B2-15Fo2 - Bionik TU

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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II (Biosensorik /Bioinformatik)
Integrierte Leistungen von Sinnesorganen
Exotische Messprinzipien in der Natur
Die Mückenantenne
Flügelschlagfrequenz
Der Tenor
und die
Mücken
= des Mückenweibchens
Er übt den
Kammerton a
Akustische
Antenne einer
männlichen
Stechmücke
Flügelschlagfrequenz:
Weibchen ≈ 400 Hz
Männchen ≈ 600 Hz
Antenne einer
männlichen und einer
weiblichen Stechmücke
Akustische Antenne einer
männlichen Stechmücke
Lagerung der
Antennenschäfte im
Johnstonschen Organ
Das Johnstonsche Organ an
der Basis einer Fliegenantenne
Haar
Antennenbasis
Pedicellus
Sinneszellen
äußerer Skolopidienring
innerer Skolopidienring
Basalplatte
basale Skolopidien
Nervenkomplex
Scapus
Werden gedehnt und
gestaucht, wenn sich
der Schaft der
Antenne bewegt
7 nm
Potenzialänderung
Schaft versteift
Mücke
Oszilloskop
Erklärung
Oszillierender
Eisenstab
Ableitung der Potenziale aus
dem Johnstonschen Organ
Ableitung
fAbleitung = fAnregung
fAbleitung = 2 fAnregung
Das JOHNSTON-Organ an der
Basis einer Fliegenantenne
Haar
Antennenbasis
Pedicellus
Sinneszelle
äußerer Skolopidienring
innerer Skolopidienring
Basalplatte
basale Skolopidien
Nervenkomplex
Scapus
Die ca. 30000 Sinneszellen
(Skolopidien) reagieren
primär auf Zug
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
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
Der Hallgenerator misst den
Abstand durch Änderung der
Magnetfeldstärke
Erste experimentelle Realisierung (1976)
Charakteristische Geschwindigkeit der
akustisch bewegten Luftpartikel
Ergebnis:
Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit !
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.
Vorteil der Schallschnelle‐Messung
• Viel größere Trennschärfe als bei der Schalldruckmessung
• Genaue Lokalisierung der Schallquellen
• Die Schallschnelle entspricht dicht vor der Oberfläche der Körperschallschnelle
• Gibt auch Aufschluss über das Schwingungsverhalten der Struktur
Sensor
0.5 mm
Büschelantenne
Schall Partikel
Mikrosystem
künstliche
Mückenantenne
Eigenfrequenz
Messwandler
& Schwinger
Microflown
Schallschnelle-Sensor
der Firma
ISMB Technologies
Herkömmliche Mikrofone messen die durch eine Schallwelle
hervorgerufene Druckänderung. Microflown SchnelleMikrofone 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
Schnelle-Mikrofon
Traditionelle Messmikrofone messen den
Schalldruck. Das Messen der Schallschnelle, der zweiten wichtigen akustischen Größe, war lange Zeit nur indirekt
möglich. Die Firma Microflown Technologies BV in den Niederlanden hat nun
einen Sensor entwickelt welche die
Schallschnelle (oft auch Teilchengeschwindigkeit) 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.
Das Seitenlinienorgan der Fische
Seitenlinienorgan
des Hais
Poren
Schuppen
Gallerte
Innerer Kanal
Poren
Haarzellen
Momentan induzierte
Geschwindigkeit
Druckwelle !
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
Seitenlinien
Organ
Autonomes Unterwasser-Vehikel „erfühlt“ seine Umgebung
Elektroortung bei Fischen
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.
Frequenzanalyse in der Cochlea
Tektorialmembran
Die äußeren Haarzellen sind elektromotil,
d.h. sie reagieren auf Veränderung des
Potentials über ihre Zellwand mit einer
Änderung ihrer Zelllänge.
Äußere Haarzellen
Innere Haarzellen
Cochlea
Basilarmembran
Sie verstärken die Verschiebung
Tektorialmembran/Basilarmembran
Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“
Hammer
Amboss
Steigbügel
Cochläre Tennwand
Trommelfell
Gehörknöchelchen
Untersetzungsgetriebe
Ovales Fenster
Rundes Fenster
Wanderwelle
Basilarmembran
Wanderwellentheorie
nach Georg von Békésy
Anregungsfrequenz
Gelenkketten-Ölmodell
Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz
Gelenkkette
z. B. Kette am
Abflussstöpsel
einer Badewanne
Öl
Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz
Hohe Steifigkeit
Niedrige Steifigkeit
Federn
Massen + Dämpfung
Steigbügel
Angekoppelte Flüssigkeit
Mechanisches Cochlea-Modell
Egbert de Boer (1980)
Zirpen
einer Grille
Wanderwellenmaximum bei einem
hohen und einem tiefen Ton
Quaken eines
Ochsenfroschs
Ultraschallortung der Fledermäuse
Echoortung
der Fledermaus
Vorteil des FM (Frequenz modulierten) Rufes:
Die empfangene Frequenz überlagert nicht
die Ruffrequenz!
CF-FM-Ruf
Bei der Jagd wird die Frequenz des Ortungslautes so verändert, dass der Doppler-Effekt
kompensiert wird und die Frequenz des Echos
immer im Bereich der Hörfovea liegt.
61kHz
Regler
Ruf
Strecke
Doppler-Kompensation
Echo
Frequenz
KHz
90
CF
Suche
FM-Ruf
FM
Identifizierung
Nur FM
3. Harmonie
60
2. Harmonie
30
1. Harmonie
Zeit
Zeit
Die Navigation der Bienen
Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel
( Preisgekröntes „echtes“ Foto von Marco Kleinhenz )
Der Akteur
und die Requisiten
Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen
Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft
Bienentanz
Richtungsweisung
auf der vertikalen
Wabenfläche
Achtung: Bienenwaben
stehen immer senkrecht.
Ein Lot, die Richtung zum
Boden, zeigt die Richtung
weg von der Sonne an.
11
10
Umlaufzeit / s
9
8
7
6
5
4
3
2
Apis mellifica carnica
1
0
0
1000 2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000 10000
Entfernung / m
Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes
Normal schwingt Licht
in alle Richtungen
Eine Polarisationsfolie lässt nur
eine Schwingungsrichtung des
Lichts durch
Sonne
Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsrichtung
Karl von Frisch (1886-1982)
Nobelpreis 1973
Sternfolie von Karl von Frisch
Sollkurs
8 m/s
Abdrift durch Seitenwind
Problem der Biene, wenn sie der
Anweisung des Schwänzeltanzes folgt.
60 km
40 km/h
300 km
Flensburg
200 km/h
Hannover
Bienenflug über ein Gewässer bei Wind
Foto: Gabriele Jesdinsky
Rüsselkäfer
Versuchstier zur Aufklärung der optomotorischen Reaktion
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 Versuchs freischwebend fixiert, den aus Stroh gefertigten 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
Wahlreaktion der Käfer w
0,6
0,4
0,2
0
1
10
100
1000 Grad/s
Winkelgeschwindigkeit der Musterbewegung
Definition der Wendetendenz !
wrechts 
Zahl der Rechtswendungen  50
50
bei 100 Käferentscheidungen
Optomot.
Reaktion
o
120
o
100
o
80
o
60
o
40
o
20
o
0
0
0,1
1
10
Mustergeschwindigkeit
100
Die Grille läuft auf einer
luftgelagerten StyroporKugel. Das elektronisch
rotierende Streifenmuster
erzeugt eine Drehreaktion.
Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999)
Physikalisches Modell
1
2
D
D
Bedingung: Abstand der Hell-Dunkel-Sprünge >> Abstand der Sehelemente
Macht aus dem Sprung ein Impuls
Zieht den Impuls in die Länge
Impuls füllt
Sanduhr
Der elementare
Links-Rechts-Bewegungssensor
Verbleibende
Füllhöhe des
Sandes ist der
Multiplikator
Multiplikator
Hochpassfilter
Es wird multipliziert, wenn der HellDunkel-Sprung den Sensor 2 erreicht
Tiefpassfilter
(Sanduhr)
D
Mathematisches Modell
der Regelungstechniker
s 1
1  s 1
s 1
1  s 1
1
1  s 2
1
1  s 2
1
sT
1
sT
Aus dem Hell-DunkelSprung wird ein Impuls
0
s 1
d x  y   dy
 1
1
1 s 1
dt
dt
d
1
x


d
d s
dt

x  1 d  y 1  1 
y
dt
dt
dt 

1  1 d
dt
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
VZ1-Glied
0
1
2
3
4
5
6
Übertragungsfunktion:
Zwei-Ommatidien-Schaltung
Mittelwertbildner
Mittelwertbildner
Heute GPS !!!
Montage an ein Motorflugzeug
Abdriftsensor nach dem
Vorbild des Bienenauges
(1977)
Erprobung am Segelflugzeug ASK 13
Der HeliCommand-Profi
(2014)
Optischer Geschwindigkeitsmesser für
Modellhubschrauber und Mikro Air Vehikel
Stehen
über
Grund
Das Oszillationsgyroskop
der Wiesenschnake
Foto: M. Wiora
Foto: Klaus Maritschnig
Der schwingende Kreisel
der Wiesenschnake
Schwingkölbchen
Es gibt Patente für ein
Oszillationsgyroskop
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
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.
Stimmgabelzinken
Schwingung
Richtung der
Corioliskraft
Kapazitive
Siliziumfinger
Feder
Masse
piezoelektrisch
bewegt
Verschiebung
Verankerung
MEMS Schwingungs-Gyro
Micro Electro Mecanical System
Experiment im
Panthéon in Paris
mit einem 67 m
langen Pendel
Plattform Erde
Rotation der
Plattform
Gyro
Änderung der
Kapazitäten
Michael Pfeiffer
Das Foucaultsche Pendel
Prinzip eines Gyro MEMS
Schwingkölbchen Insekt
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.
Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der
Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät) wäre
ein lohnendes Projekt für heute !
Schwarm von Mikro Air Vehikeln
Die AR Drone Parrot mit Schwinggyros
und einem der Stechmücke nachempfundenen
Schallschnelle Ortungssensor.
Künstliche Schwingkölbchen übernehmen die Giermessungen
und die Richtungssteuerung des Quadrokopters. Die zusätzlich
angebrachte künstliche Mückenantenne tastet die Position der
im Schwarm fliegenden Nachbar-Quads ab.
Die Entwicklung eines MEMS nach dem Vorbild der
Mückenantenne (Schallschnelle-Vektormessgerät) wäre
ein lohnendes Projekt für heute !
Schwarm von Mikro Air Vehikeln
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
www.bionik.tu-berlin.de
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