|
| |
 |
|
 |
|
|
DFG - SPP 1207, Teilprojekt 11: Mechanismus der passiven Strömungsbeeinflussung durch Vibrissen mariner Säugetiere
|
|
|
|
|
|
PROJEKT: Verschiedene Untersuchungen demonstrieren die hohe Leistungsfähigkeit des Vibrissensystems von Meeressäugern. Neben histologischen Analysen an Vibrissen-Follikeln, die eine sehr hohe Innervierung beschreiben, zeigen thermographische Aufnahmen eine selektive Durchblutung der Follikel, um die Funktionalität auch in kalter Umgebung aufrecht zu erhalten.
|
|
Psychophysikalische Experimente belegten die Fähigkeit von Seelöwen und Seehunden zur taktilen Diskrimination von Größe, Form und Oberfläche eines mit den Vibrissen aktiv betasteten Objektes. Seehunde zeigen darüber hinaus erstaunliche Leistungen unter Wasser beim Aufspüren und Verfolgen hydrody-namischer Spuren, wie sie hinter sich im Fluid bewegenden Objekten auftreten. Seehunde sind somit in der Lage, aus einer schnellen Eigenbewegung heraus hydrodynamische Störungen zu detektieren. Dies ist insbesondere mit einem Reizaufnehmer möglich, der nicht selbst durch den von der Bewegung durch das Medium verursachten Strömungsabriss mechanisch gestört wird. In dem beantragten Projekt soll deshalb der Mechanismus der passiven Strömungsbeeinflussung durch die spezielle Oberflächenstrukturierung von Seehundvibrissen untersucht werden. Durch den Vergleich von Vibrissen verschiedener Robbenarten und Haartypen, sollen neben dem ingenieurwissen-schaftlichen Erkenntnisgewinn auch neue Hinweise auf die ökologische Anpassung und evolutionäre Spezialisierungen einzelner Vertreter dieser Tiergruppe gewonnen werden.
Fragestellung
Robben sind geschickte Jäger verschiedenster Beutefische. Doch welche Sinnesleistungen ermöglichen es diesem Meeressäuger, die durchaus nicht langsamen Fische wahrzunehmen, über etliche Meter zu verfolgen und dann zielsicher zu fangen? Mit dieser Fragestellung beschäftigt sich das Verbundprojekt 11 des Schwerpunktprogramms 1207 der DFG mit dem Titel „Mechanismus der passiven Strömungsbeeinflussung durch Vibrissen mariner Säugetiere“, das in der Arbeitsgruppe für Sensorische und Kognitive Ökologie (G. Dehnhardt) und am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (A. Leder) an der Universität Rostock durchgeführt wird.
Bei der Jagd der speziell trainierten Tiere auf ein ferngesteuertes Fischmodell stellte sich bald heraus, dass die Robben selbst unter Ausschluss ihres Hör-, Seh- und Riechvermögens problemlos die Beute wahrnehmen und verfolgen können. Erst bei einem erzwungenen Anlegen der Barthaare (Vibrissen, siehe Abbildung 1 (Titelbild)) bleibt die Jagd erfolglos. Die nachfolgenden Versuche zeigten dann eindeutig: Es ist die auf die Barthaare auftreffende Wirbelspur eines Beutefisches im Wasser, die es der Robbe ermöglicht, eine Verfolgung aufzunehmen (Abbildung 2). Nun sind die Barthaare der untersuchten Robbenart eine Besonderheit unter den Vibrissen. Nicht nur ist ihr Querschnitt oval wie etwa auch noch bei einem Seelöwenbarthaar, sondern es zeigt sich auch eine Welligkeit in Längsrichtung, die dem Barthaar eine einmalige, ausgeprägt dreidimensionale Form gibt (Abbildung 3).
Die Barthaare als Messsystem
Doch wie gelingt es einer Robbe, die vergleichsweise schwache Wirbelstruktur trotz unzähliger Störungen zu erkennen? Die Eigenbewegung der Robbe führt z.B. bei der Umströmung von zylindrischen Strukturen wie denen eines Barthaares selbst fortlaufend zur Generierung von Wirbeln. Die Antwort auf diese Frage liegt in der welligen Struktur der Haare begründet. Bedingt durch die dreidimensionale Form der Haare kommt es zu einer Unterdrückung der selbsterzeugten Wirbelstraße am Barthaar. Das Barthaar wird deshalb nur noch von den externen Wirbeln, beispielsweise denen aus dem Nachlauf des Beutefischs, angeregt und ist so als Messsystem für externe Wirbel optimal ausgelegt.
Die experimentellen und numerischen Strömungsanalysen an den Barthaaren erfolgen im Strömungsmechaniklabor der Universität Rostock. Hier steht mit der speziell konzipierten Stereo-µPIV (particle image velocimetry) Anlage eine berührungsfreie optische Messtechnik zur Ermittelung mikroskopischer Geschwindigkeitsfelder zur Verfügung (Abbildung 4). Ein Alleinstellungsmerkmal dieses Aufbaus ist die Möglichkeit, alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors als Vektorfeld mit mehr als 1000 Messpunkten auf einer Fläche bis hinunter zu 1mm² präzise zu messen.
Ziel ist es dabei nicht nur die Strömungsvorgänge an einer Robbenvibrisse zu analysieren, sondern auch, den Wirkungsmechanismus der Wirbelunterdrückung auf strömungsmechanische Anwendungen zu Übertragen. Immerhin gelingt es der Robbenvibrisse nach langem evolutionärem Optimierungsprozess, die störenden dynamischen Kräfte einer selbsterzeugten Wirbelstraße wirkungsvoll zu eliminieren. Damit wird die dreidimensionale Vibrissenstruktur hochinteressant für maritime Anwendungen, bei denen dynamische Lasten aus der Umströmung ein entscheidender Konstruktionsparameter sind.
Erste Ergebnisse aus einer Kraftmessung an einer umströmten Robbenvibrisse, die am Marine-Science-Center durchgeführt wurden, zeigen grundsätzlich die Wirksamkeit der dreidimensionalen Struktur der Vibrisse. Im Vergleich mit unstrukturierten Barthaaren von Seelöwen oder Landsäugetieren sind die dynamischen Kräfte aus der selbsterzeugten Wirbelstraße an der Vibrisse im Schleppversuch erheblich reduziert. Mit Hilfe der Stereo-µPIV Messung im Strömungsmechaniklabor können nun das Geschwindigkeitsfeld und die Turbulenzeigenschaften des Nachlaufgebiets hinter einer Robbenvibrisse experimentell bestimmt werden. Da mit dem PIV-System eine große Zahl momentaner Geschwindigkeitsfelder ermittelt wird, ist es möglich, auch Aussagen über die turbulenten Schwankungsgrößen abzuleiten.
So ist beispielsweise die in Abbildung 5 gezeigte Verteilung von Reynoldsspannungen im Nachlauf, die im Vergleich zu den unstrukturierten Zylindern ein deutliches Muster ergibt, ein erster Nachweis einer dreidimensionalen Strukturierung des instationären Wirbelfeldes. Aus dem Zeitmittel der einzelnen PIV-Messfelder und der Messung über ein Ensemble aus verschiedenen Messebenen kann ein räumliches, quasistationäres Geschwindigkeitsfeld bestimmt werden, das einen Einblick in den Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Querströmungskomponenten und der dreidimensionalen Konturierung der Vibrissenoberfläche erlaubt.
In den kommenden Messungen werden die Auswirkungen der Konturierung der Vibrissen ebenso untersucht wie die Einflüsse der Anordnung der Vibrissen als Sensorensemble. Dazu ist nicht nur die Konstruktion eines vollständigen Robbenkopfmodells geplant, sondern es werden auch eine Reihe Messungen mit den seit Mai in Hohe Düne lebenden Robben durchgeführt, die inzwischen in der Lage sind, den Beutefang auch unter Mitführung von Videomesstechnik durchzuführen. Auf diese Weise können die Bewegungen der Vibrissen während der Spurverfolgung „live“ beobachtet werden.
Projektdetails
Projektleiter: G. Dehnhardt (Uni Rostock), A. Leder (Uni Rostock)
Laufzeit: 06/2006 – 05/2012
Kontakt
Dr. rer. nat. Martin Brede,
geb. 1966 in Münster. Physikstudium an der Universität Göttingen, Promotion am Max-Planck Institut für Strömungsforschung in Göttingen. Seit 1999 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Strömungsmechanik an der Universität Rostock.
E-Mail: martin.brede [at] uni-rostock.de
Prof. Dr. rer. nat. Guido Dehnhardt,
geb. 1960 in Rheine. Studium der Biologie in Münster und Hawaii, Promotion an der Universität Münster, Habilitation an der Universität Bonn, Seit 2007 Professor am Institut für Biowissenschaften der Universität Rostock. Leiter der Arbeitsgruppe „Sensorische und kognitive Ökologie“.
E-Mail: dehnhardt [at] marine-science-center.de
Dipl. Phys. Lars Miersch
geb. 1972 in Berlin. 1999 Diplom in Physik an der FU Berlin, Doktorand in der Arbeitsgruppe „Sensorische und kognitive Ökologie“ an der Universität Rostock im DFG-SPP 1207.
E-Mail: miersch [at] marine-science-center.de
Dipl.-Ing. Matthias Witte,
geb. 1980 in Greifswald. Ingenieurstudium an der Universität Rostock. Seit 2007 Doktorand am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Rostock im DFG-SPP 1207.
E-Mail: matthias.witte2 [at] uni-rostock.de
|
|
Abb. 2: Die Strömung hinter einem vorbeischwimmenden Fisch zeigt eine komplizierte Wirbelstruktur (blau), die mehrere Minuten bestehen bleibt.
Abb. 3: Das Barthaar des Seehundes aus der Familie der Hundsrobben hat eine wellige Längsstruktur (A) und einen ovalen Querschnitt im Gegensatz zum Barthaar von Landsäugern oder Seelöwen (B).
Abb. 4: Das Stereo-µPIV System des Lehrstuhls Strömungsmechanik zur Untersuchung dreidimensionaler Mikroströmungen.
Abb. 5: Reynoldsspannung im Nachlauf einer Robbenvibrisse (D = 0,75 mm) als Maß für die Erzeugung dreidimensionaler turbulenter Strömung.
Abb. 6: Mit dem Stereo-µPIV-System experimentell ermittelte, dreidimensionale Wirbelstrukturen im Nachlauf der Robbenvibrisse, hier dargestellt als Stromlinien.
|
|
|
|
|
|
|
|
Öffentlich finanzierte Forschungsprojekte 
für Projekte
mbst.uni-rostock.de
