Távolság mérésének biomimetikája

Az előadások a következő témára: "Távolság mérésének biomimetikája"— Előadás másolata:

1 Távolság mérésének biomimetikája

2 Fejlett látóprotézisek három fő csoportja
Szenzoros helyettesítés: ultrahang vagy kamera segítségével történik a környezet feltérképezése, az ebből adódó eredményeket átkonvertálják hangra vagy tapintható kijelzőre (ultrahang: távolságmérés, akadály detektálása) Retina erősítése: a retina funkcióit érzékelőkkel pótolják, melyek elektromos jelekkel stimulálják a retinát. Ezek a jelek konvertálódnak idegi impulzusokká és a látóidegen keresztül eljutnak az agyba Digitális kamera képe alapján közvetlenül az agyat stimulálják (behatolnak a látóidegbe vagy elektródákat helyeznek a látókéregre) Szenzoros helyettesítéses műszerek évek óta léteznek a piacon, ez az egyetlen típus, amely hordozható és megfizethető. CCD detektorok és a CMOS áramkörök elősegítették a kameraalapú rendszerek elterjedését. Hogyan mérnek távolságot az állatok????

3 Delfin https://www.youtube.com/watch?v=w149ZdF5HjI Minster:
Ha nincs ötleted fordulj a delfinhez Nachtigall: Ha jó bionikus akarsz lenni, tarts otthon egy delfint

4 Delfin A delfin a fogascetek közé tartozó egyes vízi emlősállatok összefoglaló neve. Összesen 50 fajuk hét családot alkot: tengerekben élő delfinek: delfinfélék, narválfélék disznódelfin-félék édesvízi folyami delfinek: négy delfincsalád tartozik. NEM delfin: nagy ámbráscet, törpeámbráscet-félék és csőröscetfélék.

5 Delfinek Delfinfélék: Kardszárnyú delfinek Gömbölyűfejű delfinek
Közönséges delfinek Simahátú delfinek Púpos delfinek Hosszúcsőrű delfinek Palackorrú delfinek Fekete-fehér delfinek Rövidcsőrű delfinek

6 Ultrahangos lokátor A delfinek másodpercenként akár 800 irányított hangot is kibocsátanak a fejük elülső részén található képződményen keresztül. A hang frekvenciája az ultrahang-tartományba (256kHz) esik. A hangsugár az adott objektumról visszaverődik, amit egy, az alsó állkapocsi csontban lévő üregben fognak fel. Ennek a csontnak az alsó része továbbítja a jelzést a közép-, majd a belső fülhöz, ahonnan az agy hallóközpontjába jut az ingerület, és vizuális jelekké fordítódik. Így az állat a vízben lévő objektum távolságát, méretét és alakját meghatározza, sőt ezen felül a sebességét és irányát is megállapítja. Ez nemcsak a tájékozódását segíti elő, hanem ennek alkalmazásával vadászik is. Hangok (váltakozó frekvencia Alacsony (füttyök): 4-20kHz (folyamatos tájékozódás) Hz Változó (hápogás): beszélgetés Magas (csattanás): kHz (felderítés: ,5 10-3s hosszú) Hz

7 Ultrahangos lokátor 3 pár légzsák Önálló izomzat
Orrjáratból, majd egyik zsákból a másikba préseli (ekkor a finom rezgés), ismét orrjárat Önálló működés: különböző rezgésszámú hangok egyszerre

8 Ultrahangos lokátor Homlokán bocsátja ki (zsírpárna akusztikai lencse Függőleges eltérítés: hangképzés helyét változtatja Zsírpárna alakja: kúposság

9 Frekvencia változtatás
Hangkibocsátás sűrűsége Felderítés területének szűkítése (magasabb hangfrekvencia és zsírpárna alakváltozása

10 Cél megkeresése Fej mozgatása – sugárkúp vízszintes mozgatása

11 Visszaverődő hangok Fülek: Térbeli visszaverődés
Szem alatt (nincs fülkagyló) Dobhártya, középfül alakja, belső fül (levegő rezeg) Vastag hallóideg (5 mm) Térbeli visszaverődés Két fül Közép és belső fül elválasztva Csontvázat és úzsóhólyagot „lát”

12 Mimetika Orvosi ultrahang a belső szervek feltérképezésére
Tengerfenék feltérképezése Víz alatti lokátorok (tengeralattjárók, víz alatti torpedók irányítása) Hajók irányítása

13 Egyéb Delfinek „beszélgetnek” Bastián kísérlete

14 Denevérek

15 Denevér A denevérek (Chiroptera) az emlősök osztályának egyik rendje. 19 család és mintegy 928 ma élő faj tartozik a rendbe. Az emlősállatok egyedüli csoportja, amely aktív repülésre képes.

16 Denevér csoportjai Nagy denevérek Kis denevérek Simaorrú Patkós orrú

17 Denevér anatómiája Mellső végtagjaikon a másodiktól kezdve valamennyi ujjuk erősen meghosszabbodott. Közöttük, valamint a törzs oldala között egy vékony bőrredő – a „vitorla” – feszül, amely a hátsó lábra és a farokra is kiterjed. Mivel bőrszárnyuk nem ereszti át a levegőt, röptük különbözik a madarakétól. Az emlősök között egyedül állnak abban, hogy térdüket nemcsak befelé, hanem kifelé is képesek mozgatni, ami szükséges a leszálláshoz és a fejjel lefelé függéshez. Ebből következően lábujjaik sem előre-, hanem hátra néznek.

18 Griffin és Galambos Róbert
Látásuk gyenge, ultrahangok segítségével tájékozódnak oly módon, hogy az általuk kibocsátott ultrahang az eléjük kerülő tárgyakról, rovarokról visszaverődik, és ezt érzékelik. Az ultrahang frekvenciája fajonként különböző, 35 – 105 kHz közé esik. A közönséges denevér a száján át, a patkósorrú denevérek a hártyás orrukon bocsátják ki az ultrahangot.

19 Használt frekvenciák (Novick)
Patkósorrú denevérek Állandó rezgés szám (CF denevér) Frekvencia kHz (de csak egyet) Alaphang + 1 oktávval fentebb felharmónikus (kétszeres rezgésszám) (egyszerre!!! – hegedű) Hossza 0,05 mp

20 Használt frekvenciák Simaorrú deneverék
Változó rezgésszám 120 kHz kezdi és folyamatosan megy 60 kHz (frekvencia modulált hangok) (a-ról egy oktávval lejjebb lévő a hangra megy) Hossza: 0,005-0,007 mp Több fajta van Amerikai kis barna denevér 90-45kHz Általános kHz vagy kHz

21 Miért ultrahang-tartomány?
Elektromágneses lokátor (repülőtéri radarok) Emberi fül számára hallható hangok (hajó kürt, ködkürt) Ultrahang: Kevesen használják (nem keveredik) Kisebb „parabolatányér” kell a fogadásra (rövid hullámhossz-magas rezgésszám) Kis hullámhossz – kisebb tárgyakat is visszaver (állat nagysága!!)

22 Ultrahang – kis távolság mérése
Kiáltás hossza a távolságtól függ, mikor hallja visszaérkező hangját

23 Ultrahang keltése Piezoelektromos kristály váltakozó árammal?? NEM
Tüdőből kiáramló levegő síppal, rezgő levegőhossza finoman változtatható (Galton síp – egyre beljebb csavarja, egyre magasabb) Záróizommal megállítja a levegőt, hirtelen kibocsátja (hang impulzus) általában 5-10/percenként, majd 200/perc

24 Hol bocsátja ki a levegőt?
Patkós orrú (CF): orrukon át kiáltanak Egyetlen hang, dúdolás Hosszabban szól Simaorrúak (FM) Változó hang-lefelé Szájukon át (nyitott száj) Nagyon erős hang

25 Miért hangos? Hogyan hallják meg?
Gömbszerű terjedés Minél hangosabb, annál nagyobb a terület (6-7m) Hosszabb kibocsátott jel (patkós orrú –CF) Gyorsabb repülés Kisebb hangerő (suttogás), kisebb terület Rövidebb kibocsátott jel (simaorrú CF) Több tárgyat figyelnek

26 Szakaszok Keresés Üldözés Támadás Kutatási terület nagysága
Távolság beállítása (kibocsátás és visszhang „összecsengése”) Üldözés Sűrűbb jelek Támadás

27 Kibocsátás - hallás Dobhártya+3 csontocska+belső fül
Csontrezgések kizárása Gélszerű anyag (nem hallja saját hangját) Saját hangját nem hallja (izmokkal rögzíti a 3 csontocskát) Átfedő hangok (szonátor) Különbséget hallja: mélyülés távolodás, emelkedés közeledés

28 Térhallás (képhallás)
Mozgatható fülek Két fül (különböző távolság) Irányérzékenység (2x jobb az embernél) Sugárkúp szöge Hosszú fülű denevérek 90° Patkós orrú denevérek 20° Változtatják (szűkítik)

29 Pár további érdekesség
Vízfelszín pásztázása (halászó denevérek) Víz-levegő találkozás Téremlékezet Barlangok (hangzavar) Megtanulja a környezetét és utána repül és utána vadászik Rovarok lokátorai Észlelik a kibocsátott jeleket (nagy távolságból) Ellenjelek (medvelepke), elnyelik

30 Mimetika - lokátorok Forgatható parabola antennák
Elektromágneses (nagy távolságok)

31 Egyéb Autó tolató radarok: Ultrahang-alapú
Emberek esetén kisebb távolság!!

32 Zebris ultrahang-alapú mozgásvizsgáló
egyedi, ultrahangot kibocsátó aktív adók egyedi, aktív (ultrahang-jelet kibocsátó) adók három fogadó érzékelőt (vevőt) tartalmazó mérőfej központi egység mérőfej három, ultrahang jelet fogadó érzékelővel (vevővel)

33 Mérés elve Mérőfej látja az adókat;
Az adó és a mérőfej egy érzékelője (vevő) közötti távolság a mért terjedési időből és az ultrahang sebességéből számolható; Mindhárom távolság hasonlóan számítható; A távolságokból (Di) és az mérőfej érzékelőinek térbeli koordinátáiból (xi,yi,zi) az adók (xa,ya,za) térbeli koordinátái háromszögelés módszerével számolhatóak. x1,y1,z1 x2,y2,z2 z y x D1 D2 D3 xa,ya,za x3,y3,z3

34 Mérés elve – tetszőleges pont
Mozgás során az alappont-hármasok mindenkori térbeli koordinátáiból és a vizsgálandó anatómiai pontok a lokális koordináta-rendszerben megadott helyvektoraiból a vizsgálandó anatómiai pontok térbeli koordinátái számíthatók. A fent leírt módszerrel tetszőleges számú anatómiai pont térbeli koordinátája határozható meg [Kocsis]. xa,2,ya,2,za,2 xa,1,ya,1,za,1 ro xa,3,ya,3,za,3 xo , yo, zo