Bioinspired Electroreceptor System

Die Dissertation mit dem Titel Bioinspired Electroreceptor System untersucht die faszinierenden Fähigkeiten von schwach elektrischen Fischen, die selbst erzeugte elektrische Felder zur Kommunikation, aktiven Elektrolozierung und Navigation nutzen. Diese Fische sind in der Lage, Objekte und Nahrung selbst in dunklen oder trüben Gewässern zu erkennen. Die spezialisierten Muskelzellen im Schwanzbereich erzeugen aktiv ein elektrisches Feld, das wie ein Dipol zwischen Schwanz und Kopf geformt ist. Die Verzerrung dieses Dipolfeldes hängt von Umweltparametern ab, wie der Anwesenheit von Objekten mit unterschiedlichen Geometrien oder Materialeigenschaften. Die Verteilung der Elektrorezeptoren über die Haut der Fische ermöglicht es ihnen, Verzerrungen des Feldes wahrzunehmen, die durch Objekte verursacht werden. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für die Biologie von Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung innovativer Sensorsysteme, die in der Lage sind, Objekte kontaktlos zu erkennen und zu lokalisieren.

Die Methodik dieser Dissertation umfasst numerische Simulationen zur Untersuchung der Eigenschaften des elektrischen Dipolfeldes und der resultierenden Ensemble of Electrosensory Viewpoints (EEVs). Diese EEVs stellen eine skalare Felddarstellung des Einflusses eines Objekts auf das elektrische Feld dar, gemessen durch potenzielle Unterschiede zwischen zwei Elektroden für jede mögliche Objektposition. Die Dissertation analysiert, wie viele Rezeptoren erforderlich sind und welche Anordnung bevorzugt werden sollte, um die Positionen sphärischer Objekte in der Nähe des Sensorsystems eindeutig zu identifizieren. Ein einfaches biomimetisches System, das aus einem Emittierenden Dipol und einem orthogonal angeordneten Paar von Sensorelektroden besteht, wird verwendet. Diese Methodik ist entscheidend für die Entwicklung von Algorithmen zur Lokalisierung, die auf den EEVs basieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von EEVs als Hauptkomponenten in zwei Lokalisierungsalgorithmen vielversprechend ist. Um Punkte innerhalb des Suchraums zu finden, die Teil mehrerer Kontur-Ringe sind, müssen Schnittpunkte identifiziert werden. Numerische Ungenauigkeiten können dazu führen, dass Schnittpunkte zu Kontursegmenten degradiert werden, die sehr nahe beieinander liegen, aber sich nicht berühren. In solchen Fällen wird eine Nähe-Metrik verwendet, um solche Punkte zu identifizieren. Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung von Sensorsystemen, die auf den Prinzipien der biologischen Elektrorezeption basieren. Die praktische Anwendung dieser Technologien könnte in Bereichen wie der Robotik und der Umweltüberwachung liegen, wo kontaktlose Objekterkennung und Navigation entscheidend sind.

Zusammenfassend bietet die Dissertation Bioinspired Electroreceptor System wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Elektrorezeption bei Fischen und deren Anwendung in der Technologie. Die Erkenntnisse über die Funktionsweise von EEVs und deren Implementierung in Lokalisierungsalgorithmen eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung innovativer Sensoren. Diese Technologien könnten nicht nur die Grundlagenforschung vorantreiben, sondern auch praktische Anwendungen in der Industrie und im Umweltschutz finden. Die interdisziplinäre Herangehensweise, die Elektromagnetismus, Mathematik und Biologie kombiniert, zeigt das Potenzial für zukünftige Forschungen in diesem Bereich.