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Ingo Rechenberg Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II ( Biosensorik.

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1 Ingo Rechenberg Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II ( Biosensorik / Bioinformatik)

2 Die Mückenantenne

3 Der Tenor und die Mücken 440 Hz Er übt den Kammerton a Flügelschlagfrequenz des Mückenweibchens =

4 Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

5 Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke Flügelschlagfrequenz: Weibchen ≈ 400 Hz Männchen ≈ 600 Hz

6 Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

7 Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszellen äußerer Skolopidienring Basalplatte innerer Skolopidienring basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus Das Johnstonsche Organ an der Basis einer Fliegenantenne Werden gedehnt und gestaucht, wenn sich der Schaft der Antenne bewegt

8 7 nm Potenzialänderung Erklärung

9 Ableitung Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

10 Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring Basalplatte innerer Skolopidienring basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus Das J OHNSTON -Organ an der Basis einer Fliegenantenne Die ca Sinneszellen (Skolopidien) reagieren primär auf Zug

11 Auf-Ab-Schwingung Kipp-Schwingung Modellvorstellung zur Signalwandlung im J OHNSTON schen 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

12 Summierer einfache Summation der Signale Bei der Messung

13 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

14 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 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

15 Mikrosystem künstliche Mückenantenne Vision für ein bionisches Schnelle-Mikrofon

16 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

17 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

18 Das Seitenlinienorgan der Fische

19 Seitenlinienorgan des Hais Haarzellen Nervenfasern Innerer Kanal Poren Schuppen Gallerte Druck- welle ! Momentan induzierte Geschwindigkeit

20 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

21 Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

22 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

23 Autonomes Unterwasser-Vehikel „erfühlt“ seine Umgebung

24 Elektroortung bei Fischen

25 Poren Lorenzinische Ampullen Das elektrorezeptive System des Hais (= modifizierte Haarzellen)

26 Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens „EEG“ einer verborgenen Scholle Passive Elektroortung

27 Aktive Elektroortung 400 Hz Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Metalldetektor

28 Feldverzerrung leitendnichtleitend

29 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.

30 Frequenzanalyse in der Cochlea

31 Tektorialmembran Basilarmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“ Cochlea Sie verstärken die Verschiebung Tektorialmembran/Basilarmembran Die äußeren Haarzellen sind elektromotil, d.h. sie reagieren auf Veränderung des Potentials über ihre Zellwand mit einer Änderung ihrer Zelllänge.

32 Wanderwelle Basilarmembran Gehörknöchelchen Ovales Fenster Rundes Fenster Steigbügel Amboss Hammer Trommelfell Cochläre Tennwand Wanderwellentheorie nach Georg von Békésy Untersetzungsgetriebe

33 Gelenkketten-Ölmodell Anregungsfrequenz Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz Öl Gelenkkette z. B. Kette am Abflussstöpsel einer Badewanne

34 Egbert de Boer (1980) Mechanisches Cochlea-Modell Angekoppelte Flüssigkeit Federn Massen + Dämpfung Steigbügel Hohe Steifigkeit Niedrige Steifigkeit

35 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

36 Ultraschallortung der Fledermäuse

37 Echoortung der Fledermaus Doppler-Kompensation Suche 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.

38 Die Navigation der Bienen

39 Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel ( Preisgekröntes „echtes“ Foto von Marco Kleinhenz )

40 Der Akteur und die Requisiten

41 Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

42 Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche Achtung: Bienenwaben stehen immer senkrecht. Ein Lot, die Richtung zum Boden, zeigt die Richtung weg von der Sonne an.

43 Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

44 Polarisationsmuster des Himmels Eine Polarisationsfolie lässt nur eine Schwingungsrichtung des Lichts durch Normal schwingt Licht in alle Richtungen Sonne

45 Sternfolie von Karl von Frisch Polarisationsrichtung Karl von Frisch ( ) Nobelpreis 1973

46 Wind Flugweg Abdrift durch Seitenwind 8 m/s Sollkurs Problem der Biene, wenn sie der Anweisung des Schwänzeltanzes folgt.

47 300 km 40 km/h 60 km Hannover Flensburg 200 km/h

48 Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

49 Foto : Gabriele Jesdinsky Rüsselkäfer Versuchstier zur Aufklärung der optomotorischen Reaktion

50 Mathematisches Modell Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

51 Der Spangenglobus

52 Der klassische Rüsselkäferversuch von Hassenstein und Reichardt ( ) 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

53 bei 100 Käferentscheidungen Definition der Wendetendenz !

54 Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999 ) Die Grille läuft auf einer luftgelagerten Styropor- Kugel. Das elektronisch rotierende Streifenmuster erzeugt eine Drehreaktion.

55 Physikalisches Modell

56   Der elementare Links-Rechts-Bewegungssensor  Hochpassfilter Tiefpassfilter (Sanduhr) Multiplikator Impuls füllt Sanduhr Bedingung: Abstand der Hell-Dunkel-Sprünge >> Abstand der Sehelemente Verbleibende Füllhöhe 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

57 Mathematisches Modell der Regelungstechniker

58 Zwei-Ommatidien-Schaltung Übertragungsfunktion: Aus dem Hell-Dunkel- Sprung wird ein Impuls VZ1-Glied

59 Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges Montage an ein Motorflugzeug Erprobung am Segelflugzeug ASK 13 (1977) Heute GPS !!!

60 Der HeliCommand-Profi Optischer Geschwindigkeitsmesser für Modellhubschrauber und Mikro Air Vehikel Stehen über Grund (2014)

61 Das Oszillationsgyroskop der Wiesenschnake

62 Foto: M. Wiora Foto: Klaus Maritschnig Schwingkölbchen Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake Es gibt Patente für ein Oszillationsgyroskop

63 Klöppelorgan Die 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 : Das war 1978 MEMS Gyroskop im iPhone Und Heute 2013

64 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:

65 Richtung der Corioliskraft Stimmgabelzinken Schwingung Verschiebung Verankerung Feder Masse Kapazitive Siliziumfinger MEMS Schwingungs-Gyro Micro Electro Mecanical System piezoelektrisch bewegt

66 Das Foucaultsche Pendel Michael Pfeiffer Schwingkölbchen Insekt Rotation der Plattform Gyro Änderung der Kapazitäten Prinzip eines Gyro MEMS Plattform Erde Experiment im Panthéon in Paris mit einem 67 m langen Pendel

67 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 !

68 Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät) wäre ein lohnendes Projekt für heute ! Schwarm von Mikro Air Vehikeln Nämlich ein schallschnelle-Sensor

69 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.

70 Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät) wäre ein lohnendes Projekt für heute ! Schwarm von Mikro Air Vehikeln

71 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

72 Ende


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