Schick, Karsten - Benutzer-Homepage
Werbung
Schwerpunktseminar Thema: Sinne und Sensoren (Ein physiologisch-technischer Vergleich) Karsten Schick 22. November 2004 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung....................................................................................................................................1 2 Sinne – Sensoren........................................................................................................................ 2 2.1 Gesichtssinn (Sehen)............................................................................................................ 3 2.1.1 Das Auge...................................................................................................................... 3 2.1.2 Die Digitalkamera........................................................................................................ 4 2.2 Gehörsinn (Hören)............................................................................................................... 5 2.2.1 Das Ohr.........................................................................................................................6 Das Außenohr.................................................................................................................... 6 Das Mittelohr..................................................................................................................... 6 Das Innenohr......................................................................................................................6 2.2.2 Das Mikrofon............................................................................................................... 7 Das Kondensatormikrofon.................................................................................................7 2.3 Geruchssinn (Riechen)......................................................................................................... 8 2.3.1 Die Nase....................................................................................................................... 9 2.3.2 Die elektronische Nase............................................................................................... 10 2.4 Geschmackssinn (Schmecken)...........................................................................................11 2.4.1 Die Zunge................................................................................................................... 12 2.4.2 Die Elektronik-Zunge................................................................................................. 13 2.5 Tastsinn (Fühlen)............................................................................................................... 14 2.5.1 Druck.......................................................................................................................... 14 2.5.1.1 Die Haut..............................................................................................................14 2.5.1.2 Der Drucksensor................................................................................................. 15 2.5.2 Berührung................................................................................................................... 16 2.5.2.1 Die Haut..............................................................................................................16 2.5.3 Vibration.....................................................................................................................16 2.5.3.1 Die Haut..............................................................................................................16 2.5.3.2 Der Vibrationssensor.......................................................................................... 17 2.5.4 Temperatur................................................................................................................. 17 2.5.4.1 Die Haut..............................................................................................................17 2.5.4.2 Der Temperatursensor.........................................................................................18 2.6 Der "6. Sinn" und der "7. Sinn"..........................................................................................18 3 Fazit...........................................................................................................................................19 4 Ausgereifte Sinne in der Natur............................................................................................... 19 Abkürzungsverzeichnis............................................................................................................... 21 Literaturverzeichnis.................................................................................................................... 21 Karsten Schick i Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren 1 Einleitung Die menschlichen Fähigkeiten sind begrenzt. Elektromagnetische Strahlung nimmt der Mensch gerade einmal in dem schmalen Fenster zwischen 400 und 700 Nanometer wahr und nennt das Licht. Töne hört er von 20 Hertz bis 20 Kilohertz, und das auch nur in seinen besten Jahren. Zum Riechen stehen ihm nur vier bis fünf Quadratzentimeter Nasenschleimhaut zur Verfügung. Zum Schmecken muss er mit 2000 bis 4000 Geschmacksknospen auf seiner Zunge auskommen. Und mit bescheidenen 28 Druck- und 14 Wärmerezeptoren pro Quadratzentimeter Haut erfühlt er seine Umwelt nur vage. Die Natur hat den Menschen als "sensorischen Generalisten" erschaffen und Höchstleistungen an Sinneskraft an andere Spezies vergeben. Doch der Vorteil des Menschen: Er kann seine biologischen Sinne für Spezialaufgaben technologisch ersetzen und erweitern. Mit Sensoren (lateinisch: sentire = wahrnehmen) gibt er auch seinen "Maschinen" Augen, Ohren und mehr. Der Mensch ist bekanntlich blind für Infrarot. Wir können mit "blossem Augenschein" nicht sagen, wie warm ein Körper oder ein Objekt ist. Die Grubenotter dagegen, eine hochentwickelte Schlangenart, zu der auch die Klapperschlangen zählen, kann Wärme sehen: Direkt neben ihren gewöhnlichen Augen sitzen zwei grübchenartige Vertiefungen, die nach Art einer Lochkamera ein Infrarotbild auf eine dünne Membran abbilden. Auch im Dunkeln oder bei Bewegungsstarre hat so die Maus keine Chance. Sensoren sind somit die "Fenster zur Welt", sowohl für alle Lebewesen wie für manche Geräte, Apparate und Maschinen. Der Sensor nimmt Informationen aus der Außenwelt auf und leitet sie (zuweilen stark gefiltert) an eine Schaltzentrale (an das Gehirn im einen Fall und etwa an die elektronische Datenverarbeitung im anderen) weiter. Das Resultat dieser Informationsverarbeitung kann dann eine "Aktion" sein: Zum Beispiel befiehlt das Gehirn einem Muskel zu kontrahieren, oder das Chip-Signal steuert ein Maschinenteil. In diesem Sinn ist die technische Sensorik logischer Bestandteil der Informationstechnik: Denn bevor Informationen verarbeitet, gespeichert oder transportiert werden, müssen sie zunächst gewonnen werden. Allein im Alltag begegnen einem - wenn auch gewöhnlich unsichtbar - Sensoren auf Schritt und Tritt. Beim Frühstück fängt es an, mit einem Temperatursensor in der Kaffeemaschine oder auf der "intelligenten" Herdplatte, bei der auch Milch nicht mehr überkocht. Ein sensorisches Feuerwerk dann die Fahrt mit dem Auto zum Arbeitsplatz: Vom Airbag über den Katalysator bis zum Motormanagement verrichten Sensoren ihren Dienst und messen Drücke, Beschleunigungen und Gaskonzentrationen. Und auch sonst verlassen wir uns auf Sensoren. Etwa wenn wir auf den Wetterbericht hören, der nur möglich ist, weil ein Netz von Wetterstationen Luftdruck, -feuchte und -temperatur registriert. Sensoren sind es auch, die an zahlreichen Meßstellen die Luftqualität überwachen und etwa Ozonwerte messen. Oder unser Lebensmittel Nr.1: Sensoren in den Wasserwerken kontrollieren beständig die Qualität unseres Trinkwassers. Und wir vertrauen wie selbstverständlich ärztlichen Diagnosen, die mit High-tech- Karsten Schick 1 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Apparaten und ausgeklügelter Sensorik gewonnen werden: dem Ultraschallbild des Fötus aus dem Mutterbauch ebenso, wie dem computertomographischen Blick ins Gehirn. 2 Sinne – Sensoren Die von Sensoren in analoger oder digitaler Form gelieferten Signale bilden die Grundlage für alle Bereiche, in denen elektronische Messungen, Prüf- und Überwachungsaufgaben sowie automatisierte Vorgänge durchgeführt werden. Im einfachsten Fall reicht ein binärer Schaltzustand aus, um weitere Reaktionen auszulösen. Häufig werden jedoch Messwerte für unterschiedliche physikalische Größen benötigt. Bereiche in denen eine Vielzahl von Sensoren vorkommen sind die Prozesstechnik und die industrielle Fertigung. Der Trend führt allerdings im mehr zum Zusammenwachsen von Prozess- und Fertigungsautomatisierung, unter dem Schlagwort Hybrid-Automatisierung. In der Fertigung häufig vorkommende Messgrößen sind z.B. Längen und Winkel. Die ermittelten Messwerte dienen der Rückmeldung an ein Positionier- oder Antriebssystem, um z.B. eine Abweichung eines Sollwertes von einem Istwert weiter zu verarbeiten. Früher war der Mensch mit seinen Sinnen für das Erkennen zuständig, heute machen das Sensoren und zudem um ein vielfaches genauer. Je nach Anwendung können heute gestiegene Anforderungen bezüglich Auflösung und Genauigkeit sowie der Größe, dem Gewicht und der Messgeschwindigkeit an das Sensorsystem gestellt werden. Diese Anforderungen lassen sich häufig mit der Mikrosystemtechnik und der Mikroelektronik erfüllen. Nicht nur dass mit ihnen hochgenaue Messsignale in digitaler Form möglich sind. Vielmehr lassen sich weitere nützliche Funktionen realisieren. So ist z.B. die Speicherung von Daten im Sensor, die Kompensation von Temperaturschwankungen und Alterungsprozessen sowie die automatische Kalibrierung möglich. Außerdem kann mit Überwachungsfunktionen sichergestellt werden, dass der Sensor korrekt arbeitet. Beim Menschen kann man Sensoren grob mit den Rezeptoren vergleichen. Ein Rezeptor ist eine spezialisierte Zelle, die physikalische oder chemische Reize wahrnimmt und in Nervenimpulse umwandelt, die dann vom Gehirn verarbeitet werden können. Im folgenden werden die 5 Sinne des Menschen einem ausgewählten, entsprechenden Sensor gegenübergestellt. 2 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren 2.1 Gesichtssinn (Sehen) Als Sehen oder auch visuelle Wahrnehmung bezeichnet man eine Sinneswahrnehmung von Lebewesen, mit der Licht, also bestimmte elektromagnetische Wellen wahrgenommen werden können. Das für Menschen sichtbare Licht hat Wellenlängen von etwa 380 nm bis 760 nm und wird von ultraviolett beziehungsweise infrarot begrenzt. Die Empfindlichkeit ist dabei zwischen 550 nm und 600 nm am größten, was gelb entspricht. Die für andere Lebewesen erkennbaren Spektralbereiche unterscheiden sich teilweise erheblich. Dabei muss es sich hierbei nicht zwangsläufig um Wellen im Nanometer-Bereich also Licht handeln. Fledermäuse beispielsweise „sehen“ im Ultraschallbereich. Entscheidend ob von Sehen gesprochen werden kann ist vielmehr die Tatsache, ob die durch entsprechende Rezeptoren gewonnenen Reize zu einem Bild zusammen gesetzt werden können. 2.1.1 Das Auge Das Auge ist im allgemeinen ungefähr kugelförmig und der größte Teil, der so genannte Glaskörper, ist mit einer gelartigen, durchsichtigen Substanz gefüllt. Das Auge besitzt meistens eine veränderliche Linse, um das Bild scharf zu stellen. Dies bewerkstelligt der Ziliarmuskel indem er sich zusammen zieht und die Linse mehr oder weniger wölbt. Ein Ringmuskel, die Iris, kann die Pupille bei starkem Lichteinfall verkleinern, so dass das Auge vor zu viel Licht geschützt wird. Abbildung 1: Aufbau des menschlichen Auges Bei den meisten Wirbeltieren wird im Auge ein Bild auf eine lichtempfindliche Schicht projiziert, die Netzhaut genannt wird. Auf der Netzhaut befinden sich Millionen von Rezeptoren, die auf die einfallenden Lichtstrahlen reagieren und die über den Sehnerv als elektrische Signale in das Gehirn weiterleitet werden. Für das farbige Sehen sind zapfenförmige Rezeptoren nötig. Sie benötigen viel Licht, um zu reagieren, und sind bei Dunkelheit fast inaktiv. Zum Sehen unter lichtschwachen Karsten Schick 3 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Beleuchtungsverhältnissen werden stäbchenförmige Rezeptoren verwendet. Sie können aber keine Farbinformationen liefern. Daher sieht man bei schwachen Lichtverhältnissen keine Farben. Diese Stäbchen sind nicht von Anfang an höchstempfindlich, sondern sie steigern ihre Intensität im Laufe von ca. 40 Minuten auf ihr Maximum (Dunkeladaption) Beim Sehen mit zwei Augen gewinnen die meisten Menschen aus den beiden sich überlappenden Bildern räumliche Informationen. Menschen sehen im Nahbereich deshalb nicht in der Art der Zentralperspektive, sondern rechnen die Bilder entsprechend um und sehen ein räumliches Bild. Dabei erscheinen parallele Linien in der Nähe weitgehend parallel, obwohl sie nach der Zentralperspektive aufeinander zu laufen müssten 2.1.2 Die Digitalkamera Wie bei einer Analogkamera wird das einfallende Licht mit einem Objektiv gesammelt und gelangt durch eine Linse auf die Filmebene, im Fall der Digitalkamera auf einen Sensor. Der Sensor ist ein elektronisches Bauelement, das i.d.R. eine deutlich kleinere Fläche hat als ein Bild auf analogem 35-mmFilm. Dieser Sensor misst die Helligkeit des einfallenden Lichtes. Die Photonen des Lichtes setzen Elektronen frei, deren Anzahl proportional zur Lichtintensität ist. Das bedeutet, die Höhe der Spannung entspricht der Helligkeit des einzelnen Bildpunktes. Lichtsignale werden also in elektrische Signale umgewandelt; dieser Prozess ersetzt funktional den Film. Bis zu diesem Punkt der Bildverarbeitung handelt es sich also um einen vollständig analogen Prozess. Die Digitalisierung erfolgt erst im A/D-Wandler, an den der Sensor die analogen Signale weiterreicht. Im Prinzip werden 2 Arten von Sensoren benutzt. Die eine Art nutzt die CMOS-Technologie, der andere Sensor ist ein ladungskoppelndes Bauteil (CCD). So ein Sensor ist aus vielen einzelnen lichtempfindlichen Zellen aufgebaut, dabei stellt eine CCD-Zelle i.d.R. einen Pixel dar. Aus jeder Zelle wird die der Lichtmenge proportionalen Ladung (Charge) ausgekoppelt (coupled) und dann zur weiteren Verarbeitung gespeichert bzw. einzeln an den Wandler übertragen. Anschließend erfolgt die Kompression zur Reduktion des Datenvolumens wenn das Bild im JPEG- oder komprimierten TIFF-Datenformat gespeichert wird. Inwieweit Rohdaten (Raw-Format) komprimiert werden, hängt vom Format des jeweiligen Herstellers ab. Die digitale Bilddatei wird digital gespeichert und kann verlustfrei dupliziert und weiterverarbeitet werden. Die Digitalkamera verfügt über eine Schnittstelle, mit der die Bilder an andere digitale Geräte wie Computer übertragen und z.B. ausgewertet werden können. In einem digitalen Fotoapparat führt die Elektronik eine Reihe bildverändernder Verarbeitung vor, während und nach der Aufnahme durch. Die Digitalkamera beeinflusst durch den Weißabgleich – wie auch die Videokamera – die Farbtreue bei Tageslicht oder Kunstlicht. Die Homogenität, d.h. gleichmäßige Schärfe und Helligkeit über das gesamte Bild insbesondere am Bildrand, ist abhängig von 4 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren der Optik und muss bei Abbildungsfehlern durch die kamerainterne Software ausgeglichen werden. Die Qualität der kamerainternen Elektronik entscheidet auch über die Signaldynamik, d.h. die von der Kamera unterscheidbaren Helligkeitsstufen, sowie den Kontrastumfang des digitalen Bildes. Die Kamera-Elektronik beeinflusst auch die Bildreinheit bzw. den Grad an Bildfehlern, die sich beispielsweise als Rauschen oder Artefakte zeigen. Bei Kameras mit einer Auflösung von drei Megapixeln und mehr lassen sich CCD-Fehler nicht mehr vermeiden: Einzelne Zellen arbeiten möglicherweise überhaupt nicht, andere arbeiten dagegen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit usw. Solche "Aussetzer" müssen ebenso wie das besonders bei Nachtaufnahmen auftretende Bildrauschen von der Kamera-Elektronik ausgeglichen werden. Zur Verbesserung der subjektiven Bildwirkung werden darüber hinaus noch diverse weitere "Optimierungen" durchgeführt. Dazu zählen beispielsweise: • Scharfzeichnung: Erkennen und Verstärken von Übergängen im Bild; • Kontrastanhebung: Anhebung des Kontrasts im Bild; • Farbsättigung: Erhöhen der Farbsättigung; Bevor ein Foto ausgelöst wird, wird der Autofokus in Gang gesetzt, der die Scharfeinstellung übernimmt 2.2 Gehörsinn (Hören) Als Hören oder auch auditive bzw. akustische Wahrnehmung bezeichnet man eine Sinneswahrnehmung von Lebewesen, mit der Schall wahrgenommen werden kann. Viele Tiere haben Ohren, Aufbau und Platzierung der Ohren sind bei den verschiedenen Arten jedoch ganz unterschiedlich. Bei Heuschrecken sitzen die Ohren am Hinterleib, bei Mücken an den Fühlern. Einige Eidechsen- und Salamanderarten hören mit Brustkorb und Lunge. Nicht immer sind äußere Ohren vorhanden, wenn der Gehörsinn vorhanden ist, zum Beispiel bei Schlangen. Der Hörbereich des menschlichen Ohrs reicht von etwa 16 Hertz bis maximal 20.000 Hertz in ganz jungen Jahren, wobei die obere Grenze mit zunehmendem Alter auf Werte bis um 5.000 Hertz absinkt. Im Frequenzbereich von 2.000 bis 5.000 Hertz ist das menschliche Ohr am empfindlichsten, d.h. der Mensch hört hier am besten. Schallereignisse werden mit Hilfe von drei Eigenschaften beschrieben. Die folgende Tabelle stellt diese Eigenschaften ihren entsprechenden physikalischen Größen gegenüber. Eigenschaft physikalische Größe Tonhöhe Frequenz Lautstärke (bzw. Intensität) Amplitude Klangfarbe ("Reinheit") Wellenform Tabelle 1: Schallereignisse Karsten Schick 5 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren 2.2.1 Das Ohr Das menschliche Ohr wird in drei Bereiche aufgeteilt: Das Außenohr Das Außenohr umfasst die Ohrmuschel, Ohrläppchen und den äußeren Gehörgang. Das Trommelfell ist die Grenze zwischen Außen- und Mittelohr. Mit Hilfe des äußeren Ohrs werden Schallwellen aufgefangen. Dazu dient hauptsächlich die Ohrmuschel. Sie übt eine Trichterfunktion aus, d.h. die Ohrmuschel wirkt wie ein Hörrohr zur Oberflächenvergrößerung. Die aufgefangenen Schallwellen werden über den Gehörgang in den inneren Teil des Ohrs weitergeleitet. Das äußere Ohr dient auch dem Richtungshören, also dem Lokalisieren der Schallquelle (oben/unten und vorne/hinten). Das Mittelohr Zum Mittelohr gehört die Paukenhöhle, die sich getrennt durch das Trommelfell, an den äußeren Gehörgang anschließt. Sie ist mit Luft gefüllt und über die Eustachische Röhre (Ohrtrompete) mit dem Rachenraum verbunden. Über diese Röhre findet der Druckausgleich mit der Außenwelt statt. In der Paukenhöhle befinden sich die drei Gehörknöchelchen, der Hammer, der Amboss und der Steigbügel. Diese verbinden das Außenohr mit dem Innenohr und dienen als Überträger und Verstärker der eintreffenden Schallwellen. Der Hammer ist an das Trommelfell angewachsen. Durch den Schall den das äußere Ohr "einfängt" gerät das Trommelfell in Schwingungen. Der Hammer schwingt dabei immer mit und "schlägt" auf den Amboss, d.h. er überträgt die Schwingungen an den Amboss und den daran angeschlossenen Steigbügel. Über den Steigbügel werden die Schwingungen schließlich zum Innenohr weitergeleitet. Das Innenohr Das Innenohr enthält in den Bogengängen das Gleichgewichtsorgan und die Schnecke. Die Schnecke ist das eigentliche Hörorgan. Im Gegensatz zum äußeren Ohr und dem Mittelohr ist die Schnecke mit Flüssigkeit gefüllt, die sich nicht zusammendrücken lässt. Sinneshärchen werden in der Flüssigkeit durch die übertragenen Schwingungen in Bewegung versetzt und senden Nervenimpulse über den Gehörnerv an das Gehirn. Die Wahrnehmung von akustischen Signalen wird wesentlich davon bestimmt, wie Schallschwingungen auf ihrem Weg vom Außenohr über das Mittelohr hin zu den Nervenzellen des Innenohrs jeweils umgeformt und verarbeitet werden. Die Empfindlichkeit des Ohrs ist außerordentlich. Aber ebenso die Toleranz gegenüber Lärm. 6 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Abbildung 2 zeigt die Aufteilung des Ohrs in seine drei Bereiche. Abbildung 2: Aufbau des menschlichen Ohrs 2.2.2 Das Mikrofon Es gibt etwa 6 verschiedene Mikrofontypen. Man kann sie u.a. grob in 2 Gruppen einteilen. Mikrofone mit passiver und Mikrofone mit aktiver Wandlung. Passive Wandler Passive Wandler nehmen eine unmittelbare Umwandlung der akustischen in elektrische Energie vor, ohne dass eine elektrische Leistung zugeführt werden muss. Aktive Wandler Aktive Wandler verändern eine zugeführte elektrische Energie im Rhythmus der Schallschwingungen. Nach diesem Prinzip arbeitet auch das Kondensatormikrofon auf das im folgenden näher eingegangen wird. Das Kondensatormikrofon Beim Kondensatormikrofon ist eine 1 – 10 µm dicke Nickel-Membran elektrisch isoliert in sehr geringem Abstand (5 – 50 µm) vor einer gelochten Metallplatte (Gegenelektrode) angebracht. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, entsteht zwischen der Membran und der Platte ein Potentialgefälle. Technisch betrachtet ist diese Anordnung ein Kondensator, dessen Kapazität messbar ist. Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch der Abstand der beiden Kondensatorplatten variiert. Damit ändert sich auch die Kapazität des Kondensators. Aus diesen Karsten Schick 7 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Kapazitätsschwankungen wird das elektrische Signal gewonnen. Im Mikrofonkörper sitzt eine Schaltung, die das Signal hochverstärkt und symmetriert. Da die Membran eine sehr geringe Masse besitzt, folgt sie Luftschwingungen besonders präzise. Meistens haben Kondensatormikrofone daher eine sehr gute Klangqualität und brillante Höhen. Abbildung 3: Aufbau des Kondensators In Abbildung 3 ist der prinzipielle Aufbau des Kondensators dargestellt. M = Membran, I = Isolation, G = Gegenelektrode. Um die Kondensatorfunktion zu nutzen wird eine Versorgungsspannung benötigt. Zum einen muss nämlich durch eine Vorspannung der Kondensator erst einmal geladen werden, zum anderen muss das sehr schwache Signal verstärkt und einer Spannungsanpassung unterzogen werden, bevor es über das Mikrofonkabel übertragen werden kann. Üblicherweise nutzt man die Phantomspeisung des Mikrofonvorverstärkers oder Mischpults. Diese beträgt meistens 48 Volt und liegt zwischen den beiden Anschlüssen (Hot und Cold) der Signalleitung und ihrer Abschirmung an. Die Übertragung der Signale erfolgt normalerweise symmetrisch, ein Verfahren um den Einfluss von Störeinstrahlungen auszuschliessen. Will man die unsymmetrischen Mikrofoneingänge etwa eines tragbaren DATRecorders nutzen, benötigt man eine zusätzliche Batteriespeisung. Kondensatormikrofone, die für den mobilen Einsatz gebaut worden sind, haben oft ein solches Speiseteil im Griffstück integriert. 2.3 Geruchssinn (Riechen) Als Riechen oder olfaktorische Wahrnehmung bezeichnet man die Wahrnehmung von flüchtigen oder gasförmigen Stoffen. Geruch und Geschmack interagieren und beeinflussen sich gegenseitig. Der Geruchssinn ist der komplexeste chemische Sinn. Die Geruchsrezeptoren der Wirbeltiere sind in der Regel in der Nase lokalisiert. Die Stärke der Geruchsempfindungen, die durch verschiedene Stoffe hervorgerufen wird, ist außerordentlich verschieden. Je mehr die in die Nase eingezogene Luft von einem gewissen Riechstoff enthält, um so stärker ist die Empfindung davon. Es genügen außerordentlich geringe Mengen zur Hervorbringung einer Geruchsempfindung. So riecht die Luft noch nach Brom, wenn 1 cm³ nur noch 1/30.000 mg Brom enthält, und nach Moschus, wenn der Nase noch weniger als 8 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren 1/2.000.000 mg eines Moschusextrakts dargeboten wird. Von Schwefelwasserstoff wird noch weniger als ein Millionstel in der Luft deutlich wahrgenommen. Mit der längeren Dauer des Geruchseindrucks ermüdet nach und nach die Riechschleimhaut. Nach einiger Zeit Aufenthalt in einer "riechenden" Luft verschwindet schließlich die Geruchswahrnehmung für den beständigen Geruch, ohne dass dadurch die Fähigkeit für die Wahrnehmung anderer Gerüche abnimmt. 2.3.1 Die Nase Die menschliche Nase kann rund 10.000 verschiedene Düfte unterscheiden. Den Forschungsergebnissen zufolge gibt es sieben grundlegende Düfte: Campher, Moschus, blumig, Pfefferminz, etherisch (z.B. chemische Reinigungslösung), stechend (Essig) und faulig. Die Nase ist ein Hohlorgan, das durch eine Scheidewand in eine rechte und eine linke schmale knöcherne Nasenhöhle getrennt wird. Die äußere Seitenwand und der Boden jeder Nasenhöhle wird vom harten Gaumen gebildet. Rechte und linke Nasenhöhle werden von je einem kleinen knöchernen Nasenbein überdacht. Von der Seitenwand ragen in jede Nasenhöhle die Nasenmuscheln hinein. Rechte und linke Nasenhöhle gehen nach hinten über ihre beiden Öffnungen in einen ungeteilten Nasenrachen-Raum über. Abbildung 4: Querschnitt der menschlichen Nasenhöhle Erste Station der Geruchswahrnehmung ist die Riechschleimhaut ganz oben in der Nasenhöhle. Hier sitzen die Riechzellen, auf einer Fläche von nur 5,5 cm². Das ist etwa so groß wie ein 2-Euro-Stück. Rund 3 Millionen Riechsinneszellen besitzt jeder Mensch. Alle 3 Monate werden sie komplett erneuert. Jede Riechzelle ist auf einen bestimmten Duftstoff spezialisiert. Kaffeeduft besteht etwa aus 200 chemischen Einzelkomponenten von denen 15 ausreichen damit der Mensch den Kaffeeduft als solches erkennt. Von diesen 15 relevanten Duftkomponenten, regt jede eine ganz bestimmte Sorte von Riechzellen an. Es werden also gleichzeitig 15 verschiedene Sorten Riechzellen aktiviert, alle übrigen reagieren nicht. Die Rezeptoren für die Duftstoffmoleküle sitzen auf Sinneshaaren der Riechzellen. Diese Karsten Schick 9 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren ragen in die wässrige Schleimschicht der Nasenschleimhaut hinein. Bevor ein Duftstoff an ein Sinneshaar andockt, löst er sich also zunächst in Wasser. Am Rezeptor der Riechzelle angekommen, löst der Duftstoff in der Zelle einen elektrischen Impuls aus. Dieser wird im Inneren der Zelle um das bis zu 1000-fache verstärkt und über lange Fortsätze der Riechzellen, sogenannte Axone, ans Gehirn weitergeleitet. Da normalerweise nur geringe Mengen Teilluft zur Riechschleimhaut gelangen, ist das Erkennen von Duftstoffen bei normaler Atmung begrenzt. Durch das Schnüffeln (die Luft wird in kurzen Stößen durch die Nase gesogen) wird der Luftstrom intensiviert, d.h. es werden mehr Duftmoleküle zur Riechschleimhaut transportiert. 2.3.2 Die elektronische Nase Künstliche Geruchssensoren sind noch eine relativ neue Technologie. Die Forscher nutzen menschliche Geruchsrezeptoren als Vorlage, um mit elektronischen Bauelementen ein künstliches Riechorgan herzustellen. An der Tufts-Universität in Medford (USA) haben Forscher ihre Geruchssensoren in den übergroßen Nachbau einer Hundenase integriert. Die Sensoren arbeiten zehn Prozent besser, fanden die Forscher in Tests heraus, bei denen sie die künstlichen Nasen an Rum und Wodka schnüffeln ließen. Das eigentliche "Riechen" geschieht über Felder in der künstlichen Nase, die ihre Farbe bei der Verbindung mit Geruchsmolekülen unterschiedlich ändern können. Das entstandene Farbmuster wird dann von einem Computer erfasst und identifiziert. Forscher des IBM Forschungslabors haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Basel einen neuartigen Sensor - eine elektronische Nase entwickelt. Das Herzstück der künstlichen Nase ist eine Art winzig kleiner Kamm (siehe Abbildung 5) mit einer Reihe von Zacken oder Fingern aus Silizium. Jeder Finger ist anders beschichtet und reagiert mit bestimmten Molekülen aus dem dazugeleiteten Gas. Setzen sich die Moleküle auf einem Finger ab, verbiegt dieser sich. Die Finger sind dünner als das Fünfzigstel eines Haares. Der Computer misst die Verbiegung der Sensorfinger mithilfe eines Laserstrahls. Auch wenn die Auslenkung nur ein Dutzend Nanometer beträgt, ist sie deutlich messbar. Um die elektronische Nase weiter zu verfeinern, wenden die Forscher einen zusätzlichen Trick an: Sie regen die Sensorfinger nacheinander zum Schwingen an. Damit reagiert die Nase noch empfindlicher. Docken Moleküle an einen Sensorfinger an, verändert sich dessen Schwingung und die Bewegung wird langsamer. Die Auswertung der Kurven verrät, was die elektronische Nase erschnüffelt hat. So erkennt die Nase Parfums, aber z.B. auch den Unterschied zwischen verschiedenen Colagetränken – für Menschen eine Herausforderung. Für die Zukunft eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, da der Sensor nicht nur gasförmige Substanzen erschnüffelt, sondern auch in Flüssigkeiten arbeiten kann. 10 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Abbildung 5: Kamm der elektronischen Nase An der Cranfield Universität in Bedfordshire, im Norden von London, haben die Mediziner Jan Leiferkus und Selly Saini ein Diagnosesystem, das Krankheiten riechen kann, entwickelt. Hier wandern die Geruchsmoleküle an die Oberfläche des Sensors und reagieren dort, dadurch ergeben sich Spannungsunterschiede. Diese werden von einem Computer ausgewertet. Die Gerüche setzen sich aus bis zu tausend unterschiedlichen Molekülen zusammen, der Computer übernimmt dann deren Zuordnung Künstliche Nasen erreichen bei aller technischer Ausgefeiltheit bei weitem nicht das Differenzierungsvermögen der Nase eines Lebewesens. Deshalb möchten viele Forscher bei diesen Geräten erst gar nicht von einer Nase sprechen. Viele, meist nur in sehr geringen Mengen vorhandene, sehr geruchsstarke Verbindungen, die einen entscheidenden Einfluss auf das Geruchsprofil haben, d.h. von der menschlichen Nase auch in komplexen Mischungen wahrgenommen werden, überfordern künstliche Nasen. Auch wenn sie die menschliche Nase sicher niemals ersetzen können, so werden sich künstliche Nasen mit fortschreitender Entwicklung doch einen festen Platz in vielen analytischen Laboratorien erobern. 2.4 Geschmackssinn (Schmecken) Als Schmecken oder gustatorische Wahrnehmung bezeichnet man die chemischen Sinnesreize, durch die ein großer Teil des Sinneseindrucks Geschmack vermittelt wird. Geschmacksempfindungen werden ausgelöst durch die Berührung wasserlöslicher Substanzen mit der Zunge. Die Rezeptoren für die Geschmacksqualitäten sind bei Säugetieren auf den so genannten Geschmackspapillen angesiedelt, welche annähernd gleichmäßig über die Oberseite der Zunge verteilt sind. Der Mensch verfügt über etwa 2.000 Papillen, die jeweils fünf bis zehn Geschmacksknospen tragen. Damit können vier (konventionelle, mit umami fünf) Geschmacksrichtungen unterschieden werden, wobei jedoch nur bestimmte Stellen der Zunge jeweils sensibilisiert sind. Außer auf der Zunge finden sie sich in der Mundschleimhaut, aber auch im Rachen und der oberen Speiseröhre. Karsten Schick 11 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Der Mensch unterscheidet die fünf Grundqualitäten: 1. süß (Wahrnehmung eher an der Zungenspitze) 2. salzig (Wahrnehmung eher an der Zungenspitze und den Seiten) 3. sauer (Wahrnehmung eher an den Zungenseiten) 4. bitter (Wahrnehmung am Zungengrund und im Rachenraum) 5. umami (von jap. "umami": "fleischig und herzhaft", "wohlschmeckend") Der letzte Geschmack (umami) wurde erst Anfang des 20. Jahrhunderts identifiziert und soll besonders eiweißreiche Nahrungsmittel anzeigen (Aminosäuren). Der (sogenannte) Geschmacksverstärker Mononatriumglutamat (MSG) vermittelt den umami Geschmack sehr konzentriert. Die Wahrnehmung "süß" beruht vorwiegend auf der biochemischen Eigenschaft eines Nahrungsmittels, Kohlenhydrate zu enthalten. Die salzige Wahrnehmung dient der Erkennung mineralischer Verbindungen. Der saure Geschmackssinn nimmt ph-Werte wahr. Daneben gibt es noch die Nebenqualitäten: • alkalisch • metallisch • scharf Anmerkung: "scharf" wird zwar als Geschmacksempfindung qualifiziert, ist aber genau genommen ein Schmerzsignal der Zungennerven bei Speisen, die beispielsweise mit Chili gewürzt sind. 2.4.1 Die Zunge Auf der sehr dicken Zungenhaut, die eine Fortsetzung der Mundschleimhaut ist, befinden sich die zahlreichen Papillen (Zungenwärzchen), die fadenförmig, keulenartig oder platt sind. Von diesen sind die so genannten umwallten Papillen mit den eigentlichen Geschmacksorganen, den Geschmacksknospen ausgestattet. Diese becherförmigen Organe voll stabförmiger Nervenendzellen, sind mit den Geschmacksnerven verbunden. Die Geschmacksknospen der Papillen enthalten 30-80 Rezeptorzellen. Diese nehmen über die Geschmacksporen Kontakt zur Oberfläche auf. Die Rezeptorzellen wandeln "Geschmack" in elektrische Impulse um und leiten diese weiter an die Enden von sensorischen Nervenfasern im Zungenkörper. Über den Hirnnerv gelangen die Impulse zum Gehirn. 12 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Abbildung 6: Wahrnehmung der Geschmacksrichtungen Der Geschmack "süß" wird vornehmlich von der Zungenspitze wahrgenommen, "salzig" und "sauer" von den Zungenrändern und "bitter" vom hinteren Teil der Zunge. Die Geschmacksknospen für „bitter" sind 10.000 mal empfindlicher als jene für „süß"; auf diese Weise können die meist bitteren giftigen Substanzen besonders schnell wahrgenommen werden. Mit zunehmendem Alter schrumpfen die Geschmacksknospen und verringern damit die Fähigkeit zur Geschmackswahrnehmung. 2.4.2 Die Elektronik-Zunge Brasilianische Forscher haben ein künstliches Geschmacksorgan entwickelt. Die künstliche Zunge ist dem natürlichen Vorbild nachempfunden: Vier Sensoren aus speziellen Kunststoffen schmecken z.B. die verschiedenen Komponenten eines Weins. Die Ingenieure vom Forschungsinstitut "EMBRAPA" in São Carlos können so z.B. für jeden Wein ein typisches Geschmacksmuster zeichnen. Die künstliche Zunge bemerkt feinste Verunreinigungen in Wasser oder geringe Zucker- und Salzanteile, die dem Menschen nicht mehr auffallen. Sie leistet offenbar auch beim Testen von Rotwein Erstaunliches. So soll der Geschmackssensor zwischen zwei Cabernet-Sauvignon-Weinen desselben Gutes, aber verschiedener Jahrgänge unterscheiden können. Auch Proben von Weinen aus einem Jahr, aber von unterschiedlichen Winzern kann die künstliche Zunge demnach auseinander halten. Selbstverständlich können manche Produkte, wie Whisky oder erlesene Weine, nach wie vor allein aufgrund einer bestimmten Geschmackssensibilität unterschieden werden, die dem Menschen vorbehalten bleibt. Allerdings nimmt beim Menschen die Fähigkeit zu schmecken mit der Zeit ab. Nicht so bei der künstlichen Zunge. Ihre elektronischen Geschmacksrezeptoren gewährleisten eine gleichbleibende Sensibilität. Wie die Zunge des Menschen enthält die künstliche Zunge Rezeptoren. In diesem Fall sind es vier chemische Sensoren, die mit einer dünnen Schicht aus drei Polymeren sowie einem winzigen Molekül, bestehend aus Rutheniumionen, ausgestattet sind. Diese Sensoren identifizieren die grundlegenden Geschmacksrichtungen salzig, sauer, süß und bitter. Die dafür verantwortlichen Stoffe - zum Beispiel Zucker für den süßen Geschmack - werden in gelöster Form von der hauchdünnen Schicht des Sensors absorbiert und verändern deren elektrische Eigenschaften in messbarer Weise. Nachdem die Sensoren je Karsten Schick 13 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren nach Geschmacksrichtung unterschiedlich reagieren, lassen sie sich auf einer entsprechenden Skala zuordnen. Dies geschieht durch einen Verbindungssensor, der alle Reaktionen vereint. Die Geschmacksstoffe bewirken somit eine Reaktion, die einem elektronischen Fingerabdruck entspricht und eine Zuordnung des Geschmacks erlaubt. Geschmack wird somit messbar. Zwar besitzt der Mensch, wie Forscher erst kürzlich entdeckt haben, neben Sinneszellen für die vier klassischen Empfindungen vermutlich noch zwei weitere Typen, für viele Getränke ergeben jedoch schon vier Sensoren ein charakteristisches Geschmacksprofil. Daher überlegen die Forscher aber bereits, künftig auch einen Umami-Fühler (für Glutamat) zu integrieren. Außerdem wurde mittlerweile ein sechster Geschmackssinn gefunden, der auf Fett spezialisiert ist. 2.5 Tastsinn (Fühlen) Als Fühlen oder haptische Wahrnehmung bezeichnet man eine Sinneswahrnehmung von Lebewesen , mit der bestimmte mechanische Reize wahrgenommen werden können. Die Gesamtheit der haptischen Wahrnehmungen erlaubt es dem Gehirn Berührungen, Druck und Temperaturen zu lokalisieren und zu bewerten. Säugetiere nehmen mechanische Empfindungen beispielsweise über die Haut oder Tasthaare wahr. Im einzelnen werden unterschieden: • Druck • Berührung • Vibration • Schmerz • Temperatur Menschen nehmen mechanische Empfindungen über die Haut wahr. Die Rezeptoren sind im Körper unterschiedlich dicht verteilt. An den Fingerspitzen und der Zungenspitze sind sie besonders dicht (1-5 mm Abstand) und am Rücken (Abstand > 60 mm) sehr weit voneinander angeordnet. Die Weiterleitung des Reizes geschieht über unterschiedlich schnelle Nervenzellen. Die Impulsfrequenzen entsprechen dabei im allgemeinen der Reizstärke. Es gibt verschiedene Rezeptortypen. Sie unterscheiden sich in ihrer Struktur, Empfindlichkeit, Adapionsgeschwindigkeit und rezeptiven Feldgröße (Wirkungsbereich) und sind jeweils für ein Merkmal des Tastsinns zuständig. 2.5.1 Druck 2.5.1.1 Die Haut Zuständig für die "Druckmessung" in der Haut sind Druckrezeptoren (Merkel-Zellen). Das sind kleine Tastscheiben in der oberen Hautschicht, die mit einer schnell leitenden Nervenfaser verbunden sind. Sie 14 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren vermitteln die Stärke und die Geschwindigkeit eines Druckreizes. Eine Berührung auf der Haut spürt man mit zunehmendem Druck stärker - die Impulsfrequenz steigt an. Bei konstantem Druck empfindet man den Reiz nach einiger Zeit schwächer - der Druckrezeptor hat sich an den Reiz "gewöhnt" (adaptiert) – die Impulsfrequenz sinkt. Man kann in der Regel die Druckstelle auf der Haut recht genau lokalisieren. Das liegt daran, dass der Druckrezeptor nur einen sehr kleinen, scharf umgrenzten Bereich der Haut , sein rezeptives Feld, an eine sensorische Zelle im Gehirn weiterleitet. Die Empfindlichkeit der Druckrezeptoren ist besonders an den Fingerspitzen sehr hoch. Hier genügt ein geringerer Druck auf weniger Rezeptoren als z.B. in der Handfläche, um einen Druck zu spüren. Mit den Druckrezeptoren kann man z.B. die Form und Härte eines Gegenstandes wahrnehmen: Die Reizstärke ist bei einem harten Holzstuhl größer als bei weichen Kissen; ein runder Apfel in der Hand reizt die Druckrezeptoren in der Mitte der Hand stärker als an der Seite der Hand usw. 2.5.1.2 Der Drucksensor Eine Art von Drucksensoren ist ähnlich wie Folienschalter, ändert aber, im Gegensatz zu konventionellen Schaltern, den Widerstand bei in Normalrichtung aufgebrachtem Druck. Ein Fingerdruck von 10 g bis 10 kg auf einen Sensor bewirkt, dass der Widerstand von ca. 2 MΩ auf ca. > 3 kΩ abfällt. Solche Sensoren werde als FSR-Sensoren bezeichnet. Der Force Sensing Resistor ( = Kraftabhängiger Widerstand ) FSR- Sensor besteht aus drei Komponenten: 1. Die Trägerfolie für die FSR-Schicht. Auf ihrer Innenseite ist die schwarze FSR-Schicht aufgedruckt, ein halbleitendes Polymer. 2. Die Klebeschicht, eine doppelseitig klebende Folie genau definierter Dicke. Ihre Aufgaben bestehen darin, die Komponenten des Sensors fest miteinander zu verbinden und einen konstanten Abstand zwischen den Trägerfolien (FSR-Schicht und Elektrodenschicht) sicherzustellen. 3. Die Trägerfolie für die Elektroden. Auf ihrer Innenseite sind die Elektroden aufgedruckt, deren Finger ineinander verschachtelt sind, sich aber nicht berühren. Abbildung 8: Schematischer Aufbau des FSR-Sensor Karsten Schick Abbildung 7: Seitenansicht des FSR-Sensor 15 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Ein FSR-Sensor ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der auf die aktive Oberfläche eingeleiteten Kraft. Die Elektroden kontaktieren dann die FSR-Schicht und zwischen den Kontaktfingern werden Widerstandsbrücken aufgebaut. Je höher die eingeleitete Kraft ist, desto mehr Widerstandsbrücken werden geschlossen und parallel geschaltet. Der FSR- Sensor ist keine Wägezelle und kein Dehnungsmeßstreifen, obwohl er ähnliche Eigenschaften aufweist. FSR-Sensoren sind keine hochgenauen Meßwandler, sie eignen sich eher als Wandler für Bediengeräte. Abbildung 9: FSR-Sensor 2.5.2 Berührung 2.5.2.1 Die Haut In einem Berührungsrezeptor (Meissner-Körperchen) stehen die verzweigten Enden einer schnell leitenden Nervenfaser mit vielen Tastscheiben in Kontakt. Über Bindegewebsfasern werden Lageveränderungen der Oberhautzellen auf die Körperchen übertragen. Berührungsrezeptoren haben die Fähigkeit, schwache, niederfrequente Schwingungen (10 bis 30 Hz) zu unterscheiden. Mit ihrer Lage in den oberen Hautschichten und ihren kleinen, scharf umgrenzten rezeptiven Feldern kann man feinste Berührungen wie z.B. Fliegenbeine wahrnehmen und lokalisieren. Berührungsrezeptoren adaptieren schnell und vermitteln vor allem Anfang und Ende eines Reizes, also auch Kanten und Ecken oder Strukturen wie Blindenschrift oder die Rauigkeit von Schmirgelpapier. 2.5.3 Vibration 2.5.3.1 Die Haut Vibrationsrezeptoren (Vater-Pacini-Körperchen) bestehen aus einer lamellenartigen Struktur, die wie Schichten einer Zwiebel das Ende einer schnell leitenden Nervenfaser umhüllt. Vibrationsrezeptoren kommen in den tieferen Hautschichten und im Inneren des Körpers z.B. im Gewebe nahe der inneren Organe und der Sehnen vor. Vater-Pacini-Körperchen sind die empfindlichsten Tastrezeptoren. Sie reagieren vor allem auf Schwingungen im Bereich von 100 bis 300 Hz, Frequenzen, die man auch hören 16 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren kann. Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit und den großen rezeptiven Feldern leiten diese Rezeptoren Vibrationen auch an entferntere Hautstellen weiter. Aus diesem Grund kann man z.B. die Vibrationen eines schweren Lastwagens, der an einem vorüber fährt, im ganzen Körper spüren. 2.5.3.2 Der Vibrationssensor Der Klopfsensor ist ein Motor-Sensor dessen Signal mit Hilfe von elektronischen Filtern und einem digitalen Signalprozessor auf die für das Klopfen typischen Spektralgehalte untersucht wird. Ein oder mehrere dieser Sensoren sollen Detonationen in jeglichem Zylinder erkennen. Ursache für das sogenannte Motorklopfen ist minderwertiger Kraftstoff oder Kraftstoff mit geringer Oktanzahl. Ein Kraftstoff-Luftgemisch mit minderwertigem oder niedrigoktanigem Kraftstoff lässt sich nicht so stark verdichten, wie es in den heutigen Motoren meist der Fall ist. Dadurch entzündet sich das Gemisch beim Verdichten unkontrolliert. Dies führt zum sogenannten "Klopfen", das heißt der Motor beginnt ungleichmäßig zu vibrieren bzw. zu schwingen, er läuft nicht mehr "rund". Um das Klopfen zu verhindern wird ein Klopfsensor eingebaut. Dieser nimmt die Motorschwingungen bzw. Vibrationen auf und vergleicht sie mit einem vorgegebenen Wert. Weicht der Wert ab, wird der Zündzeitpunkt solange verstellt, bis wieder ein "runder" Motorlauf erreicht wird. 2.5.4 Temperatur Der Temperatursinn vermittelt hauptsächlich Temperaturänderungen. 2.5.4.1 Die Haut Warmrezeptoren und Kaltrezeptoren ermöglichen die Temperaturempfindung. Sie registrieren die Temperatur an der Hautoberfläche und leiten die Werte über das Rückenmark zum Gehirn. Die Rezeptoren reagieren in einem bestimmten Temperaturbereich, der sich überschneidet: • die Kaltpunkte liegen in den oberen Hautschichten und reagieren auf Temperaturen zwischen 5 und 36 Grad Celsius • die Warmpunkte befinden sich tiefer im Gewebe und vermitteln Werte von 25 bis 45 Grad. Wird die Temperatur tiefer oder höher, geben die Schmerzrezeptoren Alarm. Bei gleichbleibender Temperatur erzeugen die Thermorezeptoren eine konstante Impulsfrequenz die der Temperatur entspricht. Bei rascher Erwärmung der Haut werden die Warmrezeptoren überschiessend erregt, die Kaltrezeptoren verstummen. Eine schnelle Abkühlung erzeugt das gegenteilige Verhalten. Nach kurzer Zeit stellen sich die Rezeptoren auf die neue Temperatur ein. Im mittleren Temperaturbereich sind beide Rezeptoren aktiv, daher empfinden man ihn als neutral. Somit kann ein und die selbe Temperatur subjektiv als warm oder kalt empfunden werden, je nachdem an welche Temperaturen sich die Rezeptoren gewöhnt haben. Das Temperaturempfinden wird nicht nur von den Rezeptoreigenschaften Karsten Schick 17 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren bestimmt, sondern auch zentral vom Hypothalamus gesteuert. Wenn man z.B. eine Hand in kaltes Wasser taucht, dann nimmt die Wärmeempfindung innerhalb von 1 bis 2 Minuten konstant ab, während die Anpassung der Rezeptoren nur wenige Sekunden dauert. Abbildung 10: Die Rezeptoren der Haut 2.5.4.2 Der Temperatursensor Der Temperatursensor ist ein elektronisches Bauelement, das eine Temperatur in eine elektrische Größe umwandelt. Hierzu gibt es drei gebräuchliche Techniken: 1. Heißleiter und Kaltleiter verändern ihren elektrischen Widerstand abhängig von der Temperatur. Gebräuchlich sind Platin-Temperaturfühler mit z.B. 100 Ohm Widerstand bei 20°C (PT100-Elemente). 2. Halbleiter-Temperatursensoren, teilweise mit integrierten Kompensations- und Verstärkerschaltungen. 3. Wärmefühler mit Schwingquarz als Messelement. Die Resonanzfrequenz des schwingenden Quarzes verändert sich abhängig von der Temperatur und kann sehr präzise gemessen werden. 2.6 Der "6. Sinn" und der "7. Sinn" Mit "6. Sinn" wurde vielfach die Fähigkeit bezeichnet, Dinge wahrzunehmen, die anscheinend nicht mit den Sinnesorganen aufgenommen wurden, vor allem die so genannten Psi-Fähigkeiten (Telepathie, Hellsehen, Präkognition). Biologen benutzen diesen Begriff allerdings zunehmend, um damit elektrische und magnetische Sinne von Tieren zu beschreiben: Zitteraale erkennen im Dunkeln ihre Gegner durch die Wahrnehmung von Änderungen elektrischer Felder, die sie selbst aussenden; Zitterrochen nehmen die Körperelektrizität ihrer Beute wahr; Klapperschlangen haben einen Wärmesinn; Webspinnen erkennen durch einen Schwingungssinn die kleinsten Bewegungen in ihren Netzen; Tauben wird ein Magnetsinn nachgesagt. Alle diese Sinne, die inzwischen genauer erforscht werden, haben eine 18 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Verankerung in im Biologischen und sind nichts Übernatürliches (mehr). Darum erscheint es naheliegend, für die paranormalen Wahrnehmungen (oder Pseudowahrnehmungen) den Ausdruck "7. Sinn" zu verwenden. Damit kommt zum Ausdruck, dass hiermit weder die fünf normalen Sinne noch die verschiedenen, ebenfalls auf physikalischen Wahrnehmungen beruhenden sechsten Sinne gemeint sind. "Der siebte Sinn" ist darum seit langem der Name einer Informationssendung im deutschen Fernsehen (ARD), die über das korrekte Verhalten im Straßenverkehr informieren will. 3 Fazit Ganze Branchen wie der Maschinen- oder der Automobilbau sind ohne ausgereifte Sensorik gar nicht mehr denkbar. Das spiegelt sich auch in den Arbeitsmarktzahlen wider: Rund 150.000 Mitarbeiter beschäftigen die Sensorikhersteller in Deutschland und die Branche brachte es im letzten Jahr - nach Auskunft des deutschen Fachverbandes für Sensorik - auf einen Umsatz von etwa 10 Mrd. € - Tendenz steigend. Insofern sind Sensoren eine Massenware. Aber sie sind zugleich auch ein Zweites: Gegenstand und Mittel der Forschung. Denn jeder Sensor fußt auf einem naturwissenschaftlichen Effekt und nutzt, abstrakt formuliert, den funktionellen Zusammenhang zweier Größen. Das gilt für das einfache Thermometer ebenso (das Volumen der Meßflüssigkeit ändert sich im Meßbereich proportional zur Temperatur) wie für ein Mikroskop, das Atome sichtbar werden lässt (bei einem Rasterkraftmikroskop etwa reagiert eine feine Spitze an einem winzigen Hebelarm auf atomare Erhebungen einer Oberfläche). Und bei all dem sind die "klassischen Märkte" der Sensorik noch gar nicht genannt: der Maschinen- und Anlagenbau sowie die Prozeßtechnik. Der zunehmende Automatisierungsgrad in den Fabriken hängt dabei ganz entscheidend vom Entwicklungsstand der verfügbaren Sensoren ab: von der Positionsmessung in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bis hin zu den Sensorsystemen in Industrierobotern. Die Qualität der Produkte und die Kosten ihrer Erzeugung sind hier die entscheidenden Triebfedern. 4 Ausgereifte Sinne in der Natur Die Sinne des Menschen haben unterschiedliche Aufnahmekapazitäten. So werden über den Gesichtssinn pro Sekunde etwa 10 Millionen Bit aufgenommen, über den Tastsinn etwa 1 Millionen Bit, über den Gehörsinn etwa 100 000 Bit, über den Geruchssinn etwa 100 000 Bit und über den Geschmackssinn etwa 1 000 Bit. Mit Sensoren kann der Mensch seine Sinne, gerade in vielen Bereichen der Technik ersetzen und sogar verbessern. Die Sinne des Menschen sind in ihrer Kapazität für seinen Lebensbereich ausreichend. Man könnte von einem Mittelmaß sprechen. Sollten an einer Stelle die Möglichkeiten eines Sinns nicht mehr ausreichen, nimmt sich der Mensch technische Hilfsmittel mit entsprechend besseren Karsten Schick 19 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Sensoren zur Hand. In der Natur ist der Mensch allerdings das einzige Lebewesen das dazu in der Lage ist. Deshalb hilft die Natur manchen Lebewesen mit einem sehr ausgereiften Sinn oder mit einem "sechsten Sinn" z.B. bei der Nahrungssuche: So vermag ein Hai den Pulsschlag einer im Meeresboden vergrabenen Flunder aufzuspüren. Die schwachen elektrischen Felder des Pulses nimmt ein vorbeischwimmender Hai mit seinen Lorenzinischen Ampullen wahr. Über eine Vielzahl von Poren in der Kopfhaut führen feine Kanäle zu einer elektrisch leitenden Gallertmasse, welche - vergleichbar einem empfindlichen Spannungsmesser - die äußeren elektrischen Felder abtastet. So registriert der Hai bereits Feldstärken von 0,01 Mikrovolt pro Zentimeter - zuviel für eine Flunder, um sich verstecken zu können. Aus ihren Kehlköpfen stoßen sie Laute bis zu 200 Kilohertz, also weit jenseits der menschlichen Hörschwelle, aus. Mit diesem Ultraschall sondieren Fledermäuse ihre Umgebung. Mit ihren sprichwörtlichen Ohren fangen die Fledermäuse das Echo ihrer Schreie auf und setzen daraus ein Hörbild ihrer Umgebung zusammen. Dabei messen sie zugleich die Laufzeit der Signale, die sie selbst dann noch trennen können, wenn der Zeitunterschied lediglich eine 40 Millionstel Sekunde beträgt. Kein Wunder, dass Fledermäuse auch im Schnellflug nirgends anstoßen. Das männliche "Kleine Nachtpfauenauge" könnte mit dem Satz "Ich kann Dich nicht riechen" gewiss nichts anfangen. Schließlich sind seine federartigen und mit winzigen Haaren versehenen Fühler in der Lage, den Sexualduft eines Weibchens noch aus fast fünf Kilometer Entfernung auszumachen, auch wenn sich der Duftstoff schnell mit dem Wind verteilt hat. Ein einzelnes Duftmolekül genügt, und das Männchen fliegt schnurstracks zum Ziel seiner Wünsche. Wenn der Sandskorpion in der Mojave-Wüste auf Jagd geht, ortet er die Beute mit seinen acht Füßen, in denen ein perfekt funktionierender Vibrationssinn steckt: Die Sinneshaare sowie das Spaltsinnesorgan auf jedem Fuß registrieren auch leichteste Vibrationen der Sandoberfläche, die ein vorbeikrabbelnder Käfer oder eine sich unter der Sandoberfläche fortgrabende Schabe verursachen mögen. Allein das Spaltsinnesorgan reagiert bereits auf Auslenkungen von 0,1 Nanometer. Da die Vibrationen die acht Beine zeitversetzt erreichen, gelingt es dem Skorpion, sein Ziel exakt anzuvisieren. Information gewonnen - Information verarbeitet - Aktion ausgelöst: Hunger gestillt. 20 Karsten Schick Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren Abkürzungsverzeichnis A/D Analog/Digital CCD Charge-Coupled Device CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor FSR Force Sensoring Resistor (= Kraftabhängiger Widerstand) RGB Rot Grün Blau Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Schallereignisse 5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Aufbau des menschlichen Auges Abbildung 2: Aufbau des menschlichen Ohrs Abbildung 3: Aufbau des Kondensators Abbildung 4: Querschnitt der menschlichen Nasenhöhle Abbildung 5: Kamm der elektronischen Nase Abbildung 6: Wahrnehmung der Geschmacksrichtungen Abbildung 7: Seitenansicht des FSR-Sensor Abbildung 8: Schematischer Aufbau des FSR-Sensor Abbildung 9: FSR-Sensor Abbildung 10: Die Rezeptoren der Haut 3 7 8 9 11 13 15 15 16 18 Literaturverzeichnis [1] Die elektronische Nase. Wie Forscher den absoluten Geruchssinn kreieren. http://www.3sat.de [2] Elektronische Zunge aus Tirol. Virtueller Feinschmecker, 25. Februar 2002 http://www.3sat.de Karsten Schick 21 Schwerpunktseminar Sinne und Sensoren [3] Künstlicher Weintester: Forscher konstruieren elektronische Zunge http://www.spiegel-online.de [4] Das Ohr http://www.gesund.co.at [5] Die Welt der Düfte → Wie wir riechen, WDR, 19.Februar 2002 http://www.quarks.de/duefte/02.htm [6] Die Sinnesorgane http://www.geraldgroos.de/Theorie/Die%20Sinnesorgane.pdf [7] Nase, Dipl.-Biol. Cornelia Loos , Fachredakteurin [Qualimedic.com AG], 12. Dezember 2002 http://allergie.qualimedic.de/qmDoc.php?fn=nase&filetime=1039694464 [8] Künstliche Nasen, WDR, 09. September 2003 http://www.quarks.de/dyn/12571.phtml [9] Künstliche Hundenase spürt Aromen besser auf, 08. April 2003 http://www.wissenschaft.de/wissen/news/209220.html [10] Geschmackssinn http://www.g-netz.de/Der_Mensch/sinnesorgane/geschmackssinn.shtml [11] Susanne Fiedler, 12.Januar.2003 http://www.userchannel.de/sonntagsseite/newsseite.php?datum=12.01.2003&newsID=138 [12] Eine Antwort auf die Frage des Geschmacks http://science.orf.at/science/news/38786 [13] Künstliche Zunge unterscheidet Jahrgänge von Weinen, Marcel Falk, 10. Januar 2002 http://www.wissenschaft.de/wissen/news/150845.html [14] Tastsinn http://www.g-netz.de/Der_Mensch/sinnesorgane/tastsinn.shtml [15] FSR-Sensoren Daten, Eigenschaften und Hinweise zur Handhabung, Conrad Elektronik 182479-da-01-de-drucksensor_fsr-153ns.pdf [16] Eine Reise durch das Universum zum Tastsinn, Grips Trips, Universum Science Center, Beate Fox grips_tasten.pdf, http://www.universum-bremen.de [17] Mihrophone, Gerhard Boré / Stephan Peus, 4. Auflage 1999 [18] http://de.wikipedia.org 22 Karsten Schick
