Dr. Max Langer
Plant Biomechanics Group Freiburg, Botanischer Garten der Universität Freiburg
Projekte
Transition zones between rod-shaped and planar plant structures
Projektbeschreibung
In diesem Projekt, das vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg als Teilprojekt von BioElast gefördert wird, beschäftige ich mich mit der Übergangszone zwischen stabförmigen und flächigen Strukturen. Als biologische Vorbilder dienen verschiedene Laubblätter, die in der Regel aus einem stabförmigen Blattstiel und einer ebenen Blattspitze bestehen, die durch eine glatte Übergangszone verbunden sind. Im Rahmen eines biomimetischen Bottom-up-Ansatzes möchte ich zunächst ein besseres Verständnis der Morphologie, Anatomie und Biomechanik dieser Stiel-Blatt-Übergangszonen gewinnen. Meine Projektpartner aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen werden dieses Wissen dann in technische Anwendungen integrieren.
Projektergebnis
Das Ziel meiner Doktorarbeit war die Erforschung bioinspirierter und biomimetischer Ansätze zur Bewältigung technischer Herausforderungen im Bereich der Architektur. Bei herkömmlichen Konstruktionsmethoden werden stangenförmige und flächige Bauteile oft mit einer Vielzahl von Einzelelementen zusammengefügt. Aufgrund der hohen Spannungen und Belastungen, die zwischen diesen Elementen auftreten, sind die Systeme anfälliger für Ausfälle und Wartung.
Ein Ziel des Projekts war es daher, bioinspirierte Systeme zu entwickeln, die diese sehr unterschiedlichen Strukturen über schadensresistente und belastbare Übergangszonen miteinander verbinden. Idealerweise sind diese Systeme hinsichtlich ihrer großen, flächigen Strukturen adaptiv und können auch dynamischen Belastungen wie Wind problemlos standhalten. Laubblätter erfüllen diese Anforderungen, jedoch ist die Übergangszone zwischen dem stabförmigen Blattstiel und der flächigen Blattspreite kaum erforscht.
Meine Arbeit hat gezeigt, dass verschiedene Gradienten ein wichtiges Funktionsprinzip der untersuchten Blattstiele und Übergangszonen darstellen. Diese Gradienten überschneiden sich im Verlauf des Blattstiels und der Übergangszone und sind teilweise über verschiedene Hierarchieebenen integriert. Dies beinhaltet Gradienten von Größe, Form und Steifigkeit. Das Zusammenspiel dieser verschiedenen Gradienten reduziert Spannungsspitzen, die durch mechanische Belastungen in und zwischen den einzelnen Blattkomponenten entstehen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die im Pflanzengewebe übliche Faser-Matrix-Struktur und damit die Anordnung der Gewebe innerhalb der Blattbestandteile. Es stellte sich heraus, dass es eine Trennung der mechanischen Funktionen zwischen dem Blattstiel und der Übergangszone gibt. Der Blattstiel kompensiert Biegebelastungen, während sich Torsionsbelastungen zwischen dem Blattstiel und der Übergangszone verteilen. Alle diese Prinzipien zusammen führen zu den elastischen Übergangszonen, die wir vom Rascheln der Blätter im Wind kennen.
Die Übertragung dieser Funktionsprinzipien auf den Bereich des Bauwesens könnte einen wesentlichen Beitrag zu belastbareren und weniger schadensanfälligen technischen Übergängen zwischen stabförmigen und flächigen Strukturen leisten.
Betreuerin
Max Langer hat seine Dissertation im März 2022 erfolgreich verteidigt.
Nächster Schritt
Software-Entwickler bei Testo bioAnalytics GmbH mit dem Schwerpunkt auf Bildverarbeitung, Computer Vision und Machine Learning.
Publikationen in livMatS
- Acclimation to wind loads and/or contact stimuli? A biomechanical study of peltate leaves of Pilea peperomioides*
Langer, M., Hegge, E., Speck, T., & Speck, O. (2022). Acclimation to wind loads and/or contact stimuli? A biomechanical study of peltate leaves of Pilea peperomioides. Journal of Experimental Botany, 73(4): 1236 – 1252. doi: 10.1093/jxb/erab541 (Special issue “Mechanical Ecology - Taking Biomechanics to the Field”) - Twist-to-Bend Ratios and Safety Factors of Petioles Having Various Geometries, Sizes and Shapes*
Langer, M., Kelbel, M. C., Speck, T., Müller, C., & Speck, O. (2021) Twist-to-bend ratios and safety factors of petioles having various geometries, sizes and shapes. Frontiers in Plant Science, 2586. doi: 10.3389/fpls.2021.765605 - Plant-inspired damage control – An inspiration for sustainable solutions in the Anthropocene*
Speck, O., Langer, M., & Mylo, M. D. (2021). Plant-inspired damage control–An inspiration for sustainable solutions in the Anthropocene. The Anthropocene Review. doi: 10.1177/20530196211018489 - Petiole-Lamina Transition Zone: A Functionally Crucial but Often Overlooked Leaf Trait*
Langer, M., Speck, T., Speck, O. (2021): Petiole-lamina transition zone: A functionally crucial but often overlooked leaf trait. Plants 10(4): 774. doi: 10.3390/plants10040774 - The Protective Role of Bark and Bark Fibers of the Giant Sequoia (Sequoiadendron giganteum) during High-Energy Impacts
Bold, G., Langer, M., Börnert, L., & Speck, T. (2020). The Protective Role of Bark and Bark Fibers of the Giant Sequoia (Sequoiadendron giganteum) during High-Energy Impacts. International Journal of Molecular Sciences, 21(9), 3355. doi:10.3390/ijms21093355 - Twist-to-bend ratio: an important selective factor for many rod-shaped biological structures*
Wolff-Vorbeck, S., Langer, M., Speck, O., Speck, T., & Dondl, P. (2019). Twist-to-bend ratio: an important selective factor for many rod-shaped biological structures. Scientific reports, 9(1), 1-15. doi: 10.1038/s41598-019-52878-z
* Funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy – EXC-2193/1 – 390951807