Faszinierende Parallelen: Das menschliche Innenohr und Murata MEMS Sensoren

Inertialsensoren, wie Gyroskope und Beschleunigungssensoren, ähneln den Sinnesorganen im menschlichen Ohr. Diese biologischen Mechanismen inspirieren die Entwicklung moderner Technologien, wie autonomes Fahren.

Gyroskope und Beschleunigungssensoren liefern Informationen über die Ausrichtung, Bewegung und Balance eines Objekts. Der menschliche Körper hat sensorische Strukturen, die ähnlich funktionieren wie diese beiden Geräte.

Bei der Automatisierung menschlicher Aufgaben, wie dem autonomen Fahren, ist es wichtig zu verstehen, wie die eigenen Sensoren funktionieren. Bevor wir über selbstfahrende Technologie und Computer Vision sprechen, wollen wir einen Blick auf die Vorgänge im menschlichen Ohr werfen.

Halbkreisförmige Kanäle

In jedem Ohr befinden sich drei halbkreisförmige Kanäle, die in drei verschiedenen Ebenen ausgerichtet sind. Das membranöse Labyrinth des Innenohrs ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die Endolymphe genannt wird. Diese Kanäle erfassen die Winkelbewegung oder Drehung des Kopfes in drei Dimensionen; Nicken (vorwärts und rückwärts), Gieren (links oder rechts drehen) und Rollen (seitliches Neigen des Kopfes). Wenn sich der Kopf dreht, bewegt sich die Flüssigkeit innerhalb der Kanäle und biegt die Haarzellen. Diese Biegung erzeugt Nervensignale, die an das Gehirn gesendet werden und die Richtung sowie Geschwindigkeit der Drehung anzeigen.

Die Sensoren und die Steuerung in den automatischen Systemen können eine ähnliche Funktion erfüllen wie das Auge beim Drehen des Kopfes. Dies wird als vestibulo-okulärer Reflex bezeichnet.

Sacculus und Utriculus

Die Otolithenorgane, Sacculus und Utriculus, befinden sich im Vestibül des Innenohrs, neben den Bogengängen. Sie enthalten Haarzellen, die in eine gelartige Substanz eingebettet sind, auf der sich Otolithen (Kalziumkarbonatkristalle) befinden. Diese Organe sind unsere Beschleunigungssensoren. Der Sacculus reagiert empfindlicher auf vertikale Bewegungen, der Utriculus auf horizontale Bewegungen.

Wenn Sie sich geradeaus bewegen, abrupt anhalten oder die Ausrichtung Ihres Kopfes relativ zur Schwerkraft ändern, verschiebt sich das Gel relativ zu den Haarzellen. Diese Biegung wird in Nervensignale umgewandelt, die an das Gehirn gesendet werden und Informationen über Bewegungen in allen Achsen zu liefern.

Die Kanäle fungieren als Gyroskope, während Sacculus und Utriculus als Beschleunigungssensoren dienen. Die Verarbeitung von Trägheitssensordaten ist komplex und beinhaltet beispielsweise nicht-kommunikative Berechnungen. Kann das Gehirn Nicht-Kommutativitätsberechnungen durchführen? Einige Physiker argumentieren, dass unsere Wahrnehmung von Zeit auf Nicht-Kommutativität zurückzuführen ist! Ein durchaus interessantes Thema, um Mensch-Technik-Interaktionen und assistive Technologien zu erforschen und zu verbessern.

Vorreiter mit der Wissenschaft

Das Gehirn integriert die Signale dieser gyroskop- und beschleunigungsmesserähnlichen Sensoren mit Informationen aus dem propriozeptiven und visuellen System. Diese Integration hilft uns, das Gleichgewicht zu halten, Bewegungen zu koordinieren und unsere Position in unserer Umgebung zu verstehen.

Wenn die Informationen zwischen diesen Systemen nicht übereinstimmen, kann dies zu den bekannten Empfindungen wie Schwindel führen. Die einzigartigen Gefühle, die man auf einer Achterbahn erlebt, einschließlich der Empfindungen im Magen, entstehen durch das komplexe Zusammenspiel dieser sensorischen Systeme, die auf schnelle Bewegungs- und Orientierungsänderungen reagieren.

Man kann das Einstein’sche Äquivalenzprinzip anwenden und annehmen, dass wir dort nach oben beschleunigen, anstatt von der Gravitationskraft nach unten gezogen werden. Und das zeigen unsere mechanischen Instrumente, die Beschleunigungssensoren.

Wir besitzen Trägheitssensoren nicht nur im Innenohr, sondern spüren Bewegung auch intuitiv im unteren Teil des Bauches. Diese genuin funktionierenden Funktionen des menschlichen Körpers macht sich Nordic Inertial bei der Entwicklung ihrer Messysteme mit Murata-Sensoren zunutze.

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