Ingo Rechenberg

Integrierte Leistungen von Sinnesorganen

Exotische Messprinzipien in der Natur

PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II (Biosensorik / Bioinformatik)

Die Mückenantenne

Der Tenor und die Mücken

440 H

z

Er übt den Kammerton a

Flügelschlagfrequenz des Mückenweibchens=

Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

Flügelschlagfrequenz:Weibchen ≈ 400 HzMännchen ≈ 600 Hz

Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

Haar

Antennenbasis

PedicellusSinneszellenäußerer Skolopidienring

Basalplatteinnerer Skolopidienring

basale Skolopidien

NervenkomplexScapus

Das Johnstonsche Organ an der Basis einer Fliegenantenne

Werden gedehnt und gestaucht, wenn sich der Schaft der Antenne bewegt

Schaft versteift Oszillierender Eisenstab

Oszilloskop

Mücke

7 nm Potenzialänderung

Erklärung

fAbleitung = fAnregung

fAbleitung 2= fAnregung

Ableitung

Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

Haar

Antennenbasis

PedicellusSinneszelleäußerer Skolopidienring

Basalplatteinnerer Skolopidienring

basale Skolopidien

NervenkomplexScapus

Das JOHNSTON-Organ an der

Basis einer Fliegenantenne

Die ca. 30000 Sinneszellen(Skolopidien) reagieren

primär auf Zug

Auf-Ab-Schwingung

Kipp-Schwingung

Modellvorstellung zur Signalwandlung im JOHNSTONschen Organ

In dem Modell sollen Federn als Spannungs-Sensoren ebenfalls einseitig reagieren, aber im Gegensatz zur Natur nur auf Druck und nicht nur auf Zug

Quasi doppelte Frequenz

Summierer

einfache Summation der Signale

Bei der Messung

Erste experimentelle Realisierung (1976)

Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz

Dioden für einseitige Signale

Bewegte Luftmoleküle schleppen die Antenne auf und ab, hin und her, oder dazwischen

Der Hallgenerator misst den Abstand durch Änderung der Magnetfeldstärke

Ergebnis:

Die Mücke besitzt ein Schallschnelle-Vektormessgerät. Die gefiederte Geißel wird von den longitudinal hin und her schwingenden Luftmolekülen mitgeschleppt. Das Verhältnis von Grundwelle zur Oberwelle bestimmt die Schlepprichtung der Geißel.

Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch bewegten LuftpartikelNicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit !

Grobes Modell

Vorteil der Schallschnelle‐Messung• Viel größere Trennschärfe als bei der Schalldruckmessung• Genaue Lokalisierung der Schallquellen• Die Schallschnelle entspricht dicht vor der Oberfläche der Körperschallschnelle• Gibt auch Aufschluss über das Schwingungsverhalten der Struktur

Messwandler

Sensor0.

5 m

m

& Schwinger

Büschelantenne

Eigenfrequenz

Schall Partikel

Mikrosystem künstliche

Mückenantenne

Vision für ein

bionisches

Schnelle-

Mikrofon

MicroflownSchallschnelle-Sensor

der FirmaISMB Technologies

Herkömmliche Mikrofone messen die durch eine Schallwelle hervorgerufene Druckänderung. Microflown Schnelle-Mikrofone messen hingegen direkt die Teilchenbewegung der Luft. Dazu werden drei winzige Platindrähte auf ca. 200°C erhitzt. Die Schallwelle in der Luft lässt die Luftmoleküle unterschiedlich schnell an diesen Drähten vorbeifließen. Diese differentielle Abkühlung verändert den Widerstand der Drähte, was durch entsprechende Wandlung als elektrisches Signal messbar gemacht wird. Hitzdrahtmikrofon

Traditionelle Messmikrofone messen den Schalldruck. Das Messen der Schall-schnelle, der zweiten wichtigen akusti-schen Größe, war lange Zeit nur indirekt möglich. Die Firma Microflown Techno-logies BV in den Niederlanden hat nun einen Sensor entwickelt welche die Schallschnelle (oft auch Teilchenge-schwindigkeit) direkt messen kann. Das Wirkprinzip des Sensors beruht auf einer verbesserten Heizdrahttechnologie, bei der eine Temperaturdifferenz über zwei parallele Heizdrähte gemessen wird. Sie dient dabei als direktes Maß für die akustische Geschwindigkeit. Der Sensor basiert auf MEMS Technologie, ist äußerst klein und deckt den ganzen akustischen Messbereich (also auch die tiefen Frequenzen) ab.Da die Schallschelle eine gerichtete Größe ist, können damit Quellen beim Abhören viel präziser geortet werden.

Schnelle-Mikrofon

Das Seitenlinienorgan der Fische

Seitenlinienorgan des Hais

Haarzellen

Nervenfasern

Innerer Kanal

Innerer Kanal

Poren

Poren

Schuppen

Gallerte

Druck-welle !

Momentan induzierte Geschwindigkeit

These: Fische hinterlassen eine Strömungsspur, die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan gefühlt wird.

Artspezifische Strömungsspur

Kugelfisch

Buntbarsch

Sonnenbarsch

H. Bleckmann und W. Hanke: Journal of Experimental Biology 207, S. 1585-1596.

Fischschwarm

Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

Ein künstliches Sinnesorgan, das dem Seitenlinienorgan von Fischen nachempfunden ist, soll Unterwasserrobotern die Navigation erleichtern. Sie könnten damit Hindernisse früher erkennen und sich in den Weiten der Ozeane besser orientieren, berichten der Ingenieur Chang Liu und der Neurobiologe Fred Delcomyn von der University of Illinois.

Das künstliche Seitenlinienorgan besteht aus winzigen Siliziumscheibchen mit dreidimensionalen haarähnlichen Strukturen auf der Oberfläche. Jedes der „Siliziumhaare“ ist über ein Mikrogelenk mit einem elektronischen Sensor verbunden. Das entspricht dem natürlichen Vorbild, bei dem jede Haarzelle mit einer Nervenzelle verbunden ist. Werden die künstlichen Härchen von einer Wasserströmung gebogen, erhalten diese Sensoren Informationen über Richtung und Stärke der Strömung. Diese Daten geben sie an einen Computer weiter, der die Bewegungen interpretiert und ein Bild über die Umgebung berechnet.

REM-Bild eines künstlichen Haarzellen-Sensors. Das „technische Cilium“ ist 350 m hoch.

Fast 100 × höher als in der Biologie

SeitenlinienOrgan

Autonomes Unterwasser-Vehikel „erfühlt“ seine Umgebung

Elektroortung bei Fischen

Poren

Lorenzinische Ampullen

Das elektrorezeptive System des Hais

(= modifizierte Haarzellen)

Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens

„EEG“ einer verborgenen Scholle

Passive Elektroortung

Aktive Elektroortung

400 Hz

Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii)

Metalldetektor

Feldverzerrung

leitend nichtleitend

Um die Fähigkeit der Elektroortung von G. petersii zu testen, wurden einzelnen Tieren nach dem Zufallsprinzip unterschiedlich entfernte Objekte hinter zwei Öffnungen in einer Trennwand präsentiert. Schwamm der Fisch durch das Tor, hinter dem sich das weiter entfernte Objekt befand, wurde er belohnt.

Frequenzanalyse in der Cochlea

Tektorialmembran

Basilarmembran

Äußere HaarzellenInnere Haarzellen

Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“

Cochlea

Sie verstärken die VerschiebungTektorialmembran/Basilarmembran

Die äußeren Haarzellen sind elektromotil, d.h. sie reagieren auf Veränderung des Potentials über ihre Zellwand mit einer Änderung ihrer Zelllänge.

Wanderwelle

Basilarmembran

Gehörknöchelchen

Ovales Fenster

Rundes Fenster

SteigbügelAmbossHammer

Trommelfell

Cochläre Tennwand

Wanderwellentheorie nach Georg von Békésy

Untersetzungsgetriebe

Gelenkketten-ÖlmodellAnregungsfrequenz

Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz

Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz

Öl

Gelenkkettez. B. Kette am Abflussstöpsel einer Badewanne

Egbert de Boer (1980)

Mechanisches Cochlea-Modell

Angekoppelte Flüssigkeit

Federn

Massen + Dämpfung

Steigbügel

Hohe Steifigkeit Niedrige Steifigkeit

Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton

Zirpen einer Grille

Quaken eines Ochsenfroschs

Es wäre wohl

technisch unsinnig, ein

solch kompliziertes

Mikrofon bionisch

nachzubauen

Ultraschallortung der Fledermäuse

Echoortung der Fledermaus

Doppler-Kompensation

Regler StreckeRuf Echo61kHz

60

3.Harmonie

2.Harmonie

1.Harmonie

90

30

CF-FM-Ruf FM-Ruf

ZeitZeit

Freq

uenz

KHz CF FM Nur FMSuche Identifizierung

Vorteil des FM (Frequenz modulierten) Rufes: Die empfangene Frequenz überlagert nicht die Ruffrequenz!

Bei der Jagd wird die Frequenz des Ortungs-lautes so verändert, dass der Doppler-Effekt kompensiert wird und die Frequenz des Echos immer im Bereich der Hörfovea liegt.

Die Navigation der Bienen

Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel

( Preisgekröntes „echtes“ Foto von Marco Kleinhenz )

Der Akteur

und die Requisiten

Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

Bienentanz

Richtungsweisung auf der vertikalen

Wabenfläche

Achtung: Bienenwabenstehen immer senkrecht. Ein Lot, die Richtung zum Boden, zeigt die Richtung weg von der Sonne an.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11U

mla

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s

Entfernung / m2000 3000 50004000 6000 7000 8000 9000 1000010000

Apis mellifica carnica

Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

Polarisationsmuster des Himmels

Eine Polarisationsfolie lässt nur eine Schwingungsrichtung des Lichts durch

Normal schwingt Licht in alle Richtungen

Sonne

Sternfolie von Karl von Frisch

Polarisationsrichtung

Karl von Frisch (1886-1982) Nobelpreis 1973

Wind

Flugweg

Abdrift durch Seitenwind

8 m/s

Sollkurs

Problem der Biene, wenn sie derAnweisung des Schwänzeltanzes folgt.

300

km40 km/h

60 km

Hannover

Flensburg

200 km/h

Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

Foto

: Gab

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Rüsselkäfer

Versuchstier zur Aufklärung der optomotorischen Reaktion

Mathematisches Modell

Verhaltensphysiologische Methode

Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

Der Spangenglobus

Der klassische Rüsselkäferversuch

von Hassenstein und Reichardt (1948-1952)

Spangenglobus und Korrelationsauswertung

Der Käfer Chlorophanus trägt, für die Dauer des Ver-suchs freischwebend fixiert, den aus Stroh gefertig-ten Spangenglobus in seinen Füßen mit eigener Kraft, und dreht ihn, indem er vorwärts läuft.

Gewicht des Spangenglobus: 0,1 g

Durchmesser des Spangenglobus: 29 mm

OptischerKorrelationssensor

1 10000

0,2

0,4

0,6

Winkelgeschwindigkeit der MusterbewegungGrad/s

Wah

lreak

tion

der K

äfer

w

10 100

5050 ungenRechtswend der Zahl rechtsw bei 100 Käferentscheidungen

Definition der Wendetendenz !

Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999)

Mustergeschwindigkeit

Optomot.Reaktion120

0 0,1 1 10 100

100

80

60

40

20

0

o

o

o

o

o

o

o

Die Grille läuft auf einer luftgelagerten Styropor-Kugel. Das elektronisch rotierende Streifenmuster erzeugt eine Drehreaktion.

Physikalisches Modell

Der elementareLinks-Rechts-Bewegungssensor

Hochpassfilter

Tiefpassfilter(Sanduhr)

Multiplikator

Impuls füllt Sanduhr

Bedingung: Abstand der Hell-Dunkel-Sprünge >> Abstand der Sehelemente

VerbleibendeFüllhöhe des

Sandes ist der Multiplikator

Es wird multipliziert, wenn der Hell-Dunkel-Sprung den Sensor 2 erreicht

1 2

In der Technik nennt

man das

„Kreuzkorrelation“

Macht aus dem Sprung ein Impuls

Zieht den Impuls in die Länge

Mathematisches Modell der Regelungstechniker

0 1 2 3 4 5 6

Mittelwertbildner Mittelwertbildner

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

11

1 s

s 1

11

s

s

211

s 211

s

Ts1

Ts1

Zwei-Ommatidien-Schaltung

Übertragungsfunktion: tyyt

xss

dd

dd

1 111

1

tytx d

d1dd

11 t

tyx

dd1

dd

1

1

st d

d

Aus dem Hell-Dunkel-Sprung wird ein Impuls

VZ1-Glied

Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges

Montage an ein Motorflugzeug

Erprobung am Segelflugzeug ASK 13

(1977)

Heute GPS !!!

Der HeliCommand-Profi

Optischer Geschwindigkeitsmesser für Modellhubschrauber und Mikro Air Vehikel

Stehen über Grund

(2014)

Das Oszillationsgyroskop der Wiesenschnake

Foto

: M. W

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Schwingkölbchen

Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake

Es gibt Patente für ein Oszillationsgyroskop

KlöppelorganDie Hinterflügel bei Dipteren (Zweiflügler) sind zu Schwingkölbchen ausgebildet. Bei einer anderen Insektenart, den Fächerflüglern, sind es die vorderen Flügel. Fliegen und Mücken können ohne dieses Organ nicht mehr richtig fliegen, sondern stürzen, in die Luft geworfen, unter dauernden Drehungen ab.Das Klöppelorgan kann verglichen werden mit einem Kreiselkompass zur Feststellung von gleichförmigen Drehbewegungen.. Das Labyrinth des Menschen kann nur Drehbeschleunigungen messen. Versuche mit Fliegen im Dunkeln haben ergeben: Die Halteren sind Drehsinnesorgane.Der biologische Kreiselkompass arbeitet ohne rotierende Teile. Die Sperry-Rand-Werke haben diesen biologischen Kreiselkompass nachgebaut. Sie entwarfen ein Gyroskop ohne rotierende Teile, das Gyrotron.

Originaltext aus der Vorlesung Bionik II am 2. 11. 1978:

Das war 1978

MEMS Gyroskop im iPhone

Und Heute 2013

The common housefly served as the model for the first gyroscope with no rotating parts, the Gyrotron, build experimentally by the Sperry Rand Corporation.

In dem internationalen Magazin „The Rotarian“erscheint im Mai 1962 die Meldung:

Richtung derCorioliskraft

StimmgabelzinkenSchwingung

Verschiebung

Verankerung

Feder

Masse

Kapazitive Siliziumfinger

MEMS Schwingungs-GyroMicro Electro Mecanical System

piezoelektrisch bewegt

Das Foucaultsche Pendel

Mic

hael

Pfe

iffer

Schwingkölbchen Insekt

Rotation der Plattform

Gyro

Änderung der Kapazitäten

Prinzip eines Gyro MEMS

Plattform ErdeExperiment im Panthéon in Paris mit einem 67 m langen Pendel

Ein 2-achsiges MEMS-Gyroskop und ein piezoelektrisches Präzisionsgyroskop übernehmen die Giermessungen und die Richtungssteuerung.

Die AR Drone Parrot mit von den Insekten abgeleiteten Schwinggyroskopen und mit einem von der Fledermaus inspirierten Entfernungssonar

Und da fehlt noch etwas !

Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät) wäre ein lohnendes Projekt für heute !

Schwarm von Mikro Air VehikelnNämlich ein schallschnelle-Sensor

Künstliche Schwingkölbchen übernehmen die Giermessungen und die Richtungssteuerung des Quadrokopters. Die zusätzlich angebrachte künstliche Mückenantenne tastet die Position der im Schwarm fliegenden Nachbar-Quads ab.

Die AR Drone Parrot mit Schwinggyros und einem der Stechmücke nachempfundenen Schallschnelle Ortungssensor.

Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät) wäre ein lohnendes Projekt für heute !

Schwarm von Mikro Air Vehikeln

Exotische Messprinzipien der Natur

Zusammenfassung:

1. Die Mückenantenne als Schallschnelle-Vektormessgerät

2. Das Seitenlinienorgan als Fernfühlmessgerät (Ferntastsinn)

3. Das „EEG“-Messsystem des Hais

4. Elektrische Umgebungsabtastung durch den Elefantenrüsselfisch

5. Die Cochlea als Wanderwellen-Frequenzanalysator

6. Die Doppler-Regelung bei der Echoortung der Fledermaus

7. Die berührungslose Geschwindigkeitsmessung der Bienen

8. Der rotationslose Kreiselkompass der Wiesenschnake

Ende

www.bionik.tu-berlin.de