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1999 - 199912020 - 20222

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Author: search.filters.author.Bischoff, ManfredSubject: search.filters.subject.620

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    Smooth or with a snap! Biomechanics of trap reopening in the Venus flytrap (Dionaea muscipula)
    (2022) Durak, Grażyna M.; Thierer, Rebecca; Sachse, Renate; Bischoff, Manfred; Speck, Thomas; Poppinga, Simon
    Fast snapping in the carnivorous Venus flytrap (Dionaea muscipula) involves trap lobe bending and abrupt curvature inversion (snap‐buckling), but how do these traps reopen? Here, the trap reopening mechanics in two different D. muscipula clones, producing normal‐sized (N traps, max. ≈3 cm in length) and large traps (L traps, max. ≈4.5 cm in length) are investigated. Time‐lapse experiments reveal that both N and L traps can reopen by smooth and continuous outward lobe bending, but only L traps can undergo smooth bending followed by a much faster snap‐through of the lobes. Additionally, L traps can reopen asynchronously, with one of the lobes moving before the other. This study challenges the current consensus on trap reopening, which describes it as a slow, smooth process driven by hydraulics and cell growth and/or expansion. Based on the results gained via three‐dimensional digital image correlation (3D‐DIC), morphological and mechanical investigations, the differences in trap reopening are proposed to stem from a combination of size and slenderness of individual traps. This study elucidates trap reopening processes in the (in)famous Dionaea snap traps - unique shape‐shifting structures of great interest for plant biomechanics, functional morphology, and applications in biomimetics, i.e., soft robotics.
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    The structural and mechanical basis for passive‐hydraulic pine cone actuation
    (2022) Eger, Carmen J.; Horstmann, Martin; Poppinga, Simon; Sachse, Renate; Thierer, Rebecca; Nestle, Nikolaus; Bruchmann, Bernd; Speck, Thomas; Bischoff, Manfred; Rühe, Jürgen
    The opening and closing of pine cones is based on the hygroscopic behavior of the individual seed scales around the cone axis, which bend passively in response to changes in environmental humidity. Although prior studies suggest a bilayer architecture consisting of lower actuating (swellable) sclereid and upper restrictive (non‐ or lesser swellable) sclerenchymatous fiber tissue layers to be the structural basis of this behavior, the exact mechanism of how humidity changes are translated into global movement are still unclear. Here, the mechanical and hydraulic properties of each structural component of the scale are investigated to get a holistic picture of their functional interplay. Measurements of the wetting behavior, water uptake, and mechanical measurements are used to analyze the influence of hydration on the different tissues of the cone scales. Furthermore, their dimensional changes during actuation are measured by comparative micro‐computed tomography (µ‐CT) investigations of dry and wet scales, which are corroborated and extended by 3D‐digital image correlation‐based displacement and strain analyses, biomechanical testing of actuation force, and finite element simulations. Altogether, a model allowing a detailed mechanistic understanding of pine cone actuation is developed, which is a prime concept generator for the development of biomimetic hygromorphic systems.
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    ItemOpen Access
    Theorie und Numerik einer dreidimensionalen Schalenformulierung
    (1999) Bischoff, Manfred; Ramm, Ekkehard (Prof. Dr.-Ing.)
    Ausgangspunkt der Arbeit ist ein 7-Parameter-Schalenmodell mit Beruecksichtigung der Dickenänderung, das von Buechter und Ramm (1992) vorgestellt wurde. Die Anwendung eines solchen 3D-Schalenmodells ist insbesondere dann sinnvoll, wenn vollständig dreidimensionale Stoffgesetze verwendet werden sollen, womit auch Probleme mit grossen Verzerrungen berechnet werden können. Im Gegensatz zu Büchter und Ramm (1992) wird das Schalenmodell in dieser Arbeit unabhängig von der FE-Formulierung als Semidiskretisierung des Schalenkontinuums in Dickenrichtung auf der Basis eines Mehrfeldfunktionals hergeleitet. So kann das 7-Parameter-Modell als zweidimensionale, kontinuierliche Theorie mit sieben kinematischen Freiheitsgraden pro materiellem Punkt der Schalenmittelfläche verstanden werden. Es wird angestrebt eine physikalische Interpretation der kinematischen und statischen Variablen zu geben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Grössen, die bei konventionellen 5-Parameter-Formulierungen nicht auftreten. Für den linearen Anteil der Querschubverzerrungen wird ein neuer Schubkorrekturfaktor vorgeschlagen, der den Fehler bezüglich der vollständig dreidimensionalen Lösung vermindern kann. Es wird ausserdem gezeigt, dass die Anzahl der kinematischen und statischen Variablen in diesem 7-Parameter-Modell im Hinblick auf die Verwendung dreidimensionaler Stoffgesetze optimal' ist. Schliesslich wird ein einheitliches Konzept zur Formulierung drei- und viereckiger Schalenelemente mit Ansätzen beliebigen Polynomgrades vorgestellt. Dabei werden aus der Literatur bekannte Methoden mit eigenen Entwicklungen kombiniert. Ausserdem wird eine Verbesserung bei der Behandlung von Schalen mit Knicken vorgeschlagen. Das Konzept wird für lineare und quadratische Drei- und Viereckelemente verwirklicht. In numerischen Berechnungen linearer sowie materiell und geometrisch nichtlinearer Probleme werden die Eigenschaften der vorgestellten Elemente untersucht.