Biologically inspired design (BID) is a widespread and growing movement in modern design, pulled in part by the need for environmentally sustainable design and pushed partly by rapid advances in biology and the desire for creativity and innovation in design. Yet, our current understanding of cognition in BID is limited and at present there are few computational methods or tools available for supporting its practice. In this dissertation, I develop a cognitive model of BID, build computational methods and tools for supporting its practice, and describe results from deploying the methods and the tools in a Georgia Tech BID class. One key and novel finding in my cognitive study of BID is the surprisingly large degree to which biological analogues influence problem formulation and understanding in addition to generation of design solutions. I call the process by which a biological analogue influences the evolution of the problem formulation analogical problem evolution. I use the method of grounded theory to develop a knowledge schema called SR.BID (for structured representations for biologically inspired design) for representing design problem formulations. I show through case study analysis that SR.BID provides a useful analytic framework for understanding the two-way interaction between problems and solutions. I then develop two tools based on the SR.BID schema to scaffold the processes of problem formulation and analogue evaluation in BID. I deployed the two tools, the four-box method of problem specification and the T-chart method of analogical evaluation, in a Georgia Tech BID class. I show that with minimal training, the four-box method was used by students to complete design problem specifications in 2011 and 2012 with 75% of students achieving better than 80% accuracy. Finally I describe a web-based application for interactively supporting BID practice including problem formulation and analogue evaluation. Thus, my dissertation develops a cognitive model of analogical problem evolution in BID, a knowledge schema for representing problem formulations, a computational technique for evaluating biological analogues, and an interactive web-based tool for supporting BID practice. Through a better cognitive understanding of BID and computational methods and tools for supporting its practice, it also contributes to computational creativity.

Fächerübergreifendes und fächerverbindendes Lernen rücken zunehmend in den Fokus einer neuen Lehr- und Lernkultur. Lernerfolg, Kompetenzerwerb und Mehrperspektivität im Unterricht sind daher Kernpunkte zahlreicher aktueller Untersuchungen. Gerade in Hinblick auf konstruktivistische Lernmodelle wird die Notwendigkeit der Fächervernetzung deutlich, denn sie verlangen einen schüleraktiven Unterricht, der sich an den Interessen der Schüler und nicht an Fachgrenzen orientiert. Auch im naturwissenschaftlichen Unterricht gewinnt die ganzheitliche Betrachtung natürlicher Phänomene und komplexer Probleme an Wichtigkeit. Die Lehr- und Bildungspläne der Bundesländer werden deshalb seit einigen Jahren dahingehend ausgerichtet. In Sachsen entstanden bereits seit 2005 im Rahmen der Umprofilierung an sächsischen Gymnasien neue Lehrpläne für fächerverbindenden Profilunterricht. Neben gesellschaftswissenschaftlichem, künstlerischem, sprachlichem und sportlichem Profil erhielt auch das naturwissenschaftliche Profil neu ausgerichtete Lernbereiche, die sich inhaltlich an mehrere Fachgebiete gleichzeitig anlehnen. So auch der Lernbereich 6 „Bionik“. Die Bionik beschreibt eine Arbeitsweise, die an der Schnittstelle mehrerer Disziplinen steht. Biologisch interessante Phänomene bilden dabei die Basis für neue technische Innovationen. Die Biologie wird hier jedoch nicht kopiert, sondern abstrahiert, um lediglich für die Technik sinnvolle Prinzipien zu übertragen. Zunehmend mehr interessieren Unternehmen sich für bionische Lösungen, da diese oft materialschonender, materialsparender und energieeffizienter sind oder auch weil das Label „von der Natur inspiriert“ vom Konsumenten als nachhaltig wahrgenommen wird. Im Bionikunterricht können aufgrund der interdisziplinären Ausrichtung der Bionik neben den naturwissenschaftlichen Fächern Biologie, Physik und Chemie und einer mathematischen Grundausbildung auch angewandte oder artfremde Disziplinen wie Wirtschaft, Technik und Ethik eine Rolle spielen. Ein Schwerpunkt der Zielvorstellungen der fächerverbindenden Profillehrpläne ist die Fähigkeit, wissenschaftliches Arbeiten anzuwenden – hierfür ist gerade der Aspekt des selbständigen, forschenden Lernens entscheidend. In diesem Zusammenhang merken PRENZEL et al. (2007) an, dass hochkompetente Schülerinnen und Schüler, die über häufiges Experimentieren im Unterricht oder über ausgeprägte Anwendungsbezüge und Modellierungen berichten, sich durch ein tendenziell stärkeres Interesse an den Naturwissenschaften auszeichnen. Gerade unter dem Aspekt der Nachwuchsgenerierung für naturwissenschaftliche und technische Berufsfelder und der daraus abzuleitenden Notwendigkeit, größere Anteile der hochkompetenten Jugendlichen für die Naturwissenschaften zu gewinnen, kann die Bionik als interdisziplinäre Arbeitsweise Interesse an Biologie, Technik wie auch im interdisziplinären Grenzbereich fördern – und dies bei Jungen und Mädchen, da nicht nur die Themen sehr vielgestaltig, sondern auch die integrierten Fachgebiete zahlreich sind und den unterschiedlichen Interessen entgegenkommen. Die durch den neuen sächsischen Lehrplan hervorgerufene Situation, den Schülern die Bionik im Profilunterricht mit einem Stundenumfang von 28 Unterrichtsstunden vorstellen zu können, stellte die Lehrer vor neue Probleme. Nicht nur deren begrenzte fachliche Ausrichtung und damit die Einengung des eigenen, an die Schüler vermittelbaren Wissens, sondern besonders der Mangel an geeignetem Arbeitsmaterial überforderte manchen Lehrer. Aufgrund der fachlichen Ausrichtung des Instituts für Botanik der TU Dresden auf dem Gebiet der Bionik suchten deshalb nicht nur zahlreiche Lehrer, sondern auch das Sächsische Bildungsinstitut SBI Möglichkeiten einer Kooperation mit dem Institut. Diese basierte vornehmlich auf Lehrerfortbildungen, die von TU-Mitarbeitern durchgeführt wurden, aber auch auf der Einladung von Schulklassen an das Institut, um Vorträge oder kleinere Experimente durchzuführen. Diese Bildungsarbeit und weitere intensive Nachfrage seitens der Schulen mündeten schließlich in der Überlegung, fachlich fundierte und didaktisch aufgearbeitete Experimentiermodule zu entwickeln und zu publizieren, um sie allen Schulen zur Verfügung zu stellen und nicht nur ausgewählten Schulklassen die Möglichkeit zu geben, sich experimentell mit der Bionik auseinanderzusetzen. Es entstand ein multimodales Experimentierset zum Thema Bionik, welches im Schul- und Projektunterricht erprobt, optimiert und nach der Fertigstellung 2010 im DUDEN-Schulbuchverlag veröffentlicht wurde und sieben modular verwendbare Experimentierthemen zu verschiedenen Themenbereichen der Bionik beinhaltet. Während der Erprobungs- und Optimierungsphase erfolgte eine Evaluierung der entstandenen Arbeitsmaterialien durch die Lehrpersonen und die Schüler anhand von standardisierten Fragebögen. Die Aufgabenentwicklung der sieben Experimentierthemen orientierte sich gleichzeitig an den Kompetenzbereichen der nationalen Bildungsstandards. Interviews mit den Lehrern begleiteten den Entstehungsprozess und gaben erstmals einen Überblick über auftretende Probleme mit fächerverbindendem Unterricht im Fokus der Bionik.

Biologically inspired design is used as an approach for sustainable engineering. Taking a biologically inspired approach, one abstracts ideas and principles from nature, an inherently sustainable system, and uses them in engineering applications with the goal of producing environmentally superior designs. One such biological idea with potential environmental benefits for engineering is microscale and nanoscale surface roughness found on the Lotus plant and many other surfaces in nature. These surfaces repel water and aid in contaminant removal; this self-cleaning phenomenon is called the "Lotus Effect," in honor of the plant first observed to exhibit it. The structures responsible for the Lotus Effect inspired research and development of many technologies capable of creating hydrophobic, self-cleaning surfaces, and many potential self-cleaning surface applications exist beyond nature's intended application of cleaning. While statements have been made about the environmental benefits of using a self-cleaning surface, only limited scientific data exist. Artificial self-cleaning surfaces are successfully cleaned using fog or mist. This shows that such surfaces can be cleaned with less energy and water intensive methods than the more conventional methods used to clean regular surfaces, such as spray or solvent cleaning. This research investigates the potential environmental burden reductions associated with using these surfaces on products. A life cycle assessment is performed to determine the environmental burdens associated with manufacturing a self-cleaning surface, for three production methods: a chemical coating, a laser ablated steel template, and an anodized aluminum template. The environmental benefits and burdens are quantified and compared to those of more conventional cleaning methods. The results indicate that self-cleaning surfaces are not necessarily the environmentally superior choice.

The research presented in this study has been conducted in an effort to aid in the creation of a biomimetic shell that may be employed in full-scale field experiments to determine the efficacy of mitigation options to limit loggerhead mortality in boat strike incidents. The objectives of this research include the development of experimental testing procedures for the material characterization of the loggerhead carapace, and the design, fabrication, and evaluation of an artificial prototype carapace. A photographic database of wounded sea turtles in Georgia was evaluated in order to determine the primary sources of loggerhead collision injuries and the most common regions of the carapace damaged in boat strike incidents. Skeg impact was found to be the most common source of injury, with a frequency of 44%. In addition, 74% of the sea turtles reviewed sustained injuries to the center third of their carapace length, indicating this region as the most probable impact location. Material testing procedures were developed for evaluating the material properties of the loggerhead carapace. This was followed by the material testing of three loggerhead shells for the purpose of determining localized mechanical properties. Samples were harvested from the shells in a manner designed to identify potential variations in properties due the location and orientation of the coupons within the carapace. Each coupon was subjected to axial tension or three-point bending. Specialized tabs were designed for tension testing in order to accommodate the coupon's irregular geometry and minimize curvature-induced moments. The tensile test results indicated that the longitudinal and transverse properties of the loggerhead carapace were similar. The tensile strength, elongation at failure, and modulus of elasticity were determined to have percent variations of 12.2%, 10.7%, and 10.1% respectively. In contrast, the three-point bending test results indicated that the modulus of rupture and flexural modulus for the transverse samples were approximately four times greater than those of the longitudinal samples. This variation may be attributed to regions of weak tissue running transversely through the carapace. The results of the material testing were utilized in the design of two prototype composite shells. The prototypes were successful in simulating the strain at failure and force per unit width to within 10% of the loggerhead carapace. The resulting procedure may be used to create artificial shells suitable for prototype scale tests in natural environments. In addition, the material testing methods developed for this investigation may offer insight into procedures for evaluating alternate forms of rigid or curved biological specimens.

The work presented in this dissertation was aimed at understanding biology's application of soft materials to enhance sensing abilities and initiate innovative bio-inspired material-based approaches for flow (fluidic and air) sensors and photo-thermal sensors. A key aim is to help strengthen this niche of functional materials science referred to, here, as bio-inspired materials in sensing roles. The work aspires to traverse the boundaries of the subject in order to provide a strong foundation for future scientific explorations of the subject. The studies presented here, include studies of flow sensing in fish and implementing a bio-mimetic approach to microfabricated flow sensors. The work also includes studies of material based signal filtering in spiders, as well as, bio-inspired photo-thermal transduction mechanisms. The capabilities of the methodology are demonstrated with successful engineering studies.

Thesis (Ph.D.)--Flinders University, Dept. of Chemistry. / Typescript bound. Includes bibliographical references: (p. 360-369) Also available online.

Thesis (M.S.)--Oregon State University, 2010. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 108-114). Also available on the World Wide Web.

DNA nanotechnology has revolutionised our capability to shape and control three-dimensional structures at sub-nanometre length scales. In this thesis, we use DNA to build synthetic membrane-inserting channels. Porphyrin and cholesterol tags serve as membrane anchors to facilitate insertion into the lipid membrane. With atomic force microscopy, confocal imaging and ionic current recordings we characterise our DNA nanochannels that mimic their natural protein-based counterparts in form and function. We find that they exhibit voltage-dependent conductance states. Amongst other architectures, we create the largest man-made pore in a lipid membrane to date approaching the electrical diameter of the nuclear pore complex. Pushing the boundaries on the other end of the spectrum, we demonstrate the ultimately smallest DNA membrane pore made from a single membrane-spanning DNA duplex. Thereby, we proof that ion conduction across lipid membranes does not always require a physical channel. With experiments and MD simulations we show that ions flow through a toroidal pore emerging at the DNA-lipid interface around the duplex. Our DNA pores spanning two orders of magnitude in conductance and molecular weight showcase the rational design of synthetic channels inspired by the diversity of nature - from ion channels to porins.

Fächerübergreifendes und fächerverbindendes Lernen rücken zunehmend in den Fokus einer neuen Lehr- und Lernkultur. Lernerfolg, Kompetenzerwerb und Mehrperspektivität im Unterricht sind daher Kernpunkte zahlreicher aktueller Untersuchungen. Gerade in Hinblick auf konstruktivistische Lernmodelle wird die Notwendigkeit der Fächervernetzung deutlich, denn sie verlangen einen schüleraktiven Unterricht, der sich an den Interessen der Schüler und nicht an Fachgrenzen orientiert. Auch im naturwissenschaftlichen Unterricht gewinnt die ganzheitliche Betrachtung natürlicher Phänomene und komplexer Probleme an Wichtigkeit. Die Lehr- und Bildungspläne der Bundesländer werden deshalb seit einigen Jahren dahingehend ausgerichtet. In Sachsen entstanden bereits seit 2005 im Rahmen der Umprofilierung an sächsischen Gymnasien neue Lehrpläne für fächerverbindenden Profilunterricht. Neben gesellschaftswissenschaftlichem, künstlerischem, sprachlichem und sportlichem Profil erhielt auch das naturwissenschaftliche Profil neu ausgerichtete Lernbereiche, die sich inhaltlich an mehrere Fachgebiete gleichzeitig anlehnen. So auch der Lernbereich 6 „Bionik“. Die Bionik beschreibt eine Arbeitsweise, die an der Schnittstelle mehrerer Disziplinen steht. Biologisch interessante Phänomene bilden dabei die Basis für neue technische Innovationen. Die Biologie wird hier jedoch nicht kopiert, sondern abstrahiert, um lediglich für die Technik sinnvolle Prinzipien zu übertragen. Zunehmend mehr interessieren Unternehmen sich für bionische Lösungen, da diese oft materialschonender, materialsparender und energieeffizienter sind oder auch weil das Label „von der Natur inspiriert“ vom Konsumenten als nachhaltig wahrgenommen wird. Im Bionikunterricht können aufgrund der interdisziplinären Ausrichtung der Bionik neben den naturwissenschaftlichen Fächern Biologie, Physik und Chemie und einer mathematischen Grundausbildung auch angewandte oder artfremde Disziplinen wie Wirtschaft, Technik und Ethik eine Rolle spielen. Ein Schwerpunkt der Zielvorstellungen der fächerverbindenden Profillehrpläne ist die Fähigkeit, wissenschaftliches Arbeiten anzuwenden – hierfür ist gerade der Aspekt des selbständigen, forschenden Lernens entscheidend. In diesem Zusammenhang merken PRENZEL et al. (2007) an, dass hochkompetente Schülerinnen und Schüler, die über häufiges Experimentieren im Unterricht oder über ausgeprägte Anwendungsbezüge und Modellierungen berichten, sich durch ein tendenziell stärkeres Interesse an den Naturwissenschaften auszeichnen. Gerade unter dem Aspekt der Nachwuchsgenerierung für naturwissenschaftliche und technische Berufsfelder und der daraus abzuleitenden Notwendigkeit, größere Anteile der hochkompetenten Jugendlichen für die Naturwissenschaften zu gewinnen, kann die Bionik als interdisziplinäre Arbeitsweise Interesse an Biologie, Technik wie auch im interdisziplinären Grenzbereich fördern – und dies bei Jungen und Mädchen, da nicht nur die Themen sehr vielgestaltig, sondern auch die integrierten Fachgebiete zahlreich sind und den unterschiedlichen Interessen entgegenkommen. Die durch den neuen sächsischen Lehrplan hervorgerufene Situation, den Schülern die Bionik im Profilunterricht mit einem Stundenumfang von 28 Unterrichtsstunden vorstellen zu können, stellte die Lehrer vor neue Probleme. Nicht nur deren begrenzte fachliche Ausrichtung und damit die Einengung des eigenen, an die Schüler vermittelbaren Wissens, sondern besonders der Mangel an geeignetem Arbeitsmaterial überforderte manchen Lehrer. Aufgrund der fachlichen Ausrichtung des Instituts für Botanik der TU Dresden auf dem Gebiet der Bionik suchten deshalb nicht nur zahlreiche Lehrer, sondern auch das Sächsische Bildungsinstitut SBI Möglichkeiten einer Kooperation mit dem Institut. Diese basierte vornehmlich auf Lehrerfortbildungen, die von TU-Mitarbeitern durchgeführt wurden, aber auch auf der Einladung von Schulklassen an das Institut, um Vorträge oder kleinere Experimente durchzuführen. Diese Bildungsarbeit und weitere intensive Nachfrage seitens der Schulen mündeten schließlich in der Überlegung, fachlich fundierte und didaktisch aufgearbeitete Experimentiermodule zu entwickeln und zu publizieren, um sie allen Schulen zur Verfügung zu stellen und nicht nur ausgewählten Schulklassen die Möglichkeit zu geben, sich experimentell mit der Bionik auseinanderzusetzen. Es entstand ein multimodales Experimentierset zum Thema Bionik, welches im Schul- und Projektunterricht erprobt, optimiert und nach der Fertigstellung 2010 im DUDEN-Schulbuchverlag veröffentlicht wurde und sieben modular verwendbare Experimentierthemen zu verschiedenen Themenbereichen der Bionik beinhaltet. Während der Erprobungs- und Optimierungsphase erfolgte eine Evaluierung der entstandenen Arbeitsmaterialien durch die Lehrpersonen und die Schüler anhand von standardisierten Fragebögen. Die Aufgabenentwicklung der sieben Experimentierthemen orientierte sich gleichzeitig an den Kompetenzbereichen der nationalen Bildungsstandards. Interviews mit den Lehrern begleiteten den Entstehungsprozess und gaben erstmals einen Überblick über auftretende Probleme mit fächerverbindendem Unterricht im Fokus der Bionik.:TEIL 1 FORSCHUNGSKONTEXT 1 Bionik im bildungspolitischen Kontext 2 Was ist Bionik? 3 Aufgabenstellung TEIL 2 ENTWICKLUNG DER ARBEITSMATERIALIEN „BIONIK“ 4 Methodik der Aufgabenentwicklung 5 Durchführung 6 Ergebnisse der Arbeitsmaterialentwicklung TEIL 3 EVALUATION DER ARBEITSMATERIALIEN UND EXPERTENINTERVIEWS 7 Methodik der Befragungen 8 Ergebnisse der Fragebögen und Interviews 9 Synthese 10 Ausblick und Handlungsempfehlungen LITERATURQUELLEN ANHANG

コウモリは1送信2受信器のミニマルな超音波センシングデザインからは想像できない，高度な3次元飛行を実現させている．本論文では，①繰り返し同じ障害物環境下を飛行するコウモリの未知と既知の空間に対する音響センシング行動の違いを比較した．さらに，②未知環境飛行時に見られる特徴的な空間スキャニングの行動パターンをモデル化し，自律走行車を用いてコウモリの行動の有用性を実環境センシングのふるまいから定量的に評価した． / Bats possess a highly developed biosonar system that can be regarded as the minimum sensor requirement for three-dimensional spatial sensing. The present study 1) experimentally investigated changes in the pulse direction, pulse emission timing and flight path of CF-FM bats during an obstacle avoidance flight as the bats became familiar with the space around them and 2) expressed behavioral principles observed in the bats during flight, especially in an unfamiliar space, using an algorithm and then embedded the principles into an autonomous vehicle equipped with simple ultrasound sensors. The findings of this world-leading biomimetic research offer new possibilities for artificial-intelligence navigation systems. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University