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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
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Die Mückenantenne
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Der Tenor und die Mücken
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Antenne einer männlichen Stechmücke
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Antenne einer männlichen und einer weiblichen Stechmücke
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Lagerung der Antennenschäfte im Johnstonschen Organ
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Schaft versteift Oszillierender Eisenstab
Oszilloskop
Mücke
Erklä ru n g
7 nm Potenzialänderung
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fAbleitung = fAnregung
fAbleitung 2= fAnregung
Ableitung
Ableitung der Potenziale aus dem Johnstonschen Organ
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Haar
Antennenbasis
PedicellusSinneszelleäußerer Skolopidienring
Basalplatte
innerer Skolopidienring
basale SkolopidienNervenkomplexScapus
Das JOHNSTON-Organ an der
Basis einer Fliegenantenne
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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.
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Messwandler
Sensor0.5
mm
& Schwinger
Büschelantenne
Eigenfrequenz
Schall Partikel
Mikrosystem künstliche
Mückenantenne
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Erste experimentelle Realisierung (1976)
Bei Kippschwingungen ≈ doppelte Frequenz
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Das Seitenlinienorgan der Fische
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Seitenlinienorgan des Hais
Haarzellen
Nervenfasern
Innerer Kanal
Innerer Kanal
Poren
Poren
Schuppen
Gallerte
Druck-welle !
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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.
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Fischschwarm
Man fühlt sich gegenseitig
über das Seitenlinienorgan
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Elektroortung bei Fischen
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Poren
Lorenzinische Ampullen
Das elektrorezeptive System des Hais
(= modifizierte Haarzellen)
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Hammerhai beim Abscannen des Meeresbodens
„EEG“ einer verborgenen Scholle
Passive Elektroortung
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Aktive Elektroortung
400 Hz
Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii)
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Feldverzerrung
leitend nichtleitend
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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.
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Frequenzanalyse in der Cochlea
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Tektorialmembran
Basilarmembran
Äußere Haarzellen
Innere Haarzellen
Die äußeren Haarzellen wirken durch eine Verlängerung als „Servomotor“
Cochlea
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Wanderwelle
Basilarmembran
Gehörknöchelchen
Ovales Fenster
Rundes Fenster
SteigbügelAmbossHammer
Trommelfell
Cochläre Tennwand
Wanderwelle in
der Cochlea
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Wanderwellenmaximum bei einem hohen und einem tiefen Ton
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Ultraschallortung der Fledermäuse
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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
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Die Navigation der Bienen
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Die Akteure
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Honigbiene fliegt durch einen optisch gemusterten Tunnel
( Preisgekröntes Foto von Marco Kleinhenz )
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Schwänzeltanz mit 4 Nachfolgerinnen Schwänzeltanz mit großer Gefolgschaft
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Bienentanz
Richtungsweisung auf der vertikalen
Wabenfläche
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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
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Polarisationsmuster des Himmels
Polarisationsfolie
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Sternfolie von Karl von Frisch
Polarisationsrichtung
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Bienenflug über ein Gewässer bei Wind
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Wind
Flugweg
Abdrift durch Seitenwind
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Foto
: Gab
riele
Jes
dins
ky
Rüsselkäfer
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Mathematisches Modell
Verhaltensphysiologische Methode
Kontrollierte Reizgebung Messung der Reaktion
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Der Spangenglobus
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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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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
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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.
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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
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Abdriftsensor nach dem Vorbild des Bienenauges
Montage an ein Motorflugzeug
Erprobung am Segelflugzeug ASK 13
(1977)
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Das Gyroskop der Wiesenschnake
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Foto
: M. W
iora
Foto
: Kla
us M
arits
chni
gg
Schwingkölbchen
Der schwingende Kreisel der Wiesenschnake
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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
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Ende