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Biologie und Technik: Kraft-Sensoren von Arthropoden

Biology and Engineering: Arthropod Force Detectors

Friedrich G. Barth (ORCID: )
  • Grant-DOI 10.55776/P16348
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.06.2003
  • Projektende 31.05.2007
  • Bewilligungssumme 387.166 €
  • Projekt-Website

Wissenschaftsdisziplinen

Biologie (50%); Informatik (25%); Maschinenbau (25%)

Keywords

    Sensory System, Finite Element Model, Force Measurement, Bionics, Spider Slit Sensilla, Micro Electro-Mechanical Sensor

Endbericht

Among the arthropods like insects and spiders one finds a staggering variety of exquisite micro-sensors. The present project is an initiative to bring together biologists and engineers in an effort to better understand a highly refined force and strain sensing system embedded in the cuticular exoskeleton of spiders and to model and indeed fabricate novel artificial force/strain sensors with medical and industrial applications based on biological principles. The specific force detectors addressed by the project are the spider slit sensilla. These form a system of about 3,500 tiny sensory holes (width ca. 1 m, length from 8 to 200 m) in the exoskeleton. The sensory neurons attached to them respond to minute strains down to a few e (ppm) which are set up in the exoskeleton surrounding the slits mainly by muscular activity, blood pressure, and substrate vibration. A particularly intriguing feature of the slit sensilla is that they form a diversity of arrays with up to 30 slits arranged roughly in parallel and referred to as the compound or Iyriform organs. Previous studies indicated a fascinating complexity here, both in regard to the mechanical properties of the stimulus transforming cuticular structures and the physiological properties of the nervous responses. The fresh approach making use of highly advanced computational modeling technologies now available will allow a new level of analysis and quantification. The project will focus on processes of stimulus transformation and on the sensor`s output signals (action potentials). lt promises new insights into the ,,tricks" hidden in the rnechanical design of the spider cuticular force sensors. We assume these ,,tricks" to be tailor-made to the specific measuring task of the various slits and slit arrays at the different locations of the exoskeleton and to correspond to properties such as absolute, directional, and differential sensitivity, frequency tuning and range fractionation. Thus the project will combine experimental research and computational modeling with sensory biology. The biologists will concentrate on the fine structural analysis of the sensor arrays and on the electrophysiological recording of the nervous responses (impulses) of the sensory cells to biologically relevant stimuli. The engineers engaged in the project are specialists in numerical methods and will apply Finite Element methods and fracture mechanics to simulate the complex deformation behavior of single slits and in particular of slit arrays. Likewise experts in micro-technology will work on the design of a novel biology-inspired technical force sensor and develop ways of its fabrication. Given the refinement of biological sensors and considering the increasing importance microand nanosensors have gained for industrial and medical applications in recent years the flow of knowledge and ideas from biology to engineering is as obvious a source of innovation as is the engineering approach for biology.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Wien - 25%
  • Universität Wien - 25%
  • Technische Universität Wien - 25%
  • Technische Universität Wien - 25%
Internationale Projektbeteiligte
  • Harald Steffes, Technische Universität Berlin - Deutschland
  • Masanori Ando, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology - Japan
  • Takashi Komeda, Shibaura Institute of Technology - Japan
  • Yuriy I. Nyashin, Perm State Technical University - Russland
  • Joseph A.C. Humphrey, University of Virginia - Vereinigte Staaten von Amerika

Research Output

  • 390 Zitationen
  • 8 Publikationen
Publikationen
  • 2011
    Titel Force transformation in spider strain sensors: white light interferometry
    DOI 10.1098/rsif.2011.0565
    Typ Journal Article
    Autor Schaber C
    Journal Journal of The Royal Society Interface
    Seiten 1254-1264
    Link Publikation
  • 2007
    Titel Viscoelastic nanoscale properties of cuticle contribute to the high-pass properties of spider vibration receptor (Cupiennius salei Keys)
    DOI 10.1098/rsif.2007.1000
    Typ Journal Article
    Autor Mcconney M
    Journal Journal of The Royal Society Interface
    Seiten 1135-1143
    Link Publikation
  • 2006
    Titel Intracellular recording from a spider vibration receptor
    DOI 10.1007/s00359-005-0092-3
    Typ Journal Article
    Autor Gingl E
    Journal Journal of Comparative Physiology A
    Seiten 551-558
  • 2006
    Titel Finite element modeling of arachnid slit sensilla—I. The mechanical significance of different slit arrays
    DOI 10.1007/s00359-006-0201-y
    Typ Journal Article
    Autor Hößl B
    Journal Journal of Comparative Physiology A
    Seiten 445-459
  • 2005
    Titel Studying the deformation of arachnid slit sensilla by a fracture mechanical approach
    DOI 10.1016/j.jbiomech.2005.05.031
    Typ Journal Article
    Autor Hößl B
    Journal Journal of Biomechanics
    Seiten 1761-1768
  • 2009
    Titel In search of differences between the two types of sensory cells innervating spider slit sensilla (Cupiennius salei Keys.)
    DOI 10.1007/s00359-009-0477-9
    Typ Journal Article
    Autor Molina J
    Journal Journal of Comparative Physiology A
    Seiten 1031
  • 2004
    Titel Spider mechanoreceptors
    DOI 10.1016/j.conb.2004.07.005
    Typ Journal Article
    Autor Barth F
    Journal Current Opinion in Neurobiology
    Seiten 415-422
  • 2009
    Titel Finite element modeling of arachnid slit sensilla: II. Actual lyriform organs and the face deformations of the individual slits
    DOI 10.1007/s00359-009-0467-y
    Typ Journal Article
    Autor Hößl B
    Journal Journal of Comparative Physiology A
    Seiten 881-894

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