Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Integrierte Leistungen...

Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“

Integrierte Leistungen von Sinnesorganen

Exotische Messprinzipien in der Natur

Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Die Mückenantenne

Der Tenor und die Mücken

Antenne einer männlichen Stechmücke

Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke

Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ

Schaft versteift Oszillierender Eisenstab

Oszilloskop

Mücke

Erklä ru n g

7 nm Potenzialänderung

fAbleitung = fAnregung

fAbleitung 2= fAnregung

Ableitung

Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ

Haar

Antennenbasis

PedicellusSinneszelleäußerer Skolopidienring

Basalplatte

innerer Skolopidienring

basale SkolopidienNervenkomplexScapus

Das JOHNSTON-Organ an der

Basis einer Fliegenantenne

Ergebnis:

Die Mücke besitzt ein Schallschnelle-Vektormessgerät. Die gefiederte Geißel wird von den longitudinal hin und her schwingenden Luftmolekülen mitgeschleppt. Das Verhältnis von Grundwelle zur Oberwelle bestimmt die Schlepprichtung der Geißel.

Messwandler

Sensor0.5

mm

& Schwinger

Büschelantenne

Eigenfrequenz

Schall Partikel

Mikrosystem künstliche

Mückenantenne

Erste experimentelle Realisierung (1976)

Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz

Das Seitenlinienorgan der Fische

Seitenlinienorgan des Hais

Haarzellen

Nervenfasern

Innerer Kanal

Innerer Kanal

Poren

Poren

Schuppen

Gallerte

Druck-welle !

These: Fische hinterlassen eine Strömungsspur, die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan gefühlt wird.

Artspezifische Strömungsspur

Kugelfisch

Buntbarsch

Sonnenbarsch

H. Bleckmann und W. Hanke: Journal of Experimental Biology 207, S. 1585-1596.

Fischschwarm

Man fühlt sich gegenseitig

über das Seitenlinienorgan

Elektroortung bei Fischen

Poren

Lorenzinische Ampullen

Das elektrorezeptive System des Hais

(= modifizierte Haarzellen)

Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens

„EEG“ einer verborgenen Scholle

Passive Elektroortung

Aktive Elektroortung

400 Hz

Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii)

Feldverzerrung

leitend nichtleitend

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

Frequenzanalyse in der Cochlea

Tektorialmembran

Basilarmembran

Äußere Haarzellen

Innere Haarzellen

Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung als „Servomotor“

Cochlea

Wanderwelle

Basilarmembran

Gehörknöchelchen

Ovales Fenster

Rundes Fenster

SteigbügelAmbossHammer

Trommelfell

Cochläre Tennwand

Wanderwelle in

der Cochlea

Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton

Ultraschallortung der Fledermäuse

Echoortung der Fledermaus

Doppler-Kompensation

Regler StreckeRuf Echo61kHz

60

3.Harmonie

2.Harmonie

1.Harmonie

90

30

CF-FM-Ruf FM-Ruf

ZeitZeit

Freq

uenz

KHz CF FM Nur FM

Die Navigation der Bienen

Die Akteure

Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel

( Preisgekröntes Foto von Marco Kleinhenz )

Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft

Bienentanz

Richtungsweisung auf der vertikalen

Wabenfläche

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11U

mla

ufz

eit

/ s

Entfernung / m2000 3000 50004000 6000 7000 8000 9000 1000010000

Apis mellifica carnica

Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes

Polarisationsmuster des Himmels

Polarisationsfolie

Sternfolie von Karl von Frisch

Polarisationsrichtung

Bienenflug über ein Gewässer bei Wind

Wind

Flugweg

Abdrift durch Seitenwind

Foto

: Gab

riele

Jes

dins

ky

Rüsselkäfer

Mathematisches Modell

Verhaltensphysiologische Methode

Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion

Der Spangenglobus

Der klassische Rüsselkäferversuch

von Hassenstein und Reichardt (1948-1952)

Spangenglobus und Korrelationsauswertung

Der Käfer Chlorophanus trägt, für die Dauer des 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

1 10000

0,2

0,4

0,6

Winkelgeschwindigkeit der MusterbewegungGrad/s

Wah

lreak

tion

der K

äfer

w

10 100

5050 ungenRechtswend der Zahl rechtsw Bei 100 Käferentscheidungen

Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999)

Mustergeschwindigkeit

Optomot.Reaktion120

0 0,1 1 10 100

100

80

60

40

20

0

o

o

o

o

o

o

o

Die Grille läuft auf einer luftgelagerten Styropor-Kugel. Das rotierende Streifenmuster erzeugt eine Drehreaktion.

0 1 2 3 4 5 6

Mittelwertbildner Mittelwertbildner

0 1 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

1

1

1 s

s 1

1

1 s

s

211

s 211

s

Ts1

Ts1

Zwei-Ommatidien-Schaltung

Übertragungsfunktion: tyy

tx

ss

dd

dd

1 111

1

Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges

Montage an ein Motorflugzeug

Erprobung am Segelflugzeug ASK 13

(1977)

Das Gyroskop der Wiesenschnake

Foto

: M. W

iora

Foto

: Kla

us M

arits

chni

gg

Schwingkölbchen

Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake

Exotische Messprinzipien der Natur

Zusammenfassung:

1. Die Mückenantenne als Schallschnelle-Vektormessgerät

2. Das Seitenlinienorgan als Fernfühlmessgerät (Ferntastsinn)

3. Das „EEG“-Messsystem des Hais

4. Elektrische Umgebungsabtastung durch den Elefantenrüsselfisch

5. Die Cochlea als Wanderwellen-Frequenanalysator

6. Die Dopplerregelung bei der Echoortung der Fledermaus

7. Die berührungslose Geschwindigkeitsmessung der Bienen

8. Der rotationslose Kreiselkompass der Wiesenschnake

Ende