Entwicklung und anwendung eines verfahrens zur bestimmung des dynamischen verhaltens carpaler vibrissen von Ratten (Rattus norvegicus)

Abstract

Viele S augetiere nutzen Vibrissen als taktile Sinnesorgane, um sich in ihrer Umwelt zurechtzu nden. Besonders Nagetiere, die ihre Vordergliedma en neben dem Laufen auch zum Greifen nutzen, weisen h au g nahe des Handgelenks carpale Vibrissen auf. Uber diese ist bisher wenig bekannt. Damit technische Systeme mit taktilen Sensoren nach dem Vorbild carpaler Vibrissen ausgestattet werden k onnen, m ussen die Eigenschaften letzterer bekannt sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Beitrag zur dynamischen Charakterisierung der Vibrissen geleistet. Es werden zun achst ein analytisches Modell und ein Finite-Elemente-Modell zur Beschreibung der Vibrissenschwingung entwickelt. Sie dienen der Uberpr ufung der Messwerte und der Parameteridenti kation. Eine Modalanalyse konnte erfolgreich durchgef uhrt und die Ergebnisse mit den Messdaten verglichen werden. Anschlie end werden verschiedene Verfahren getestet und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet, die dynamischen Eigenschaften carpaler und mystacialer Vibrissen zu bestimmen. Die Vibrissenauslenkung wird optisch mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bzw. mittels Makrofotogra e dokumentiert. Die Auswertung der Daten erfolgt in Matlab. Ergebnisse lassen sich zum einen mittels einer einmaligen Auslenkung der Vibrisse mit einem Festk orper erzielen: Aus der freien, ged ampften Schwingung des Haars werden die Eigenfrequenz und der D ampfungsgrad ermittelt. Zum anderen kann mit der Anregung durch einen Schwingerreger der Amplitudengang bestimmt werden.

Many mammals use whiskers to acquire information about their environment. Especially those rodents that use their forelimps not only for walking but also for climbing and handling food possess tactile hair near their wrists. Little is knwon about these so-called carpal vibrissae. In order to successfully implement vibrissa-like sensors in engineering applications, it is necessary to characterize the biological model. Within this thesis, an analytical and a nite element model are being developed in order to describe the oscillation of the vibrissa. Furtheron, they are to be used as reference for experimental data. A modal analysis is successfully implemented and the results were then compared to experimental data. In order to derive the ideal experimental setup for the characterization of carpal vibrissae, several approaches to the excitation of a single vibrissa are tested and evaluated. All experiments are documented optically, using either a high-speed camera or macro photography. Analysis of the data is conducted in Matlab. Two setups show promising performance: A one-time de ection of the vibrissa resulting in a free damped oscillation yields good results for both eigenfrequency and damping ratio while an excitation of the vibrissa via a vibration system leads to the amplitude response of the hair.