Parallaxe in elektrischen Feldbildern

• Antragsteller: Professor Dr. Jacob Engelmann; Professor Dr. Axel Schneider
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427854804

Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit der Übertragung des Konzepts der Parallaxe aus der geometrischen Optik in die Domäne der elektrischen Felder zur Lokalisierung und Inspektion von Objekten in Fluiden. Schwach elektrische Fische, die in diesem Projekt als biologisches Vorbild dienen, prägen mit Hilfe spezialisierter Muskelzellen in der Schwanzregion dipolartige elektrische Felder aus, die sie mit spezialisierten Sinneszellen (Mormyromasten) in der Hautoberfläche wahrnehmen. Objekte in der Umgebung führen zu Feldverzerrungen, deren elektrische Abbildungen auf der Hautoberfläche es den Fischen erlaubt, die Objekte zu lokalisieren, Materialeigenschaften zu differenzieren und belebte von unbelebten Objekten zu unterscheiden. Die Fähigkeit des "elektrischen Sehens" erlaubt es ihnen, auch in völliger Dunkelheit oder in undurchsichtigem Wasser komplexe Verhaltensweisen an den Tag zu legen. Aktuelle Studien zeigen, dass schwach elektrische Fische prinzipiell Parallaxe auf Basis ihres elektrischen Sinns verwenden, um entfernte von nahen Objekten auch bei unterschiedlicher Größe unterscheiden zu können. Hierbei scheint sowohl ihre gesamte Eigenbewegung, gekennzeichnet durch Vorwärts- und Rückwärtsschwimmbewegungen als auch die aktive Bewegung von Schnauzenorgan und Schwanz im Sinne einer kontrollierten Beeinflussung des lokalen Feldverlaufs des selbstemittierten Feldes eine Rolle zu spielen. Das vorliegende Projekt untersucht auf der biologischen Seite, welchen Einfluss die aktiven Änderungen der Körperteilposituren auf das generierte elektrische Feld in Realweltexperimenten haben. Parallel dazu wird ein theoretischer Rahmen entwickelt, der auf Basis der bekannten elektrischen Feldtheorie beschreibt, wie gezielt lokale Feldänderungen durch Einführung von aktiven Monopolen und passiven feldbeeinflussenden Elementen erzeugt werden können. Die passiven feldbeeinflussenden Elemente und ihre Ansteuerung werden neben einer theoretischen und simulativen Betrachtung ebenfalls mit den entsprechenden Pendants aus dem biologischen Beispiel verglichen. Auf Basis der gezielten lokalen Feldbeeinflussung wird dann das Konzept der Parallaxe aus der geometrischen Optik in den Bereich der elektrischen Felder übertragen. Parallaxe setzt in der Optik ein abbildendes System (Linsen) voraus. Diese Abbildungseigenschaften werden auf Seite der elektrischen Felder durch lokale Feldänderungen erreicht, da diese beeinflussen, wie sich die feldverzerrenden Wirkungen von zu lokalisierenden Objekten auf eine Sensorphalanx ausprägen. Das Projekt verwendet Simulation und realen Laboraufbauten bis hin zu 2D-Sensoranordnungen. Parallel dazu werden die Verhaltensweisen sich frei bewegender schwach elektrischer Fische zweier Spezies empirisch untersucht, um zu verstehen, ob die Fische bestimmte Bewegungsmuster zur Optimierung der elektrischen Parallaxenwirkung verwenden und so eine Tiefenwahrnehmung im Rahmen ihres natürlichen Verhaltensrepertoires unterstützt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen