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

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1 Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren Von Kathrin Carl Universitätsverlag Ilmenau 2009

2 Impressum Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über abrufbar. Diese Arbeit hat der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen. Tag der Einreichung: 30. Juni Gutachter: Prof. Dr. med. Hartmut Witte (Technische Universität Ilmenau) 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Zimmermann (Technische Universität Ilmenau) 3. Gutachter: PD Dr. phil. nat. Gertrud Klauer (Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt/M.) Tag der Verteidigung: 18. November 2008 Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek Universitätsverlag Ilmenau Postfach Ilmenau Herstellung und Auslieferung Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG Am Hawerkamp Münster ISBN (Druckausgabe) ISSN (Druckausgabe) urn:nbn:de:gbv:ilm

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis...XV Tabellenverzeichnis...XIX 1 Einleitung Zur Theorie der Sensoren Vorbemerkung Begriffsbestimmung Sensorklassifikation Merkmale biologischer Sinnesorgane Konzept des Reizleitungsapparates Ausgewähltes biologisches Beispiel Entwicklung eines allgemeinen Konzeptes Weitere Prinzipien von Sinnesorganen Möglichkeiten des entwickelten Konzeptes Diskussion Anwendung des entwickelten Konzeptes Vorbemerkungen Taktile Mechanosensoren in der Technik Mikrosystemtechnik Qualitätskontrolle Robotik Taktile stiftführende Sinnesorgane Sensillen der Gliederfüßer Antennen der Insekten Vibrissen der Säugetiere Biologisch inspirierte taktile Sensoren Stand der Technik Optimierungsbedarf taktiler Mechanosensoren Das Tasthaar-Sinnessystem Allgemeine Charakteristika Morphologische Merkmale Sensorische Komponenten Aktorische Komponenten...40 XI

4 4.3 Funktionelle Merkmale Signalverarbeitung Identifikation des Forschungsbedarfs Technisch relevante Charakteristika Funktionshypothesen Konzept der analytischen Betrachtungen Der Haarschaft als reizaufnehmende Struktur Strukturelle Eigenschaften Allgemeiner Aufbau von Haaren Material und Methoden Ergebnisse und Auswertung Diskussion Statische Eigenschaften Material und Methoden Ergebnisse und Auswertung Diskussion Dynamische Eigenschaften Material und Methoden Ergebnisse und Auswertung Diskussion Biegestrukturen mit fester Lagerung Analysierte Biegestrukturen Analysierte Parameter Simulationen Diskussion Der Follikel-Sinus-Komplex als Lagerung Abstraktion der Grundprinzipien Biegestrukturen mit nachgiebiger Lagerung Analysierte Biegestrukturen Simulationen Diskussion Geregeltes mechanisches System Vorbemerkungen Mechanisches Modellbeispiel XII

5 6.3.3 Simulationen Diskussion Übertragung auf technische Umsetzungen Anforderungen an technische Sensoren Gestaltungsvorschläge für die reizaufnehmende Struktur Außenkontur Material Außenhülle Oberflächenstruktur Binnenstruktur Gestaltungsvorschläge für die Sensorelemente Gestaltungsvorschläge für die Ankopplung Nachgiebige Ankopplung Einstellbare Steifigkeit Diskussion Methodenkritik Konzept des Reizleitungsapparates Struktur-Funktions-Korrelation Technische Anforderungen und biologische Lösungen Ausblick Weiterentwicklung des Reizleitungsapparat-Konzeptes Experimentelle Analysen Modellierung und Simulation Technische Umsetzung Zusammenfassung Anhang Literaturverzeichnis Thesen XIII