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

Präsentation zum Thema: "Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur."—  Präsentation transkript:

1 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

2 Die Mückenantenne

3 Der Tenor und die Mücken

4 Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

5 Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

6 Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

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

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. 30000 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

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

15 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

16 Mikrosystem künstliche Mückenantenne Vision

17 Das Seitenlinienorgan der Fische

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

19 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. 1585-1596.

20 Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

21 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

22 Autonomes Unterwasser-Vehikel erfühlt seine Umgebung

23 Elektroortung bei Fischen

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

25 Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens EEG einer verborgenen Scholle Passive Elektroortung

26 Aktive Elektroortung 400 Hz Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Metalldetektor

27 Feldverzerrung leitendnichtleitend

28 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.

29 Frequenzanalyse in der Cochlea

30 Tektorialmembran Basilarmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als Servomotor Cochlea

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

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

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

34 Ultraschallortung der Fledermäuse

35 Echoortung der Fledermaus Doppler-Kompensation

36 Die Navigation der Bienen

37 Der Akteur und die Requisiten

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

39 Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

40 Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

41 Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

42 Polarisationsmuster des Himmels Polarisationsfolie

43 Sternfolie von Karl von Frisch Polarisationsrichtung Karl von Frisch (1886-1982 ) Nobelpreis 1973

44 Wind Flugweg Abdrift durch Seitenwind 8 m/s

45 300 km 40 km/h 60 km Hannover Flensburg 200 km/h

46 Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

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

48 Mathematisches Modell Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

49 Der Spangenglobus

50 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

51 bei 100 Käferentscheidungen

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

53 Physikalisches Modell

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

55 Mathematisches Modell

56 Zwei-Ommatidien-Schaltung Übertragungsfunktion:

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

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

59 Das Oszillationsgyroskop der Wiesenschnake

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

61 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

62 Ende www.bionik.tu-berlin.de