Strömungsbeeinflussung beim Seepferdchen: evolutiv optimierte Lokomotionsregelung und akustische Emission bei kleinflächigen Antriebssystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Antonio Delgado; Professor Dr. Stefan Schuster
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 37822969

Seepferdchen, wie das hier untersuchte langschnäuzige Seepferdchen Hippocampus reidi, haben eine unter Fischen einzigartige, evolutiv optimierte Morphologie ausgebildet, welche mit kleinflächigen Lokomotionsorganen eine überaus hohe Manövrierfähigkeit ermöglicht. Die Lokomotion erfolgt unter Nutzung wellenförmiger Flossenbewegungen, wobei sich je nach Bewegungsmodus völlig unterschiedliche Muster der Flossenaktivierung beobachten lassen. Demgegenüber bleibt der Korpus mit Ausnahme des zum Greiforgan umgebildeten Schwanzes und des Kopfes weitgehend starr. Die bisher geförderte, zweijährige Phase dieses Forschungsprojektes hat neue Erkenntnisse geliefert zu (i) der Strömungsbeeinflussung bei den verschiedenen Flossenaktivierungsmustern, (ii) der Flossenkinematik, (iii) der biomechanischen Stabilisierung des Seepferdchens im stationären Zustand sowie bei verschiedenen Lokomotionsmodi, (iv) dem zugehörigen Impulsaustausch bzw. den daraus resultierenden Kräften sowie (vi) der charakteristischen Größenordnung und Skalen von Emissionen. Dies hat es ermöglicht, nicht nur wesentliche Arbeitshypothesen zu validieren, sondern auch neue aufzustellen. So haben die Untersuchungen zu der neuartigen Erkenntnis geführt, dass das Seepferdchen mit einem Lokomotionsgeschwindigkeitsverhältnis von J ≈ 0.3 Werte erreicht, wie es ansonsten nur schnell fliegende Insekten erreichen. Dies führt zu der weiteren Arbeitshypothese, dass Seepferdchen bei der Navigation - in Analogie zu den Insekten – zur Lokomotion zumindest ganz überwiegend dem sie umgebenden Fluid instationäre Effekte aufprägen.Der nun beantragte zweijährige Förderabschnitt zielt darauf ab, diese Erkenntnisse zu verdichten und zu erweitern sowie neue Hypothesen und Fragestellungen zu behandeln. Hierzu gehört in erster Linie die Frage nach spatiotemporalen fluidmechanischen Effekten unter besonderer Berücksichtigung der Dreidimensionalität. Dabei stehen Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu den spatiotemporalen Effekten beim Insektenflug, aber auch die Frage, ob, wie und warum sich die dreidimensionale Struktur in verschiedenen Verhaltenskontexten ändert im Vordergrund. Die Flossenaktivierungsmuster dienen mehreren verschiedenen ökologischen Zwecken. Deren Aufschlüsselung gibt eine Antwort auf die Frage, mit welchem Ziel und bis zu welchem Grad die Evolution die Flossen und ihre motorische Kontrolle optimiert hat. Dies liefert zugleich Anregungen für eine technische Umsetzung im Sinne der Bionik.An dieser Forschungsarbeit möchte sich nun zusätzlich zu dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg auch der Lehrstuhl für Sensorische und Kognitive Ökologie der Universität Rostock beteiligen. In dieser Gruppe liegt eine ausgedehnte Expertise hinsichtlich lasergestützter Strömungsmessungen - insbesondere an Fischen - und der Ökologie mariner Organismen sowie messtechnisch relevanter Verhaltensstudien und Trainingsmethoden vor.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1207: Strömungsbeeinflussung in der Natur und Technik
• Beteiligte Person: Professor Dr. Franz Durst