Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren

Carl, Kathrin GND

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept des Reizleitungsapparates vorgestellt, welches die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens ermöglicht und sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen eignet. Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird dieses Konzept als methodische Leitlinie angewendet. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen.

Nature offers an inexhaustible array of phenomena with potential for technical application. A wide range of designs inspired by ideas from biology often fails because no transfer method from research to industrial implementation exists. This work introduces a concept for systematic analysis of function determining principles of biological sensor organs. The concept is based on comparative examination of biological sensor organs and technical sensor systems. Target-oriented evaluation and systematization of biological knowledge in the technological context is accomplished by using the so called stimulus-leading-apparatus concept. Furthermore, this concept can be applied to technical sensor systems to identify design strategies and optimization potential. The concept is tested on tactile sensors. Biological subject of study is the whisker system of mammals because of its technical relevance. Hair shaft, follicle-sinus-complex (FSC) and mechano receptors are the interesting peripheral structures of the whisker system. Aim of the study is not a detailed analysis of all functional correlations from periphery to neural processing but an abstraction of the essential principles which can initiate solutions for technical sensor problems. Therefore, the biological system is analyzed by means of technical methods and models. The whisker system periphery is examined as a beam with a compliant clamping featuring variable stiffness. Structural and mechanical parameters of the hair shaft are determined experimentally. Deductive methods of modeling are used to analyze the follicle-sinus-complex. A mechanical model reduced to basic principles is introduced. The reaction to external forces is studied and compared using static and even dynamic models. Finally, some ideas for optimizing technical tactile sensors are developed. Emphasis is on design concepts for the stimulus receiving structure and the realization of a compliant clamping with variable stiffness.

Die Natur bietet ein unerschöpfliches Potential an Phänomenen mit technischer Relevanz. Oft scheitert die breite Anwendung von Ideen aus der Biologie am Fehlen einer effektiven Transfermethode zwischen Forschung und industrieller Anwendung. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf einer vergleichenden Betrachtung biologischer Sinnesorgane und technischer Sensorsysteme ein Konzept zur systematischen Analyse der funktionell entscheidenden Grundprinzipien biologischer Sinnesorgane dargestellt. Dieses Konzept des Reizleitungsapparates ermöglicht die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens und eignet sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen. Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird das Konzept zum Reizleitungsapparat als methodische Leitlinie angewandt. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen. Daher erfolgt die Aufarbeitung der biologischen Kenntnisse unter Zuhilfenahme ingenieur-wissenschaftlicher Methoden und Modelle. Die Peripherie des Tasthaar-Sinnesorgans wird als Biegebalken mit nachgiebiger Lagerung interpretiert, deren Steifigkeit aktiv einstellbar ist. Während der Haarschaft bezüglich seiner Struktur und der mechanischen Eigenschaften mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht werden kann, muss bei der Analyse des Follikel-Sinus-Komplexes auf deduktive Methoden der Modellbildung zurückgegriffen werden. Es wird ein auf Grundprinzipien reduziertes mechanisches Modell vorgestellt und dessen Reaktion einerseits als statisches und andererseits als dynamisches System auf verschiedene Erregerkräfte analysiert. Abschließend werden Ansatzpunkte zur Optimierung taktiler stiftführender Sensoren entwickelt. Schwerpunkte liegen neben Gestaltungsvorschlägen für die reizaufnehmende Struktur auf der Umsetzung einer nachgiebigen und in ihrer Steifigkeit einstellbaren Lagerung.

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Carl, Kathrin: Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren. Ilmenau 2008. Universitätsverlag Ilmenau.

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