PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“ Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“ Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Die Mückenantenne

Der Tenor und die Mücken

Antenne einer männlichen Stechmücke

Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

7 nm Potenzialänderung

Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch bewegten Luftpartikel Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit ! 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.

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

Modellvorstellung zur Signalwandlung im JONSTONschen Organ Auf-Ab-Schwingung Kipp-Schwingung Modellvorstellung zur Signalwandlung im JONSTONschen Organ In dem Modell sollen Federn als Spannungs-Sensoren nur auf Druck und nicht auf Zug reagieren

Einfache Summation der Signale Summierer Einfache Summation der Signale

Mikrosystem künstliche Mückenantenne

Erste experimentelle Realisierung (1976) Dioden Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz Erste experimentelle Realisierung (1976)

Das Seitenlinienorgan der Fische

Seitenlinienorgan des Hais Poren Schuppen Gallerte Innerer Kanal Poren Haarzellen Druck-welle ! Nervenfasern Innerer Kanal

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. 1585-1596.

Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

Elektroortung bei Fischen

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

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

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

leitend nichtleitend Feldverzerrung

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.

Frequenzanalyse in der Cochlea

Cochlea Tektorialmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen Basilarmembran Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung als „Servomotor“

Wanderwelle in der Cochlea Hammer Amboss Steigbügel Cochläre Tennwand Trommelfell Wanderwelle Basilarmembran Gehörknöchelchen Ovales Fenster Rundes Fenster Wanderwelle in der Cochlea

Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton Zirpen einer Grille Quaken eines Ochsenfroschs Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton

Ultraschallortung der Fledermäuse

Echoortung der Fledermaus Doppler-Kompensation

Die Navigation der Bienen

Der Akteur und die Requisiten

Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel ( Preisgekröntes Foto von Marco Kleinhenz )

Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

Polarisationsmuster des Himmels Polarisationsfolie Polarisationsmuster des Himmels

Sternfolie von Karl von Frisch Polarisationsrichtung Sternfolie von Karl von Frisch

Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

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

Abdrift durch Seitenwind Flugweg 8 m/s Abdrift durch Seitenwind

Foto: Gabriele Jesdinsky Rüsselkäfer

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

Bei 100 Käferentscheidungen

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)

Mathematisches Modell

Zwei-Ommatidien-Schaltung Übertragungsfunktion: Zwei-Ommatidien-Schaltung

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

Das Gyroskop der Wiesenschnake

Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake Foto: M. Wiora Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake Foto: Klaus Maritschnigg Schwingkölbchen

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