PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ 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

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

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

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

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 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

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

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

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

Gelenkketten-Ölmodell Anregungsfrequenz Gelenkketten-Ölmodell Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz Gelenkkette Öl Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz

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 Karl von Frisch (1886-1982)

Abdrift durch Seitenwind Flugweg 8 m/s Abdrift durch Seitenwind

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

Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

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)

Physikalisches Modell

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

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