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Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“. Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur. Die Mückenantenne. 440 Hz. Der Tenor und die Mücken.
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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2.Vorlesung „Bionik II/Biosensorik“ Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur
440 Hz Der Tenor und die Mücken
Flügelschlagfrequenz: Weibchen≈ 400 Hz Männchen ≈ 600 Hz Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke
Das Johnstonsche Organ an der Basis einer Fliegenantenne Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring innerer Skolopidienring Basalplatte basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus
7nm Potenzialänderung Erklärung
Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ Ableitung
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
Auf-Ab-Schwingung QuasidoppelteFrequenz 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
Bei der Messung Summierer einfache Summation der Signale
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)
Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch bewegten Luftpartikel Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit ! Ergebnis: Grobes Modell 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.
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. 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
Vision Mikrosystem künstliche Mückenantenne
Seitenlinienorgan des Hais Poren Schuppen Gallerte Innerer Kanal Poren Haarzellen Druck-welle ! Momentan induzierte Geschwindigkeit Nervenfasern Innerer Kanal
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.
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 mm hoch. Fast 100×höher als in der Biologie
Poren Das elektrorezeptive System des Hais Lorenzinische Ampullen (= modifizierte Haarzellen)
Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens „EEG“ einer verborgenen Scholle Passive Elektroortung
400 Hz Metalldetektor Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Aktive Elektroortung
leitend nichtleitend Feldverzerrung
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.
Tektorialmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen Cochlea Basilarmembran Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“
Gehörknöchelchen Ovales Fenster Rundes Fenster Wanderwelle Basilarmembran Hammer Amboss Steigbügel Cochläre Tennwand Trommelfell Untersetzungsgetriebe Wanderwellentheorie nach Georg von Békésy
Anregungsfrequenz Gelenkketten-Ölmodell Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz Gelenkkette Öl Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz
Zirpen einer Grille Quaken eines Ochsenfroschs Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton
Doppler-Kompensation Echoortung der Fledermaus Suche Identifizierung
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
Normal schwingt Licht in alle Richtungen Polarisationsfolie Sonne Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsrichtung Sternfolie von Karl von Frisch Karl von Frisch (1886-1982) Nobelpreis 1973
Sollkurs Wind 8 m/s Flugweg Abdrift durch Seitenwind
40 km/h 60 km Flensburg 200 km/h 300 km Hannover
Foto: Gabriele Jesdinsky Rüsselkäfer Versuchstier zur Aufklärung der optomotorischen Reaktion
Mathematisches Modell Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion
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