Wetenschappers ontdekken de fundamentele basis van de zijlijn zintuigstelsel

Fundamentele ontdekkingen suggereren robotica toepassingen

Vis en sommige amfibieën bezitten een unieke zintuiglijke mogelijkheid in de zogenaamde zijlijn systeem. Het staat hen toe, in feite aan objecten in hun omgeving zonder direct fysiek contact "touch" of te "zien" in het donker. Professor Leo van Hermmen en zijn team in de faculteit Technische Natuurkunde van de Technische Universität München zijn de fundamentele basis voor deze zintuigstelsel verkennen. Wat ze ontdekken misschien op een dag door biomimetische engineering, beter uitrusten robots te oriënteren zich in hun omgevingen.

Met onze zintuigen nemen we in slechts een klein deel van de informatie die ons omringt. Infrarood licht, elektromagnetische golven en echografie zijn slechts enkele voorbeelden van de externe invloeden die wij mensen van alleen met behulp van technologische meettoestellen begrijpen kunnen - overwegende dat sommige andere dieren speciale zintuigen, hun eigen biologische apparatuur, voor het doel gebruiken. Een dergelijk systeem gevonden in vis en sommige amfibieën wordt onderzocht door het onderzoeksteam van Professor Leo van Hemmen, stoel van theoretische biofysica op TUM, de Technische Universität München.

Zelfs in troebele wateren nauwelijks doorgedrongen door licht, snoeken en pickerel kan voelen uit hun prooi alvorens contact. De blinde Mexicaanse grot vis structuren in de omgeving kunnen waarnemen en moeiteloos kunt vermijden obstakels. Meerval op jacht volgen onzichtbare sporen die rechtstreeks naar hun prooi leiden. Het orgaan dat dit mogelijk maakt is de zijlijn systeem, dat wijzigingen in stromingen en nog kleinere verstoringen registreert, back-steunverlening voor het gevoel van zicht met name in donkere of modderige wateren.

Deze remote sensing systeem, op het eerste gezicht mysterieus, berust op het meten van de drukverdeling en snelheid veld in het omringende water. De zijlijn organen hiervoor verantwoordelijk zijn uitgelijnd langs de linker- en rechterkant van het lichaam van de vis en de ogen en de mond ook surround. Zij bestaan uit gelatineachtige, flexibele, vlag-achtige eenheden over een tiende van een millimeter lang. Deze zogenaamde neuromasts - die zitten hetzij rechtstreeks op de huid van het dier of net daaronder, in kanalen die water via poriën doordringen kan - zijn gevoelig voor de geringste beweging van het water. Gekoppeld aan hen zijn vergelijkbaar met de akoestische druksensoren in het menselijk binnenoor haarcellen. Zenuwen leveren signalen van de haarcellen voor verwerking in de hersenen, die lokaliseert en identificeert mogelijke bronnen van de wijzigingen gedetecteerd in de beweging van het water.

Deze veranderingen kunnen ontstaan uit verschillende bronnen: een vis zwemmen door produceert trillingen of golven die rechtstreeks naar de zijlijn orgel worden vervoerd. Scholing vissen kunnen worden herkend een nabijgelegen aanvaller en hun beweging zwemmen synchroniseren, zodat ze lijken op een enkel groot dier. De Mexicaanse grot vis duwt een boeggolf voorsprong van zichzelf, die wordt weerspiegeld van obstakels. De meerval haalt voordeel uit het feit dat een Zwemmen vis die zijn staartvin slaat een spoor van laat wervelingen achter. Deze zogenaamde "vortex straat" blijft bestaan voor meer dan een minuut en de prooi kan verraden.

Voor de afgelopen vijf jaar, zijn Leo van Hemmen en zijn team onderzoek naar de mogelijkheden van de zijlijn systeem en beoordelen van het potentieel om te vertalen in technologie. Hoe breed is het werkingsgebied van dergelijke een zintuig, en welke details kan het onthullen over het verplaatsen van objecten? Welke stimuli ontvangt de zijlijn systeem vanaf de trail eddy van een andere vis, en hoe worden deze prikkels verwerkt? Te krijgen naar de bodem van deze vragen, de wetenschappers ontwikkelen van wiskundige modellen en vergelijk deze met experimenteel waargenomen elektrische zenuwen signalen actie potentials genoemd. De biophysicists verwerven de experimentele gegevens - metingen van zijlijn orgel activiteit in samengeklauwde kikkers en grot vis - via samenwerking met de biologen. "biologische systemen volgen hun eigen wetten," zegt van Hemmen, "maar wetten die universeel geldig zijn binnen de biologie en kunnen mathematisch - worden omschreven zodra u de juiste biofysische of biologische concepten, en de juiste formule te vinden."

De modellen verrassend intuïtieve klinkende conclusies opleveren: vis betrouwbaar kan repareren de standpunten van andere vis in termen van een afstand die overeenkomt met de duur van hun eigen lichaam. Elke vis uitzendingen welomlijnde en onderscheidende informatie over zichzelf in het veld van stromingen. Dus, als een vis prooi bijvoorbeeld de grootte en vorm aan een mogelijke roofdier binnen de straal van de lichaamslengte van haar onthult, kan de laatste beslissen als een nastreven de moeite waard is. Dit is een sleutel vinden van van Hemmen het onderzoeksteam.

De TUM onderzoekers hebben ontdekt een andere interessante formule. Met deze, kan de hoek tussen de as van een vis en een vortex straat worden berekend uit de signalen dat een dwarslijn systeem verwerft. De piek vermogen van deze berekening komt overeen met het beste dat het zenuwstelsel van een vis kan doen. De berekende waarden voor zenuwen signalen uit van een dier zintuiglijke orgel eens verrassend goed met de werkelijke gemeten elektrische impulsen van de kwijting van zenuwcellen. "de zijlijn zin fascineerde me vanaf het begin omdat het fundamenteel verschilt van andere zintuigen zoals visie of hoorzitting, niet alleen op het eerste gezicht maar ook de tweede," zegt van Hemmen. "het is niet alleen dat het een andere kwaliteit van realiteit, maar ook dat in plaats van slechts twee ogen of de oren die dit gevoel wordt gevoed door vele discrete zijlijn organen - van 180 in de samengeklauwde kikker naar enkele duizenden in een vis, die elk op hun beurt uit verschillende neuromasts bestaat beschrijft. De integratie erachter is een tour de force."

De neuronale verwerking en integratie van diverse zintuiglijke indrukken in een uniforme toewijzing van de werkelijkheid is een belangrijk aandachtspunt voor de van Hemmen groep. Ze zijn dit dezelfde fundamentele investation door de studie van de woestijn slangen infrarood waarneming, trillingen sensoren in schorpioenen voeten, en het gehoor barn uilen nastreven.

"Technologie heeft ingehaald aard in sommige domeinen," van Hemmen zegt, "maar loopt ver achter in de cognitieve verwerking van ontvangen zintuiglijke indrukken. Mijn droom is om begiftigen robots met meerdere zintuiglijke modaliteiten. In plaats van altijd gebouw in meer camera's, moet ook langs de weg geven wij hen extra sensoren voor geluid en aanraking."met een gevoel gemodelleerd op de zijlijn systeem, maar die ook in de lucht zou functioneren terwijl onder water, robots kunnen bijvoorbeeld veilig door menigte van mensen. Maar een dergelijk systeem biedt ook veel veelbelovende applicaties in het water. Onderwater robots kon gebruiken om te oriënteren zich tijdens de verkenning van ontoegankelijke grot systemen en diepzee vulkanen. Autonome onderzeeërs kunnen ook belemmeringen vinden in troebele water. Een dergelijke onderwater voertuig wordt momenteel ontwikkeld in het kader van het EU-project CILIA, in samenwerking met de TUM stoel voor begeleiding en besturingstechniek.

Verder onderzoek omvat samenwerkingen met de uitmuntendheid cluster CoTeSys (cognitie voor technische systemen) en de nieuw opgerichte Leonardo da Vinci Center voor Bionics op TUM, alsook met de stoel voor humanoid robots en het Bernstein Center for Computational Neuroscience.

Bron: Technische Universität Muenchen

Advertisement