Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II
(Biosensorik / Bioinformatik)
Integrierte Leistungen von Sinnesorganen
Exotische
Messprinzipien in der Natur
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Die Mückenantenne
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Der Tenor und die Mücken
440 Hz
Er übt den Kammerton a
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Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke
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Flügelschlagfrequenz Weibchen 400 Hz Männchen
600 Hz
Antenne einer männlichen und einer weiblichen
Stechmücke
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Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen
Organ
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Das Johnstonsche Organ an der Basis einer
Fliegenantenne
Haar
Werden gedehnt und gestaucht, wenn sich der
Schaft der Antenne bewegt
Antennenbasis
Pedicellus
Sinneszellen
äußerer Skolopidienring
innerer Skolopidienring
Basalplatte
basale Skolopidien
Nervenkomplex
Scapus
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7 nm Potenzialänderung
Erklärung
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Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen
Organ
Ableitung
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Das JOHNSTON-Organ an der Basis einer
Fliegenantenne
Haar
Antennenbasis
Pedicellus
Sinneszelle
äußerer Skolopidienring
innerer Skolopidienring
Basalplatte
Die ca. 30000 Sinneszellen (Skolopidien)
reagieren primär auf Zug
basale Skolopidien
Nervenkomplex
Scapus
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Auf-Ab-Schwingung
Quasi doppelte Frequenz
Kipp-Schwingung
Modellvorstellung zur Signalwandlung im
JOHNSTONschen 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
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Bei der Messung
Summierer
einfache Summation der Signale
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Bewegte Luftmoleküle schleppen die Antenne auf
und ab, hin und her, oder dazwischen
Dioden für einseitige Signale
Bei Kippschwingungen doppelte Frequenz
Erste experimentelle Realisierung (1976)
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Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch
bewegten Luftpartikel Nicht verwechseln mit der
Schallgeschwindigkeit !
Ergebnis
Grobes Modell
Die Mücke besitzt ein Schallschnelle-Vektormessger
ät. Die gefiederte Geißel wird von den
longitudinal hin und her schwingenden
Luftmolekülen mitgeschleppt. Das Verhältnis von
Grundwelle zur Oberwelle bestimmt die
Schlepprichtung der Geißel.
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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
drei winzige Platindrähte auf ca. 200C 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
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Traditionelle Messmikrofone messen den
Schalldruck. Das Messen der Schall-schnelle, der
zweiten wichtigen akusti-schen Größe, war lange
Zeit nur indirekt möglich. Die Firma Microflown
Techno-logies BV in den Niederlanden hat nun
einen Sensor entwickelt welche die Schallschnelle
(oft auch Teilchenge-schwindigkeit) direkt messen
kann. Das Wirkprinzip des Sensors beruht auf
einer verbesserten Heizdrahttechnologie, bei der
eine Temperaturdifferenz über zwei parallele
Heizdrähte gemessen wird. Sie dient dabei als
direktes Maß für die akustische Geschwindigkeit.
Der Sensor basiert auf MEMS Technologie, ist
äußerst klein und deckt den ganzen akustischen
Messbereich (also auch die tiefen Frequenzen)
ab. Da die Schallschelle eine gerichtete Größe
ist, können damit Quellen beim Abhören viel
präziser geortet werden.
Schnelle-Mikrofon
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Vision für ein bionisches Schnelle-Mikrofon
Mikrosystem künstliche Mückenantenne
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Das Seitenlinienorgan der Fische
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Seitenlinienorgan des Hais
Poren
Schuppen
Gallerte
Innerer Kanal
Poren
Haarzellen
Druck-welle !
Momentan induzierte Geschwindigkeit
Nervenfasern
Innerer Kanal
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Artspezifische Strömungsspur
Sonnenbarsch
Buntbarsch
Kugelfisch
These Fische hinterlassen eine Strömungsspur,
die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan
gefühlt wird.
H. Bleckmann und W. Hanke Journal of
Experimental Biology 207, S. 1585-1596.
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Fischschwarm
Man fühlt sich gegenseitig über
das Seitenlinienorgan
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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
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Autonomes Unterwasser-Vehikel erfühlt seine
Umgebung
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Elektroortung bei Fischen
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Poren
Das elektrorezeptive System des Hais
Lorenzinische Ampullen
( modifizierte Haarzellen)
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Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens
EEG einer verborgenen Scholle
Passive Elektroortung
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400 Hz
Metalldetektor
Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii)
Aktive Elektroortung
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leitend
nichtleitend
Feldverzerrung
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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.
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Frequenzanalyse in der Cochlea
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Tektorialmembran
Äußere Haarzellen
Innere Haarzellen
Cochlea
Basilarmembran
Sie verstärken die Verschiebung Tektorialmembran/B
asilarmembran
Die äußeren Haarzellen wirken durch eine
Verlängerung bei Abbiegung als Servomotor
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Amboss
Hammer
Steigbügel
Cochläre Tennwand
Trommelfell
Untersetzungsgetriebe
Wanderwellentheorie nach Georg von Békésy
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Anregungsfrequenz
Gelenkketten-Ölmodell
Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz
Gelenkkette
z. B. Kette am Abflussstöpsel einer Badewanne
Öl
Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz
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Es wäre wohl technisch unsinnig, ein solch
kompliziertes Mikrofon bionisch nachzubauen
Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem
tiefen Ton
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Ultraschallortung der Fledermäuse
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Echoortung der Fledermaus
Vorteil des FM (Frequenz modulierten) Rufes Die
empfangene Frequenz überlagert nicht die
Ruffrequenz!
Suche
Identifizierung
Bei der Jagd wird die Frequenz des Ortungs-lautes
so verändert, dass der Doppler-Effekt kompensiert
wird und die Frequenz des Echos immer im Bereich
der Hörfovea liegt.
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Die Navigation der Bienen
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Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten
Tunnel
( Preisgekröntes echtes Foto von Marco
Kleinhenz )
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Der Akteur
und die Requisiten
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Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen
Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft
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Bienentanz
Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche
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Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes
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Normal schwingt Licht in alle Richtungen
Polarisationsfolie
Sonne
Polarisationsmuster des Himmels
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Polarisationsrichtung
Sternfolie von Karl von Frisch
Karl von Frisch (1886-1982)
Nobelpreis 1973
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Sollkurs
Wind
8 m/s
Flugweg
Abdrift durch Seitenwind
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60 km
Flensburg
200 km/h
300 km
Hannover
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Bienenflug über ein Gewässer bei Wind
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Foto Gabriele Jesdinsky
Rüsselkäfer
Versuchstier zur Aufklärung der optomotorischen
Reaktion
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Mathematisches Modell
Verhaltensphysiologische Methode
Kontrollierte Reizgebung Messung der
Reaktion
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Der Spangenglobus
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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
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bei 100 Käferentscheidungen
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Die Grille läuft auf einer luftgelagerten
Styropor-Kugel. Das rotierende Streifenmuster
erzeugt eine Drehreaktion.
Messung der optomotorischen Reaktion einer
laufenden Grille (1999)
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Physikalisches Modell
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1
2
Bedingung Abstand der Hell-Dunkel-Sprünge gtgt
Abstand der Sehelemente
Macht aus dem Sprung ein Impuls
D
D
Zieht den Impuls in die Länge
Impuls füllt Sanduhr
Der elementare Links-Rechts-Bewegungssensor
VerbleibendeFüllhöhe des Sandes ist der
Multiplikator
Multiplikator
D
In der Technik nennt man das Kreuzkorrelation
Hochpassfilter
Tiefpassfilter (Sanduhr)
Es wird multipliziert, wenn der
Hell-Dunkel-Sprung den Sensor 2 erreicht
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Mathematisches Modell der Regelungstechniker
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Aus dem Hell-Dunkel-Sprung wird ein Impuls
Zwei-Ommatidien-Schaltung
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Heute GPS !!!
Montage an ein Motorflugzeug
Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges
(1977)
Erprobung am Segelflugzeug ASK 13
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HeliCommand
Stehen über Grund
Optischer Geschwindigkeitsmesser für
Modellhubschrauber und Mikro Air Vehikel
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Das Oszillationsgyroskop der Wiesenschnake
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Foto M. Wiora
Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake
Foto Klaus Maritschnig
Schwingkölbchen
Es gibt Patente für ein Oszillationsgyroskop
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Originaltext aus der Vorlesung Bionik II am 2.
11. 1978
Klöppelorgan Die Hinterflügel bei Dipteren
(Zweiflügler) sind zu Schwingkölbchen
ausgebildet. Bei einer anderen Insektenart, den
Fächerflüglern, sind es die vorderen Flügel.
Fliegen und Mücken können ohne dieses Organ nicht
mehr richtig fliegen, sondern stürzen, in die
Luft geworfen, unter dauernden Drehungen ab. Das
Klöppelorgan kann verglichen werden mit einem
Kreiselkompass zur Feststellung von
gleichförmigen Drehbewegungen.. Das Labyrinth des
Menschen kann nur Drehbeschleunigungen messen.
Versuche mit Fliegen im Dunkeln haben ergeben
Die Halteren sind Drehsinnesorgane. Der
biologische Kreiselkompass arbeitet ohne
rotierende Teile. Die Sperry-Rand-Werke haben
diesen biologischen Kreiselkompass nachgebaut.
Sie entwarfen ein Gyroskop ohne rotierende Teile,
das Gyrotron.
Das war 1978
Und Heute 2013
MEMS Gyroskop im iPhone
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In dem internationalen Magazin The
Rotarian erscheint im Mai 1962 die Meldung
The common housefly served as the model for the
first gyroscope with no rotating parts, the
Gyrotron, build experimentally by the Sperry Rand
Corporation.
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Stimmgabelzinken Schwingung
Richtung der Corioliskraft
Kapazitive Siliziumfinger
Feder
Verschiebung
Masse
piezoelektrisch bewegt
Verankerung
MEMS Schwingungs-Gyro
Micro Electro Mecanical System
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Experiment im Panthéon in Paris mit einem 67 m
langen Pendel
Plattform Erde
Das Foucaultsche Pendel
Michael Pfeiffer
Schwingkölbchen Insekt
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Die AR Drone Parrot mit von den Insekten
abgeleiteten Schwinggyroskopen und mit einem von
der Fledermaus inspirierten Entfernungssonar
Ein 2-achsiges MEMS-Gyroskop und ein
piezoelektrisches Präzisionsgyroskop übernehmen
die Giermessungen und die Richtungssteuerung.
Und da fehlt noch etwas !
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Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der
Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät)
wäre ein lohnendes Projekt für heute !
Nämlich ein schallschnelle-Sensor
Schwarm von Mikro Air Vehikeln
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Exotische Messprinzipien der Natur
Zusammenfassung
1. Die Mückenantenne als Schallschnelle-Vektormess
gerät
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
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Ende
www.bionik.tu-berlin.de