabungsmechanismen zeichnen sich durch eine kompakte Struktur des Grabwerkzeugs, Energieeffizienz und minimale Beeinflussung der Umgebung des Vergrabungsortes aus. Mehrere Studien stellten bioinspirierte Lösungen basierend auf Grabwerkzeugen in der Natur vor. Eine hochspezialisierte Struktur findet sich z. B. im Legebohrer (Ovipositor) von Feldheuschrecken (Acrididae). Dieser wird nicht nur zur Eiablage, sondern auch zum Vergraben der Eier im Boden genutzt. Diese Ovipositoren unterscheiden sich von denen anderer Insekten: Die Klappen zum Graben gleiten nicht aufeinander entlang, sondern öffnen und schließen sich. Wir wollen eine Studie durchführen, um den einzigartigen Charakter des Ovipositors der weiblichen Feldheuschrecke zu charakterisieren. Wir werden strukturelle undmaterielle Gradienten in den Grabklappen der Ovipositoren untersuchen und deren Rolle im Grabmechanismus mithilfe von Tierexperimenten, Computersimulationen sowie materialwissenschaftlichen Methoden klären. Unser Ziel ist es, die Biomechanik der Klappen zu verstehen und bioinspirierte Bagger zu konstruieren. Zunächst werden wir beobachten, wie weibliche Feldheuschrecken ihre Grabklappen verwenden und die Ontogenese verfolgen. Wir werden die Materialeigenschaften der Klappen mithilfe von konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie sowie FTIRSpektroskopie charakterisieren. Nanoindentierungs- undNanoabnutzungsuntersuchungen werden quantitative Messungen der mechanischen Eigenschaften liefern. Wir werden auf Grabklappen wirkende Reibungskräfte in Abhängigkeit von verschiedenkörnigen Medien messen und Energieverbrauch sowie -dissipation währendder Eiablage quantifizieren. Wir werden Normen für das strukturelle. Design, mechanische und Oberflächeneigenschaften von Feldheuschrecken inspirierter Bagger festlegen. Anhand der Finite-Elemente-Analyse werden wir klären, wie Änderungen der Struktur und Materialeigenschaften die Baggerleistung beeinflussen. Computersimulationen sollen die Lastverteilung in den Klappen der Feldheuschrecke zeigen. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Kräfte unter biologisch relevanten Bedingungen. Schließlich werden wir auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse bioinspirierte Bagger entwickeln. Wir werden die Grabklappen in verschiedenen Formen und Materialien in 3D ausdrucken, um dieEignung des Designs zu untersuchen. Die Struktur- und Oberflächeneigenschaften werden weiter angepasst, um die Leistung des Baggers je nach Baggermedium zu verbessern. Die Stärkeunseres kooperativen Ansatzes wurde bereits durch die vielen erzeugten vorläufigen Daten unter Beweis gestellt. Unsere Arbeit wird zur Entwicklung von bioinspirierten weich-steifenHybridroboterbaggern beitragen. Diese werden eine Injektionsfunktion beinhalten, widerstandsfähig gegenüber mechanischer Beschädigung sein, die Besonderheiten des jeweiligen Mediums berücksichtigen und einen energieminimierten Betrieb ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Benny Bar-On, Ph.D.; Dr. Noa Lachman-Senesh
• ausländ. Mitantragstellerinnen / ausländische Mitantragsteller: Professor Dr. Amir Ayali; Dr. Bat-El Pinchasik