D4 Beschleunigungsmessung

Thema

Ein miniaturisierter dreiachsiger Beschleunigungsmesser, der am Rücken oder Schwanz des Vogels befestigt wird, ermöglicht es Forschern, die Flügelschlagkinematik zu rekonstruieren, ohne den Vogel direkt zu beobachten oder in ein Labor zu bringen. Dieser miniaturisierte dreiachsige Beschleunigungsmesser ist die Standardmethode zur Untersuchung der Flügelschlagkinematik unter natürlichen Bedingungen, während der Vogel frei in seiner gewohnten Umgebung fliegt.

Die dorsoventrale Achse dieses miniaturisierten dreiachsigen Beschleunigungsmessers erfasst die Körperbeschleunigung des Vogels während jedes Flügelschlagzyklus und erzeugt so ein Signal, dessen Amplitude mit jedem Flügelschlag ansteigt und abfällt. Durch Anwendung einer Fourier-Transformation auf dieses Signal lässt sich die Flügelschlagfrequenz mit hoher Genauigkeit bestimmen. Durch Messung der Signalamplitude kann der Flügelschlagwinkel – die Winkelamplitude, mit der der Vogel seine Flügel in jedem Zyklus bewegt – geschätzt werden.

Aus der Flügelschlagfrequenz und dem Flügelschlagwinkel, die durch dieses Signal ermittelt werden, wird die Strouhal-Zahl berechnet. Dieser Parameter vergleicht Frequenz und Amplitude jedes Flügelschlagzyklus mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Vogels und gibt an, ob der Flügelschlag noch propulsiv effizient ist. Die aus dem Signal des miniaturisierten triaxialen Beschleunigungsmessers berechnete Strouhal-Zahl stellt praktisch eine direkte Funktionsdiagnose der Propulsionseffizienz des Vogels dar, ohne dass eine Beobachtung im Flug erforderlich ist.

Diese Methode reagiert empfindlich auf zwei unterschiedliche Anomalien, die jeweils eine charakteristische Spur im Signal des miniaturisierten triaxialen Beschleunigungsmessers hinterlassen. Die erste ist eine Muskelschädigung: Bei einer Schädigung der Brustmuskulatur des Vogels sinken sowohl die Flügelschlagfrequenz als auch der Flügelschlagwinkel unter die Werte, die dasselbe Individuum im gesunden Zustand aufweisen würde. Die mit diesen reduzierten Werten berechnete Strouhal-Zahl liegt dann außerhalb des optimalen Bereichs, der einen propulsiv effizienten Flügelschlag anzeigt.

Die zweite Anomalie ist eine neuromuskuläre Störung: In diesem Fall bleiben Schlagfrequenz und Schlagwinkel im Durchschnitt im Normbereich, jedoch tritt eine Asymmetrie im zeitlichen Ablauf der einzelnen Halbzyklen auf. Der Vogel benötigt daher unterschiedlich lange für die Auf- und Abwärtsbewegung jedes Zyklus. Diese Asymmetrie im Halbzyklus ist die Signatur, die ein Nervensystem, das den Flügelschlag nicht mehr mit der gleichen zeitlichen Präzision wie ein gesundes Nervensystem koordiniert, im Signal des miniaturisierten triaxialen Beschleunigungsmessers hinterlässt.

Diese beiden charakteristischen Merkmale im Signal – der kombinierte Abfall von Schlagfrequenz, Schlagwinkel und Strouhal-Zahl einerseits und die Asymmetrie im Halbzyklus andererseits – ermöglichen es uns, mithilfe eines einzigen miniaturisierten triaxialen Beschleunigungsmessers zu unterscheiden, ob ein Vogel mit abnormalem Flügelschlag an einer Muskelschädigung oder einer neuromuskulären Störung leidet. Das gleiche Signal des miniaturisierten triaxialen Beschleunigungsmessers ermöglicht, verglichen mit vordefinierten Schwellenwerten, auch die automatische Klassifizierung des Flugmodus, den der Vogel in jedem Moment ausführt – eine direkte Anwendung dieser Beschleunigungsmessmethode.

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