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

Die Mückenantenne

Der Tenor und die Mücken

Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring Basalplatte innerer Skolopidienring basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus Das Johnstonsche Organ an der Basis einer Fliegenantenne

7 nm Potenzialänderung Erklärung

Ableitung Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

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

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

Summierer einfache Summation der Signale Bei der Messung

Erste experimentelle Realisierung (1976) Bei Kippschwingungen doppelte Frequenz Dioden

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 zwei 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

Mikrosystem künstliche Mückenantenne Vision

Das Seitenlinienorgan der Fische

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

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

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

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 leitendnichtleitend

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 Steigbügel Amboss Hammer Trommelfell Cochläre Tennwand Wanderwelle in der Cochlea Untersetzungsgetriebe

Gelenkketten-Ölmodell Anregungsfrequenz 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

Die Navigation der Bienen

Der Akteur und die Requisiten

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

Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

Polarisationsmuster des Himmels Polarisationsfolie

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

Wind Flugweg Abdrift durch Seitenwind 8 m/s

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

Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

Foto: Gabriele Jesdinsky 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 ( ) 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.

Physikalisches Modell

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

Mathematisches Modell

Zwei-Ommatidien-Schaltung Übertragungsfunktion:

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

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