Zeitung Heute : Vom Robbenhaar zum Sensor

Wie Robben sicher ihre Beute finden und Konstrukteuren technische Lösungen liefern

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Wirbel um Robbenhaare. Die Strömung hinter einem vorbeischwimmenden Fisch zeigt eine komplizierte Wirbelstruktur (blau), die...

Robben sind geschickte Jäger. Doch welche Sinnesleistungen ermöglichen es diesem Meeressäuger, die schnellen Fische wahrzunehmen, sie zu verfolgen und dann zielsicher zu fangen? Mit dieser Fragestellung begann die Arbeitsgruppe für sensorische und kognitive Ökologie unter der Leitung von Guido Dehnhardt vor einigen Jahren mit umfangreichen Untersuchungen zu den sensorischen Leistungen von Seehunden. Diese werden heute im Marine-Science-Center an der Universität Rostock (Hohe Düne) fortgesetzt.

Bei der Jagd der speziell trainierten Tiere auf ein ferngesteuertes Fischmodell stellte sich bald heraus, dass die Robben selbst unter Ausschluss ihres Hör-, Seh- und Riechvermögens problemlos die Beute wahrnehmen und verfolgen können. Erst bei einem erzwungenen Anlegen der Barthaare (Vibrissen) bleibt die Jagd erfolglos. Die nachfolgenden Versuche zeigten dann eindeutig: Es ist die auf die Barthaare auftreffende Wirbelspur eines Beutefisches im Wasser, die es der Robbe ermöglicht, eine Verfolgung aufzunehmen. Nun sind die Barthaare der untersuchten Robbenart eine Besonderheit unter den Vibrissen. Nicht nur ihr Querschnitt ist oval, wie etwa auch bei einem Seelöwenbarthaar, sondern es zeigt sich auch eine Welligkeit in Längsrichtung, die dem Barthaar eine einmalige, ausgeprägte dreidimensionale Form gibt. Doch wie gelingt es einer Robbe, die vergleichsweise schwache Wirbelstruktur trotz unzähliger Strömungen zu erkennen? Die Eigenbewegung der Robbe führt zum Beispiel bei der Umströmung von zylindrischen Strukturen selbst fortlaufend zur Schaffung von Wirbeln. Die Antwort auf diese Frage liegt in der welligen Struktur der Haare begründet. Bedingt durch die dreidimensionale Form der Haare kommt es zu einer Unterdrückung der selbst erzeugten Wirbelstraße am Barthaar. Das Barthaar wird deshalb nur noch von den externen Wirbeln, beispielsweise denen aus dem Nachlauf des Beutefischs, angeregt und ist so als Messsystem für externe Wirbel optimal ausgelegt.

Die experimentellen Strömungsanalysen an den Barthaaren erfolgen im Strömungstechniklabor der Universität Rostock im Rahmen eines gemeinsamen DFG-Projekts im Schwerpunktprogramm 1207 „Strömungsbeeinflussung in Natur und Technik“. Hier steht mit einer speziell konzipierten Anlage eine berührungsfreie optische Messtechnik zur Ermittlung mikroskopischer Geschwindigkeitsfelder zur Verfügung. Ein Alleinstellungsmerkmal dieses Aufbaus ist die Möglichkeit, alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors als Vektorfeld mit mehr als 1000 Messpunkten auf einer Fläche bis hinunter zu einem Quadratmillimeter zu messen. Ziel ist es, nicht nur die Strömungsvorgänge an einer Robbenvibrisse zu analysieren, sondern auch, den Wirkungsmechanismus der Wirbelunterdrückung auf strömungsmechanische Anwendungen zu übertragen.

Immerhin gelingt es der Robbenvibrisse nach langem evolutionärem Optimierungsprozess, die störenden dynamischen Kräfte einer selbst erzeugten Wirbelstraße wirkungsvoll auszuschalten. Damit wird die dreidimensionale Vibrissenstruktur hoch interessant für maritime Anwendungen, bei denen dynamische Lasten aus der Umströmung ein entscheidender Konstruktionsparameter sind, wie sie heute bei Brückenpfeilern oder Fundamenten von Off-Shore-Plattformen vorkommen.

Erste Ergebnisse aus einer Kraftmessung an einer umströmten Robbenvibrisse, die am MarineScience-Center durchgeführt wurden, zeigen grundsätzlich die Wirksamkeit der dreidimensionalen Struktur der Vibrisse.

Mithilfe der Stereo-µPIV Messung im Strömungsmechaniklabor können nun das Geschwindigkeitsfeld und die Turbulenzeigenschaften des Nachlaufgebiets hinter einer Robbenvibrisse experimentell bestimmt werden. Da mit dem PIV-System eine große Zahl momentaner Geschwindigkeitsfelder ermittelt wird, ist es möglich, auch Aussagen über die turbulenten Schwankungsgrößen abzuleiten. Die experimentellen Ergebnisse zeigen tatsächlich eine Unterdrückung der störenden selbsterzeugten Wirbelstraße hinter dem Seehundbarthaar. In einer zukünftigen technischen Anwendung lässt sich dieser Effekt ausnutzen. Beispielsweise könnten bionische, also nach dem Vorbild des Seehundbarthaars konturierte Sensoren helfen, wirbelbasierte Durchflussmesssysteme in ihrer Genauigkeit zu verbessern. Diese sind beispielsweise in Heizungsanlagen weit verbreitet. Auch das Schwingen von frei hängenden Leitungen oder die Vibration von Antennen ließe sich mit einer dreidimensionalen Konturierung nach dem Vorbild der Vibrisse vermeiden.

In den kommenden Messungen werden die Auswirkungen der Konturierung der Vibrissen ebenso untersucht wie die Einflüsse der Anordnung der Vibrissen als Sensorensemble.

Dazu ist nicht nur die Konstruktion eines vollständigen Robbenkopfmodells geplant, sondern es werden auch eine Reihe Messungen mit den seit Mai 2008 in Hohe Düne lebenden Robben durchgeführt, die inzwischen in der Lage sind, den Beutefang auch unter Mitführung von Videomesstechnik durchzuführen. Auf diese Weise können die Bewegungen der Vibrissen während der Spurverfolgung „live“ beobachtet werden.

Die Autoren sind Wissenschaftler an der Universität Rostock: Martin Brede am Lehrstuhl Strömungsmechanik von Alfred Leder. Guido Dehnhardt, Institut für Biowissenschaften, ist Leiter der Arbeitsgruppe „Sensorische und kognitive Ökologie“.

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