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Ingo Rechenberg

Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“. Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur. Die Mückenantenne. 440 Hz. Der Tenor und die Mücken.

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Presentation Transcript

  1. Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2.Vorlesung „Bionik II/Biosensorik“ Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur

  2. Die Mückenantenne

  3. 440 Hz Der Tenor und die Mücken

  4. Akustische Antenne einer männlichen Stechmücke

  5. Flügelschlagfrequenz: Weibchen≈ 400 Hz Männchen ≈ 600 Hz Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

  6. Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

  7. Das Johnstonsche Organ an der Basis einer Fliegenantenne Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring innerer Skolopidienring Basalplatte basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus

  8. 7nm Potenzialänderung Erklärung

  9. Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ Ableitung

  10. Das JOHNSTON-Organ an der Basis einer Fliegenantenne Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring innerer Skolopidienring Basalplatte Die ca.30000 Sinneszellen (Skolopidien) reagieren primär auf Zug basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus

  11. Auf-Ab-Schwingung QuasidoppelteFrequenz Kipp-Schwingung Modellvorstellung zur Signalwandlung im JOHNSTONschen Organ In dem Modell sollen Federn als Spannungs-Sensoren ebenfalls einseitig reagieren, aber im Gegensatz zur Natur nur auf Druck und nicht nur auf Zug

  12. Bei der Messung Summierer einfache Summation der Signale

  13. Bewegte Luftmoleküle schleppen die Antenne auf und ab, hin und her, oder dazwischen Dioden für einseitige Signale Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz Erste experimentelle Realisierung (1976)

  14. Charakteristische Geschwindigkeit der akustisch bewegten Luftpartikel Nicht verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit ! Ergebnis: Grobes Modell Die Mücke besitzt ein Schallschnelle-Vektormessgerät. Die gefiederte Geißel wird von den longitudinal hin und her schwingenden Luftmolekülen mitgeschleppt. Das Verhältnis von Grundwelle zur Oberwelle bestimmt die Schlepprichtung der Geißel.

  15. Microflown Schallschnelle-Sensor der Firma ISMB Technologies Herkömmliche Mikrofone messen die durch eine Schallwelle hervorgerufene Druckänderung. Microflown Schnelle-Mikrofone messen hingegen direkt die Teilchenbewegung der Luft. Dazu werden drei winzige Platindrähte auf ca. 200°C erhitzt. Die Schallwelle in der Luft lässt die Luftmoleküle unterschiedlich schnell an diesen Drähten vorbeifließen. Diese differentielle Abkühlung verändert den Widerstand der Drähte, was durch entsprechende Wandlung als elektrisches Signal messbar gemacht wird. Hitzdrahtmikrofon

  16. Vision Mikrosystem künstliche Mückenantenne

  17. Das Seitenlinienorgan der Fische

  18. Seitenlinienorgan des Hais Poren Schuppen Gallerte Innerer Kanal Poren Haarzellen Druck-welle ! Momentan induzierte Geschwindigkeit Nervenfasern Innerer Kanal

  19. Artspezifische Strömungsspur Sonnenbarsch Buntbarsch Kugelfisch These: Fische hinterlassen eine Strömungsspur, die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan gefühlt wird. H. Bleckmann und W. Hanke: Journal of Experimental Biology 207, S.1585-1596.

  20. Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan

  21. Ein künstliches Sinnesorgan, das dem Seitenlinienorgan von Fischen nachempfunden ist, soll Unterwasserrobotern die Navigation erleichtern. Sie könnten damit Hindernisse früher erkennen und sich in den Weiten der Ozeane besser orientieren, berichten der Ingenieur Chang Liu und der Neurobiologe Fred Delcomyn von der University of Illinois. Das künstliche Seitenlinienorgan besteht aus winzigen Siliziumscheibchen mit dreidimensionalen haarähnlichen Strukturen auf der Oberfläche. Jedes der „Siliziumhaare“ ist über ein Mikrogelenk mit einem elektronischen Sensor verbunden. Das entspricht dem natürlichen Vorbild, bei dem jede Haarzelle mit einer Nervenzelle verbunden ist. Werden die künstlichen Härchen von einer Wasserströmung gebogen, erhalten diese Sensoren Informationen über Richtung und Stärke der Strömung. Diese Daten geben sie an einen Computer weiter, der die Bewegungen interpretiert und ein Bild über die Umgebung berechnet. REM-Bild eines künstlichen Haarzellen-Sensors. Das „technische Cilium“ ist 350 mm hoch. Fast 100×höher als in der Biologie

  22. Autonomes Unterwasser-Vehikel „erfühlt“ seine Umgebung

  23. Elektroortung bei Fischen

  24. Poren Das elektrorezeptive System des Hais Lorenzinische Ampullen (= modifizierte Haarzellen)

  25. Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens „EEG“ einer verborgenen Scholle Passive Elektroortung

  26. 400 Hz Metalldetektor Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Aktive Elektroortung

  27. leitend nichtleitend Feldverzerrung

  28. Um die Fähigkeit der Elektroortung von G.petersii zu testen, wurden einzelnen Tieren nach dem Zufallsprinzip unterschiedlich entfernte Objekte hinter zwei Öffnungen in einer Trennwand präsentiert. Schwamm der Fisch durch das Tor, hinter dem sich das weiter entfernte Objekt befand, wurde er belohnt.

  29. Frequenzanalyse in der Cochlea

  30. Tektorialmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen Cochlea Basilarmembran Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung bei Abbiegung als „Servomotor“

  31. Gehörknöchelchen Ovales Fenster Rundes Fenster Wanderwelle Basilarmembran Hammer Amboss Steigbügel Cochläre Tennwand Trommelfell Untersetzungsgetriebe Wanderwellentheorie nach Georg von Békésy

  32. Anregungsfrequenz Gelenkketten-Ölmodell Maximale Amplitude bei hoher Anregungsfrequenz Gelenkkette Öl Maximale Amplitude bei niedriger Anregungsfrequenz

  33. Zirpen einer Grille Quaken eines Ochsenfroschs Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton

  34. Ultraschallortung der Fledermäuse

  35. Doppler-Kompensation Echoortung der Fledermaus Suche Identifizierung

  36. Die Navigation der Bienen

  37. Der Akteur und die Requisiten

  38. Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel ( Preisgekröntes „echtes“ Foto von Marco Kleinhenz )

  39. Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

  40. Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche

  41. Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

  42. Normal schwingt Licht in alle Richtungen Polarisationsfolie Sonne Polarisationsmuster des Himmels

  43. Polarisationsrichtung Sternfolie von Karl von Frisch Karl von Frisch (1886-1982) Nobelpreis 1973

  44. Sollkurs Wind 8 m/s Flugweg Abdrift durch Seitenwind

  45. 40 km/h 60 km Flensburg 200 km/h 300 km Hannover

  46. Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

  47. Foto: Gabriele Jesdinsky Rüsselkäfer Versuchstier zur Aufklärung der optomotorischen Reaktion

  48. Mathematisches Modell Verhaltensphysiologische Methode Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

  49. Der Spangenglobus

  50. Der klassische Rüsselkäferversuch von Hassenstein und Reichardt (1948-1952) Spangenglobus und Korrelationsauswertung Der Käfer Chlorophanus trägt, für die Dauer des Ver-suchs freischwebend fixiert, den aus Stroh gefertig-ten Spangenglobus in seinen Füßen mit eigener Kraft, und dreht ihn, indem er vorwärts läuft. Gewicht des Spangenglobus: 0,1 g Durchmesser des Spangenglobus: 29 mm Optischer Korrelationssensor

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