Integrierte Leistungen von Sinnesorganen

Präsentation zum Thema: "Integrierte Leistungen von Sinnesorganen"—  Präsentation transkript:

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

2 Die Mückenantenne

3 Der Tenor und die Mücken
440 Hz Er übt den Kammerton a

4 Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

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

6 Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

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

8 7 nm Potenzialänderung Erklärung

9 Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

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

11 Modellvorstellung zur Signalwandlung im JOHNSTONschen Organ
Auf-Ab-Schwingung Quasi doppelte Frequenz 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

12 einfache Summation der Signale
Bei der Messung Summierer einfache Summation der Signale

13 Erste experimentelle Realisierung (1976)
Bewegte Luftmoleküle schleppen die Antenne auf und ab, hin und her, oder dazwischen Dioden für einseitige Signale Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz Erste experimentelle Realisierung (1976)

14 Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch bewegten Luftpartikel
Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit ! Ergebnis: Grobes Modell 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.

15 Schallschnelle-Sensor
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

16 Traditionelle Messmikrofone messen den Schalldruck
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

17 Mikrosystem künstliche Mückenantenne
Vision für ein bionisches Schnelle-Mikrofon Mikrosystem künstliche Mückenantenne

18 Das Seitenlinienorgan der Fische

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

20 Artspezifische Strömungsspur
Sonnenbarsch Buntbarsch These: Fische hinterlassen eine Strömungsspur, die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan gefühlt wird. Kugelfisch 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 m hoch. Fast 100 × höher als in der Biologie

23 Autonomes Unterwasser-Vehikel „erfühlt“ seine Umgebung

24 Elektroortung bei Fischen

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

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

27 Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii)
400 Hz Metalldetektor Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Aktive Elektroortung

28 leitend nichtleitend Feldverzerrung

29 Um die Fähigkeit der Elektroortung von G
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 Cochlea Tektorialmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen
Basilarmembran Sie verstärken die Verschiebung Tektorialmembran/Basilarmembran Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“

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

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

34 Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton
Zirpen einer Grille Es wäre wohl technisch unsinnig, ein solch kompliziertes Mikrofon bionisch nachzubauen Quaken eines Ochsenfroschs Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton

35 Ultraschallortung der Fledermäuse

36 Echoortung der Fledermaus Doppler-Kompensation
Vorteil des FM (Frequenz modulierten) Rufes: Die empfangene Frequenz überlagert nicht die Ruffrequenz! Suche 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. Identifizierung Doppler-Kompensation

37 Die Navigation der Bienen

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

39 Der Akteur und die Requisiten

40 Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen
Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

41 Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche
Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

42 Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

43 Polarisationsmuster des Himmels
Normal schwingt Licht in alle Richtungen Polarisationsfolie Sonne Polarisationsmuster des Himmels

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

45 Abdrift durch Seitenwind
Sollkurs Wind Flugweg 8 m/s Abdrift durch Seitenwind

46 60 km Flensburg 40 km/h 200 km/h 300 km Hannover

47 Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

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

49 Mathematisches Modell
Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

50 Der Spangenglobus

51 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

52 bei 100 Käferentscheidungen

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

54 Physikalisches Modell

55 Links-Rechts-Bewegungssensor
1 2 Bedingung: Abstand der Hell-Dunkel-Sprünge >> Abstand der Sehelemente Macht aus dem Sprung ein Impuls D D Zieht den Impuls in die Länge Impuls füllt Sanduhr Der elementare Links-Rechts-Bewegungssensor VerbleibendeFüllhöhe des Sandes ist der Multiplikator Multiplikator In der Technik nennt man das „Kreuzkorrelation“ D Hochpassfilter Es wird multipliziert, wenn der Hell-Dunkel-Sprung den Sensor 2 erreicht Tiefpassfilter (Sanduhr)

56 Mathematisches Modell der Regelungstechniker

57 Zwei-Ommatidien-Schaltung
Aus dem Hell-Dunkel-Sprung wird ein Impuls Übertragungsfunktion: Zwei-Ommatidien-Schaltung

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

59 HeliCommand Stehen über Grund
Optischer Geschwindigkeitsmesser für Modellhubschrauber und Mikro Air Vehikel

60 Das Oszillationsgyroskop der Wiesenschnake

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

62 Klöppelorgan Das war 1978 Und Heute 2013 MEMS Gyroskop im iPhone
Originaltext aus der Vorlesung Bionik II am : 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. Das war 1978 Und Heute 2013 MEMS Gyroskop im iPhone

63 In dem internationalen Magazin „The Rotarian“
erscheint im Mai 1962 die Meldung: The common housefly served as the model for the first gyroscope with no rotating parts, the Gyrotron, build experimentally by the Sperry Rand Corporation.

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

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

66 Die AR Drone Parrot mit von den Insekten abgeleiteten Schwinggyroskopen und mit einem von der Fledermaus inspirierten Entfernungssonar Ein 2-achsiges MEMS-Gyroskop und ein piezoelektrisches Präzisionsgyroskop übernehmen die Giermessungen und die Richtungssteuerung. Und da fehlt noch etwas !

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

68 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

69 Ende