Schick, Karsten - Benutzer-Homepage

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
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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-
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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Abbildung 7: Seitenansicht des FSR-Sensor
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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Sinne und Sensoren
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Das Ohr
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Die Welt der Düfte → Wie wir riechen, WDR, 19.Februar 2002
http://www.quarks.de/duefte/02.htm
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Die Sinnesorgane
http://www.geraldgroos.de/Theorie/Die%20Sinnesorgane.pdf
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Nase, Dipl.-Biol. Cornelia Loos , Fachredakteurin [Qualimedic.com AG], 12. Dezember 2002
http://allergie.qualimedic.de/qmDoc.php?fn=nase&filetime=1039694464
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Künstliche Hundenase spürt Aromen besser auf, 08. April 2003
http://www.wissenschaft.de/wissen/news/209220.html
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Geschmackssinn
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Susanne Fiedler, 12.Januar.2003
http://www.userchannel.de/sonntagsseite/newsseite.php?datum=12.01.2003&newsID=138
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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
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Tastsinn
http://www.g-netz.de/Der_Mensch/sinnesorgane/tastsinn.shtml
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FSR-Sensoren Daten, Eigenschaften und Hinweise zur Handhabung, Conrad Elektronik
182479-da-01-de-drucksensor_fsr-153ns.pdf
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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
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