Bio-inspired compliant mechanisms for architectural design : transferring bending and folding principles of plant leaves to flexible kinetic structures
Bio-inspired compliant mechanisms for architectural design : transferring bending and folding principles of plant leaves to flexible kinetic structures
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用于建筑设计的仿生顺应机制：将植物叶子的弯曲和折叠原理转移到灵活的动力结构
DOI：
10.18419/opus-123
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发表时间：
2015
影响因子：
3.4
通讯作者：
S. Schleicher
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
S. Schleicher
本论文处于建筑设计、工程学和生物学的交叉点。受自然界中灵活而坚固的结构的启发，该研究探索了挑战我们目前对机械结构理解的创造性想法，并为流行的刚体力学范式提供了替代方案。通过探索如何理解、抽象柔性植物运动中的运动原理并将其转化为新颖的设计和制造工艺；本论文提出了创新概念，整合了迄今为止被忽视的结构行为，例如弯曲和屈曲。这些行为被认为是开发新动力学结构的潜在设计驱动因素。
第一部分对设计中的动力学结构和生物学中的动力学结构进行了比较。虽然乍一看这两个领域似乎完全无关，但它们有很多共同点。顺从机构提供了一种特别有趣的连接，其中技术设备通过其构件的灵活性获得运动并实现大的弹性变形。凭借这些特征，它们与植物叶子的运动原理并没有什么不同。关于方法论的第二部分致力于技术和生物学之间的知识转移。本节介绍仿生学这一新兴科学，并总体讨论其工作方法，同时概述其在本研究中的实际用途。在本文的第三部分中，采用跨学科框架进行一系列案例研究。在这里，我们仔细研究了七个典型的植物运动，并通过现代计算模拟技术重新创建了它们的基本运动原理。基于这些见解，开发了各种仿生合规机制，并将其转移到自适应外墙遮阳系统中。在以下有关实施的部分中，该技术用于为双曲建筑外墙提供防晒保护，并在三个概念项目中进行展示。
论文最后反思了这项工作的研究贡献和未来展望，从而邀请下一代研究人员和设计师在这项工作的基础上继续发展，保持学科之间新建立的联系。
Diese Forschungsarbeit liegt im Grenzbereich zwischen Architektur、Ingenieurwissenschaften und der Biologie。灵感来自于自然的灵活和宽阔的结构，我们的创造性理念被理解为公共结构的实现，它与希尔夫·冯·格伦肯·米泰伊勒·巴特莱（Bauteile mit Hilfe von Gelenken miteinander zu verbinden）一起，在新的安萨茨（Ansatze ablosen konnten）上。我在设计和制造过程中使用了 Bluten 和 Blattern 以及抽象和 Nutzbarmachung 技术来灵活地设计机械装置。 Hierzu werden Vorschlage entwickelt die gelenkfree Biegung als Bewegungsmechanismus einzusetzen。在技术中寻找弹性变形的原则，可以在 Versagensfall erwiesen 帽子中找到它，在建筑集成和创新的设计系统中找到 Versuch 状态、灵活的结构。
This thesis lies at the intersection of architectural design, engineering, and biology. Inspired by flexible and robust structures found in nature, the research explores creative ideas that challenge our present understanding of mechanical constructions and offers an alternative to the prevailing paradigm of rigid-body mechanics. By exploring how the motion principles in flexible plant movements can be understood, abstracted, and transferred into novel design and fabrication processes; this thesis proposes innovative concepts that integrate hitherto neglected structural behaviors, such as bending and buckling. These behaviors are considered potential design drivers in the development of new kinetic structures.
The first section offers a comparison between Kinetic Structures in Design and Kinetic Structures in Biology. While at first glance these two areas may seem entirely unrelated, they share much in common. A particularly interesting connection is provided by compliant mechanisms where technical devices obtain their motion by the flexibility of their members and functionalize large elastic deformations. With these characteristics they are not that dissimilar to the motion principles found in plant leaves. The second section on Methodology is devoted to the transfer of knowledge between technology and biology. This section introduces the emerging science of biomimetics and generally discusses its working methods while also outlining its practical use for this research. In the third section of this thesis, a transdisciplinary framework is employed for a series of Case Studies. Here, seven exemplary plant movements are closely investigated and their underlying motion principles are recreated by means of modern computational simulation techniques. Based on these insights various bio-inspired compliant mechanisms are developed and transferred into adaptive facades shading systems. In the following section on Implementations, this technology is utilized for providing sun protection to doublecurved building facades and showcased on three conceptual projects.
The thesis concludes with a reflection on the Research Contributions and Future Outlook of this work and thereby invites the next generation of researchers and designers to build up on this work, keeping these newly created bonds between the disciplines alive.
Diese Forschungsarbeit liegt im Grenzbereich zwischen Architektur, Ingenieurwissenschaften und der Biologie. Inspiriert von flexiblen und widerstandsfahigen Strukturen in der Natur, werden kreative Ideen untersucht, die das ubliche Konstruktionsverstandnis, namlich starre Bauteile mit Hilfe von Gelenken miteinander zu verbinden, durch neue Ansatze ablosen konnten. Im Mittelpunkt steht dabei die Untersuchung der Bewegungsmechanismen flexibler Pflanzen am Beispiel von Bluten und Blattern und deren moglicher Abstraktion und Nutzbarmachung fur neue technikrelevante Design- und Fabrikationsprozesse. Hierzu werden Vorschlage entwickelt die gelenkfreie Biegung als Bewegungsmechanismus einzusetzen. Wahrend das Prinzip der elastischen Verformung in der Technik noch kaum Beachtung findet oder sich nur als Versagensfall erwiesen hat, findet hier der Versuch statt, flexible Strukturen in der Architektur zu integrieren und beispielsweise als innovative Verschattungssysteme einzusetzen.
影响因子：
3
作者：
Christie, John M.;Murphy, Angus S.
通讯作者：
Murphy, Angus S.