B2Fol2 - Bionik TU

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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
Die Mückenantenne
Der Tenor
und die
Mücken
Antenne einer
männlichen
Stechmücke
Antenne einer
männlichen und einer
weiblichen Stechmücke
Lagerung der
Antennenschäfte im
Johnstonschen Organ
7 nm
Potenzialänderung
Schaft versteift
Mücke
Oszilloskop
E rk lä ru n g
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
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.
Sensor
0.5 mm
Büschelantenne
Schall Partikel
Mikrosystem
künstliche
Mückenantenne
Eigenfrequenz
Messwandler
& Schwinger

Bei Kippschwingungen
≈ doppelte Frequenz
Erste experimentelle Realisierung (1976)
Das Seitenlinienorgan der Fische
Seitenlinienorgan
des Hais
Poren
Schuppen
Gallerte
Innerer Kanal
Poren
Haarzellen
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
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
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
Äußere Haarzellen
Innere Haarzellen
Cochlea
Basilarmembran
Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung als „Servomotor“
Hammer
Amboss
Steigbügel
Cochläre Tennwand
Trommelfell
Gehörknöchelchen
Ovales Fenster
Rundes Fenster
Wanderwelle
Wanderwelle in
der Cochlea
Basilarmembran
Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton
Ultraschallortung der Fledermäuse
Echoortung
der Fledermaus
CF-FM-Ruf
Doppler-Kompensation
Regler
Ruf
Strecke
Echo
Frequenz
61kHz
KHz
CF
FM-Ruf
FM
90
Nur FM
3. Harmonie
60
2. Harmonie
30
1. Harmonie
Zeit
Zeit
Die Navigation der Bienen
Die Akteure
Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel
( Preisgekröntes Foto von Marco Kleinhenz )
Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen
Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft
Bienentanz
Richtungsweisung
auf der vertikalen
Wabenfläche
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
Polarisationsfolie
Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsrichtung
Sternfolie von Karl von Frisch
Bienenflug über ein Gewässer bei Wind
Abdrift durch Seitenwind
Rüsselkäfer
Foto: Gabriele Jesdinsky
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
wrechts 
1
10
100
1000 Grad/s
Winkelgeschwindigkeit der Musterbewegung
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 rotierende
Streifenmuster erzeugt
eine Drehreaktion.
Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999)
s 1
1  s 1
s 1
1  s 1
1
1  s 2
1
1  s 2
1
sT
1
sT
Übertragungsfunktion:
s 1
d x  y   dy
 1
1
1 s 1
dt
dt
Zwei-Ommatidien-Schaltung
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
Mittelwertbildner
Mittelwertbildner
Montage an ein Motorflugzeug
Abdriftsensor nach dem
Vorbild des Bienenauges
(1977)
Erprobung am Segelflugzeug ASK 13
Das Gyroskop der Wiesenschnake
Foto: M. Wiora
Foto: Klaus Maritschnigg
Der schwingende Kreisel
der Wiesenschnake
Schwingkölbchen
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-Frequenanalysator
6. Die Dopplerregelung bei der Echoortung der Fledermaus
7. Die berührungslose Geschwindigkeitsmessung der Bienen
8. Der rotationslose Kreiselkompass der Wiesenschnake
Ende
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