Ameisen stehen auf die neue 3D-Miniaturkraftmessplattform der Universität Jena

Geht es darum, große Lasten zu tragen, sind Ameisen wahre Giganten. Rote Waldameisen der Gattung Formica polyctena schultern im Labor beispielsweise nahezu das Vierzigfache ihres Eigengewichtes. Die Messung der von den Leichtgewichten mit den Superkräften ausgeübten Bodenreaktionskräfte erweist sich jedoch als echte Herausforderung. Denn die von ihnen während der Fortbewegung ausgeübten Kräfte sind mit verfügbaren Methoden kaum messbar. Dabei liefern Erkenntnisse zur Fortbewegung von Insekten wertvolle Ansätze für zukünftige Anwendung rund um den sicheren Transport von Lasten. An der Universität Jena machten sich daher Lars Reinhardt und Prof. Dr. Reinhard Blickhan daran, Abhilfe zu schaffen. Sie entwickelten eine robuste Miniaturkraftmessplattform, die die zuverlässige Messung von Kräften im Mikronewton-Bereich ermöglicht – und zwar in allen drei relevanten Bewegungsrichtungen. Dazu lieferte auch HBM einen wichtigen Beitrag: mit dem Messverstärkersystem MGCplus und der Messtechnik-Software catman Easy.

Die Forschung zur Fortbewegung von Insekten liefert wichtige Grundlagen zur Beurteilung der Mechanik, der Sinnesphysiologie und der Motorik. Auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich beispielsweise in der Bionik und Robotik konkrete Anwendungen realisieren. Dazu zählen etwa extrem geländegängige Trage- und Transporthilfen, die den sicheren Gang von Ameisen auf sechs Beinen imitieren. Um jedoch erfolgreich von Mutter Natur abschauen zu können, benötigt es zuverlässige Ergebnisse aus der Grundlagenforschung.

Denen sind Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena nun einen großen Schritt näher gekommen. Lars Reinhardt und Prof. Dr. Reinhard Blickhan haben hier eine neue 3D-Miniaturkraftmessplattform zur Erfassung ultrakleiner Kräfte entwickelt. Sie ermöglicht es, die Lokomotion von Ameisen in allen drei relevanten Bewegungsrichtungen zuverlässig zu messen und anschließend zu analysieren. Die im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes entwickelte Plattform ermöglicht damit erstmals Einblicke in die Dynamik der Fortbewegung auf Beinen in diesem Ultraminiaturbereich.

Bisher verfügbare Messplattformen nur bedingt geeignet

Zwar existieren bereits seit Jahrzehnten Miniaturkraftmessplattformen zur Erfassung von Bodenreaktionskräften. Sie konnten jedoch nur Messwerte in zwei Dimensionen erfassen. Oder aber sie waren zu empfindlich und hielten der für zuverlässige Forschungsergebnisse nötigen Zahl an Messzyklen nicht stand. Robustere Ausführungen der 3D-Plattformen wiederum waren aufgrund ihrer Bauweise und der eingesetzten Materialien nicht in der Lage, ultrakleine Kräfte im Mikronewton-Bereich zu erfassen. Die Messung der von einer 23,2 mg schweren Waldameise erzeugten Bodenreaktionskräfte und Dynamik ihrer Fortbewegung war damit unmöglich.

Da stehen Ameisen drauf: die robuste Miniaturkraftmessplattform aus Jena

Lars Reinhardt und Prof. Dr. Reinhard Blickhan schufen nun am Lehrstuhl Bewegungswissenschaften der Friedrich-Schiller-Universität Jena eine neue Messplattform, mit der die Bodenreaktionskräfte eines einzelnen Ameisenbeins im Bewegungsablauf zuverlässig in allen drei Bewegungsrichtungen erfasst werden können. Dabei zeichnet sich die neue 3D-Plattform der Jenaer Wissenschaftler durch ihre Robustheit, einen großzügigen Messbereich bis 4 mN und ein geringes Übersprechen zwischen den Messkanälen aus. Dies haben ausführliche Testläufe bewiesen.

Über sechs Monate hinweg haben Reinhardt und Blickhan die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit dieser neuen Messplattform getestet. Dabei hat die 3D-Miniaturkraftmessplattform spielend 3.000 Belastungen durch jeweils ein Bein darüberlaufender Waldameisen der Gattung Formica polyctena überstanden. Danach zeigte die Plattform weder Materialmängel noch Messungenauigkeiten. Weitere Pluspunkte der neuen Plattform sind ihre bauartbedingt überschaubaren Herstellungskosten und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, die weit über Experimente mit Ameisen hinausgehen

Tragende Rolle von HBM bei Kalibrierung, Messung und Analyse

Die von den Bewegungswissenschaftlern der Universität Jena entwickelte neue Messplattform basiert auf der hoch präzisen Stereolithographie-Technologie. Der Protoytyp aus einem Material, das Polycarbonat (PC) ähnelt, ist leicht, sehr elastisch, gut gedämpft und mit handelsüblichen Halbleiter-Dehnungsmessstreifen ausgerüstet. Zur Messung wurden das digitale Messverstärkersystem MGCplus und zur Datenerfassung, -visualisierung und -auswertung die Messtechnik-Software catman Easy von HBM eingesetzt.

Das bewährte Messverstärkersystem MGCplus von HBM wurde speziell für den Einsatz in Laborumgebungen und Prüfständen geschaffen. Dank seines modularen Aufbaus wächst das System mit den gestellten Aufgaben und ist nahezu in allen Bereichen einsetzbar. Statische Messungen von Kraft, Masse, Weg, Druck, Temperatur, Drehmoment, Beschleunigung, Dehnung, mechanischer oder elektrischer Spannung, Strom, Frequenz und Widerstand, bei denen eine hohe Auflösung, Langzeitstabilität sowie Störunempfindlichkeit im Vordergrund stehen, wie zum Beispiel beim Kalibrieren, sind ebenso möglich wie dynamische.

Die Messtechnik-Software catman Easy von HBM ist ein ideales Tool für Messprojekte, zum Beispiel mit den Messverstärkersystem MGCplus. Sie ist erste Wahl für das Erfassen, Visualisieren und Analysieren von Messdaten. Zudem sprechen neben der perfekten Unterstützung von HBM-Messverstärkern auch eine intuitive Bedienung und vielfältige Anpassungsmöglichkeiten ebenfalls für catman.

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