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

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1 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

2 Die Mückenantenne

3 Der Tenor und die Mücken

4 Antenne einer männlichen Stechmücke

5 Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

6 Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

7 7 nm Potenzialänderung

8 Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

9 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.

10 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

11 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

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

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

14 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

15 Mikrosystem künstliche Mückenantenne

16 Das Seitenlinienorgan der Fische

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

18 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

19 Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

20 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

21 Elektroortung bei Fischen

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

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

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

25 leitend nichtleitend Feldverzerrung

26 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.

27 Frequenzanalyse in der Cochlea

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

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

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

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

32 Ultraschallortung der Fledermäuse

33 Echoortung der Fledermaus Doppler-Kompensation

34 Die Navigation der Bienen

35 Der Akteur und die Requisiten

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

37 Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen
Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

38 Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche
Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

39 Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

40 Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsfolie Polarisationsmuster des Himmels

41 Sternfolie von Karl von Frisch
Polarisationsrichtung Sternfolie von Karl von Frisch Karl von Frisch ( )

42 Abdrift durch Seitenwind
Flugweg 8 m/s Abdrift durch Seitenwind

43 60 km Flensburg 40 km/h 200 km/h 300 km Hannover

44 Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

45 Foto: Gabriele Jesdinsky
Rüsselkäfer

46 Mathematisches Modell
Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

47 Der Spangenglobus

48 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

49 bei 100 Käferentscheidungen

50 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)

51 Physikalisches Modell

52 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)

53 Mathematisches Modell

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

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

56 Das Gyroskop der Wiesenschnake

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

58 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

59 Ende