Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur

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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur…
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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 2. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Integrierte Leistungen von Sinnesorganen Exotische Messprinzipien in der Natur Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet Die Mückenantenne Der Tenor und die Mücken Antenne einer männlichen Stechmücke Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ 7 nm Potenzialänderung Schaft versteift Oszillierender Mücke Eisenstab Oszilloskop E rk lä ru n g Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ Ableitung fAbleitung = fAnregung fAbleitung = 2 fAnregung Das JOHNSTON-Organ an der Basis einer Fliegenantenne Haar Antennenbasis Pedicellus Sinneszelle äußerer Skolopidienring innerer Skolopidienring Basalplatte basale Skolopidien Nervenkomplex Scapus Ergebnis: Die Mücke besitzt ein Schallschnelle-Vektormessgerät. Die gefiederte Geißel wird von den longitudinal hin und her schwingenden Luftmolekülen mitgeschleppt. Das Verhältnis von Grundwelle zur Oberwelle bestimmt die Schlepprichtung der Geißel. Sensor Büschelantenne 0.5 mm Schall Partikel Mikrosystem künstliche Mückenantenne Messwandler Eigenfrequenz & Schwinger  Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz Erste experimentelle Realisierung (1976) Das Seitenlinienorgan der Fische Seitenlinienorgan des Hais Poren Schuppen Innerer Kanal Gallerte Poren Haarzellen Druck- welle ! Nervenfasern Innerer Kanal Artspezifische Strömungsspur Sonnenbarsch Buntbarsch These: Fische hinterlassen Kugelfisch eine Strömungsspur, die noch nach Minuten über das Seitenlinienorgan gefühlt wird. H. Bleckmann und W. Hanke: Journal of Experimental Biology 207, S.1585-1596. Fischschwarm Man fühlt sich gegenseitig über das Seitenlinienorgan Elektroortung bei Fischen Poren Das elektrorezeptive System des Hais Lorenzinische Ampullen (= modifizierte Haarzellen) Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens „EEG“ einer verborgenen Scholle Passive Elektroortung 400 Hz Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) Aktive Elektroortung leitend nichtleitend Feldverzerrung Um die Fähigkeit der Elektroortung von G. petersii zu testen, wurden einzelnen Tieren nach dem Zufallsprinzip unterschiedlich entfernte Objekte hinter zwei Öffnungen in einer Trennwand präsentiert. Schwamm der Fisch durch das Tor, hinter dem sich das weiter entfernte Objekt befand, wurde er belohnt. Frequenzanalyse in der Cochlea Tektorialmembran Äußere Haarzellen Innere Haarzellen Cochlea Basilarmembran Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung als „Servomotor“ Hammer Amboss Steigbügel Cochläre Tennwand Trommelfell Gehörknöchelchen Ovales Fenster Rundes Fenster Wanderwelle Basilarmembran Wanderwelle in der Cochlea Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton Ultraschallortung der Fledermäuse Echoortung der Fledermaus CF-FM-Ruf FM-Ruf Doppler-Kompensation CF FM Nur FM KHz 90 61kHz Ruf Echo 3. Harmonie Frequenz Regler Strecke 60 2. Harmonie 30 1. Harmonie Zeit Zeit Die Navigation der Bienen Die Akteure Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel ( Preisgekröntes Foto von Marco Kleinhenz ) Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft Bienentanz Richtungsweisung auf der vertikalen Wabenfläche 11 10 9 8 Umlaufzeit / s 7 6 5 4 3 2 Apis mellifica carnica 1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Entfernung / m Tanztempo und Entfernung des Futterplatzes Polarisationsfolie Polarisationsmuster des Himmels Polarisationsrichtung Sternfolie von Karl von Frisch Bienenflug über ein Gewässer bei Wind Abdrift durch Seitenwind Foto: Gabriele Jesdinsky 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 0,6 Wahlreaktion der Käfer w 0,4 0,2 0 1 10 100 1000 Grad/s Winkelgeschwindigkeit der Musterbewegung Zahl der Rechtswendungen  50 wrechts  Bei 100 Käferentscheidungen 50 Optomot. Reaktion o 120 o 100 o 80 o 60 o 40 o 20 o 0 0 0,1 1 10 100 Mustergeschwindigkeit Die Grille läuft auf einer luftgelagerten Styropor- Kugel. Das rotierende Streifenmuster erzeugt eine Drehreaktion. Messung der optomotorischen Reaktion einer laufenden Grille (1999) s 1 s 1 1  s 1 1  s 1 1 1 1  s 2 1  s 2 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 1 1 sT sT 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 s 1 d x  y   dy Übertragungsfunktion:  1 1 s 1 dt 1 dt Mittelwertbildner Mittelwertbildner Zwei-Ommatidien-Schaltung Montage an ein Motorflugzeug Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges (1977) Erprobung am Segelflugzeug ASK 13 Das Gyroskop der Wiesenschnake Foto: M. Wiora Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake Foto: Klaus Maritschnigg Schwingkölbchen Exotische Messprinzipien der Natur Zusammenfassung: 1. Die Mückenantenne als Schallschnelle-Vektormessgerät 2. Das Seitenlinienorgan als Fernfühlmessgerät (Ferntastsinn) 3. Das „EEG“-Messsystem des Hais 4. Elektrische Umgebungsabtastung durch den Elefantenrüsselfisch 5. Die Cochlea als Wanderwellen-Frequenanalysator 6. Die Dopplerregelung bei der Echoortung der Fledermaus 7. Die berührungslose Geschwindigkeitsmessung der Bienen 8. Der rotationslose Kreiselkompass der Wiesenschnake Ende
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