Technical non-visual characterization of substrate contact following the biological paragon of carpal vibrissae

• Applicants: Privatdozentin Dr. Manuela Schmidt; Professor Dr. Hartmut Witte; Professor Dr.-Ing. Klaus Zimmermann
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics ; Applied Mechanics, Statics and Dynamics ; Systematics and Morphology (Zoology)
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 234705334

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Projekt „Technische, nicht-visuelle Charakterisierung von Substratkontakten nach dem biologischen Vorbild carpaler Vibrissen“ wurde durch einen integrativen Ansatz von Lebens- und Ingenieurwissenschaftlern der bionische Transfer von einem biologischen Tastsystem zu einem technischen Sensorprinzip bearbeitet. Die theoretischen Arbeiten im Förderzeitraum lieferten Erkenntnismodelle zur Funktionsweise carpaler Vibrissen, die nunmehr einer technischen Umsetzung zugänglich gemacht wurden. Erste prototypische Lösungen unter Einsatz von Ferrofluiden bzw. Ferroelastomeren als auch klassischen Elementen der Konstruktionstechnik wurden realisiert. Von biologischer Seite aus wurde die Betrachtung vom Einpunktsensor auf einen Mehrpunktsensor ausgedehnt und hierfür am Beispiel der Ratte Erkenntnisse gewonnen über den räumlichen Aufbau des Sensors und seine Funktionsweise bei der Fortbewegung auf verschiedenen Substraten (flach, rund + schmal, diskontinuierlich). Für die geometrische als auch mechanische Untersuchung von Tasthaaren konnte der Stand der Wissenschaft und Technik durch die Verfeinerung bestehender oder Entwicklung neuer methodischer Ansätze erweitert werden. Durch den Vergleich von carpalen und mystacialen Tasthaaren konnten neue Erkenntnisse zu derartigen Sinnessystemen gewonnen werden. Die systematische Auseinandersetzung und Aufarbeitung des komplexen, interdisziplinären Forschungsbereiches bietet die Chance für einen leichteren und gezielteren Austausch zwischen unterschiedlichen Wissenschaftsgebieten. Auf die im Rahmen der Projektforschungen entwickelten mathematisch-mechanischen Modelle verweisen mittlerweile andere Autoren.

Publications

• Modeling the behavior of hair follicle receptors as technical sensors using adaptive control, 10th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO 2013), Reykjavík (Island), Juli 2013, pp. 336- 345, SciTePress (Best-Paper-Award)
  Behn, C.
  
• Characterizing the substrate contact of carpal vibrissae of rats during locomotion. Duff, A. et al. (eds.): Living Machines 2014, LNAI 8608, Springer Int. Publ. Switzerland 2014, pp. 399-401
  Helbig, Thomas; Voges, Danja; Niederschuh, Sandra; Schmidt, Manuela & Witte, Hartmut
  
• Object contour reconstruction using bioinspired sensors, Proceedings of the 11th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO 2014), pages 459-467, ISBN: 978-989-758-039-0
  Will, C.; Steigenberger, J.; Behn, C.
  
• (2015): A biologically based neural system coordinates the joints and legs of a tetrapod. Bioinspiration and Biomimetics 10, 055004
  Hunt, Alexander; Schmidt, Manuela; Fischer, Martin & Quinn, Roger
  
• The role of vibrissal sensing in forelimb position control during travelling locomotion in the rat (Rattus norvegicus, Rodentia). Zoology, Volume 118 (2015), 51-62
  Niederschuh, Sandra J.; Witte, Hartmut & Schmidt, Manuela
  
• Analysis of the vibrissa parametric resonance causing a signal amplification during whisking behaviour. Journal of Bionic Engineering 13, 2016, pp. 312-323
  Volkova, Tatiana; Zeidis, Igor; Witte, Hartmut; Schmidt, Manuela & Zimmermann, Klaus
  
• A biologically inspired sensor mechanism for amplification of tactile signals based on parametric resonance. Mechanisms and Machine Science, Volume 45, 2017, pp. 27-38, ISBN: 978-3-319-45386
  Volkova, T.; Zeidis, I.; Zimmermann, K.
  
• A ferrofluid based artificial tactile sensor with magnetic field control. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 431, 2017, pp. 277-280
  Volkova, T.I.; Böhm, V.; Naletova, V.A.; Kaufhold, T.; Becker, F.; Zeidis, I. & Zimmermann, K.
  
• Kinematic response in limb and body posture to sensory feedback from carpal sinus hairs in the rat (Rattus norvegicus). Zoology, Volume 121 (2017), 18-34
  Niederschuh, Sandra J.; Helbig, Thomas; Zimmermann, Klaus; Witte, Hartmut & Schmidt, Manuela
  
• Object contour scanning using elastically supported technical vibrissae. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik (ZAMM), 2017
  Will, Christoph; Behn, Carsten & Steigenberger, Joachim
  
• Towards the development of tactile sensors for determination of static friction coefficient to surfaces. Mechanisms and Machine Science, Volume 45, 2017, pp. 39-48, ISBN: 978-3-319-45386-6
  Scharff, M.; Darnieder, M.; Steigenberger J.; Behn, C.