Ingo Rechenberg Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur...
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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
Hz
Er übt den Kammerton a
Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke
Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke
Flügelschlagfrequenz:
Weibchen ≈ 400 HzMännchen ≈ 600 Hz
Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ
Haar
Antennenbasis
PedicellusSinneszelleäußerer Skolopidienring
Basalplatteinnerer Skolopidienring
basale SkolopidienNervenkomplexScapus
Das Johnstonsche Organ an der Basis einer Fliegenantenne
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 SkolopidienNervenkomplexScapus
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
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 Luftpartikel
Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit !
Grobes Modell
Microflown
Schallschnelle-Sensor
der Firma
ISMB 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
Messwandler
Sensor0.5
mm
& Schwinger
Büschelantenne
Eigenfrequenz
Schall Partikel
Mikrosystem künstliche
Mückenantenne
Vision
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
Seitenlinien
Organ
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 Haarzellen
Innere Haarzellen
Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“
Cochlea
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
Gelenkkette
Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton
Zirpen einer Grille
Quaken eines Ochsenfroschs
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!
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
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11U
mla
ufz
eit
/ s
Entfernung / m2000 3000 50004000 6000 7000 8000 9000 1000010000
Apis mellifica carnica
Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes
Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsfolie
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
300
km40 km/h
60 km
Hannover
Flensburg
200 km/h
Bienenflug über ein Gewässer bei Wind
Foto
: Gab
riele
Jes
dins
ky
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
Optischer
Korrelationssensor
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
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 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
Füllhöhe des Sandes ist der
Multiplikator
Es wird multipliziert, wenn der Hell-Dunkel-Sprung den Sensor 2 erreicht
1 2
In der Tech
nik nennt
man das
„Kre
uzkorre
lation“
Macht aus dem Sprung ein Impuls
Zieht den Impuls in die Länge
Mathematisches Modell
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
1
1
1 s
s 1
1
1 s
s
211
s 211
s
Ts1
Ts1
Zwei-Ommatidien-Schaltung
Übertragungsfunktion: tyy
tx
ss
dd
dd
1 111
1
ty
tx
dd1
dd
11 t
tyx
dd1
dd
1
1
s
t
dd
Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges
Montage an ein Motorflugzeug
Erprobung am Segelflugzeug ASK 13
(1977)
HeliCommand
Optischer Geschwindigkeitsmesser für Modellhubschrauber und Mikro Air Vehikel
Stehen über Grund
Das Oszillationsgyroskop der Wiesenschnake
Foto
: M. W
iora
Foto
: Kl
aus
Mar
itsch
nig
Schwingkölbchen
Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake
Es gibt Patente für ein Oszillationsgyroskop
KlöppelorganDie Hinterflügel bei Dipteren (Zweiflügler) sind zu Schwingkölbchen ausgebildet. Beri 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 4
Und Heute 2011
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
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