Instrumentierung von biomimetischen Belastungssensoren in laufenden Robotern

• Antragstellerin: Dr. Gesa Dinges
• Fachliche Zuordnung: Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500615768

Fortbewegung ist eine entscheidende Komponente für das Überleben von Tieren, diese muss anpassungsfähig sein, um dauerhaft erfolgreich zu sein. Für laufende Insekten ist diese Anpassungsfähigkeit notwendig, um Kontext-abhängig auf komplexe und sich verändernde Terrains zu reagieren. Die sechs Insektenbeine werden durch lokale und intersegmentale Netzwerke koordiniert und kontrolliert, die jede einzelne Gliedmaße und jedes Gelenk steuern, und diese modulare Struktur verschafft dem System die notwendige Flexibilität. Netzwerke zur Fortbewegungskontrolle bestehen aus mustergenerierenden Interneuronen, Motoneuronen, Muskeln und Sinnesorganen. Sinnesorgane überwachen den motorischen Ausgang und ihre rückgekoppelten Signale modifizieren oder verstärken dynamisch andere Netzwerkkomponenten.Campaniforme Sensillen (CS) sind Sinnesorgane die hochdynamische Spannkräfte, die sich in der Kutikula ausbreiten, kodieren. Unterschiedliche Kräfte treten bei verschiedenen Verhaltensweisen auf. Zuletzt untersuchte ich mit Hilfe der Elektronenmikroskopie die äußere Morphologie der CS auf den Beinen von D.melanogaster. Diese Experimente zeigten, dass die Anzahl und Position der CS zwischen Individuen und Beinen variiert. Anschließend setzte ich die Nanocomputertomographie ein, um die morphologischen Daten mit Modellierung zu verbinden, wodurch die Rolle der detaillierten Strukturen der CS bei der Verteilung der Kräfte über die Kutikula unterstrichen wurde. In einer parallelen Reihe von Experimenten konzentrierte ich mich auf die neuronale Komponente der CS und untersuchte mit Hilfe optogenetischer Manipulationen, wie CS Beinbewegungen und -koordination beeinflussen. Dabei konnte ich nachweisen, dass kleine Untergruppen von CS für diese Verhaltensweisen hinreichend und notwendig sind. Diese Erkenntnisse bilden die biologischen Grundlage für ein umfassendes Verständnis der Funktion propziozeptiver Information in the motorischen Netzwerken von D. melanogaster. Ziel dieses Antrags ist es, die mechanischen Prinzipien der Dehnungsmessung und das Zusammenspiel zwischen Biomechanik und Nervensystemen aufzudecken. Mein Ansatz integriert biologische Erkenntnisse mit robotischen Instrumenten, um Beziehungen zwischen der Struktur, dem Ort und der Ausrichtung von Sensoren im Kontext des Bewegungsverhaltens zu identifizieren. Durch die Aufdeckung des Zusammenspiels zwischen Morphologie und Dehnungssensorik wird dieses Projekt zeigen, wie die sensorischen Strukturen und neuronalen Schaltkreise von Insekten die dynamischen Kräfte verarbeiten, die bei der Fortbewegung auftreten. Darüber hinaus werden diese Experimente unser Verständnis der propriozeptiven Dehnungssensorik grundlegend verändern, indem sie zeigen, wie die Kutikularstrukturen die mechanosensorischen Signale filtern.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Nicholas Szczecinski, Ph.D.