SAMMANFATTNING

Projektet går under ämnet "naturnära orientationsystem" och består i ett försök att, likt insekter, ge människan en möjlighet att orientera sig enbart med hjälp av solen. Vi har studerat hur insekter orienterar sig, och i korta drag kommit fram till att det rör sig om ett mycket utvecklat detektionssystem av polarserat ljus. Således genom att efterlikna dessa redan befintliga navigationssystem hos insekter har vi tagit fram ett system som genom komparativ analys av solljusets polarisationsgrad vid olika infallsvinklar kan ange de fyra väderstrecken.
Systemet, som vi gett namnet PolPal, består av ett set polariserade linser vilka är vridna så att den mängd polariserat ljus som penetrerar linssystemet är beroende av den vinkel med vilket det polariserade ljuset infaller. Således kan vi mäta ljusstyrkan vid vissa fixpunkter och därmed bestämma väderstrecken. Systemet, vilket är helt digitalt, har vi utvecklat kring mikrodatorsystemet PIC.
PolPal har många användningsområden, men det industriellt sett mest attraktiva är dess förmåga att ange väderstreck utan yttre påverkan såsom av oönskade magnetfält och ferromagnetiska metaller.

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

NATURNÄRA ORIENTERINGSSYSTEM
SAMMANFATTNING
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
INLEDNING OCH FÖRORD
ZOOLOGISK BAKGRUND
POLARISERAT LJUS
INSEKTERS SYNSINNE
     UPPBYGNAD
     POLARISERAT LJUS
     RIKTNINGSORIENTERING MED HJÄLP AV POLARISERAT LJUS
SYSTEMET POLPAL
AVSLUTNING

Tillbaka till huvudmenyn

INLEDNING OCH FÖRORD

  Vårt intresse för ämnet uppstod då vi under biologiundervisning studerade insekters varseblivningsorgan. Vi beslutade oss för att fördjupa våra studier inom ämnet samt studera de avancerad mekanismer som är inblandade vid insekters orientering. Genom de studier vi förde förstod vi att detektion av polariserat ljus var en mycket viktig del i insekters orientering. Vi kopplade således ihop våra kunskaper i elektronik med fysiken bakom polariserat ljus samt våra nyförvärvda kunskaper om insekters orientering och fick idén om ett system som skulle kunna efterlikna dessa mekanismer hos insekterna. Systemet gav vi namnet PolPal.
  Vi hade till en början konkreta planer på att färdigställa en produkt baserad på det system vi utvecklat. Efter ett otal nedgångar och en slutligt avsaknad av kapital var vi tvungna att lägga ned produktutvecklingen. Dock kommer vi vidare att presentera systemet i sin helhet.

Till toppen

ZOOLOGISK BAKGRUND

Solen är inte oväntat det viktigaste riktmärket för både djur och insekter, efterssom det är absolut säkert att den befinner sig på himlen under dagen. Fast många djur har dock en annan behållning av solen än människan, de kan nämligen uppfatta det mönster av polariserat ljus som den bildar och använda detta för just navigation. För sociala insekter, dvs som lever i samhällen eller kolonier, är sökandet efter och insamling av föda något som endast ett fåtal av individerna utför. Det är därför livsviktigt för kolonin att dessa "jägare" kommer hem säkert med födan, och det är också därför som det inte är så underligt att sådana insekter, som lever i samhällen, har högt utvecklade navigeringsmetoder.

Tambiet, Apis mellifera, är den insekt som vi hade som inspiration och förebild under våra undersökningar, det är också en en insekt som det har gjorts mycket tidigare forskning kring då den har stora ekonomiska intressen i och med sin honungsproduktion och pollinering.
Det var under senare delen av 1800-talet som man började undersöka seende och navigation hos biet. Man kom fram till att bin har ett välutvecklat färgseende och kan skilja mellan ljus med våglängder från ca 300-600nm, vilket för oss är gult, blågrönt, blått och ultraviolett, som vi inte kan urskilja. Dessutom gjorde man den häpnadsväckande upptäckten att bina kunde navigera och hålla en absolut kompasskurs utan några som helst landmärken. Det framkom ganska snart att bina använde sig av ljusmönstret från himlen för att orientera sig. När ett arbetsbi som har funnit ett rikligt förråd av föda återvänder till kupan utför det en dans som meddelar de övriga "jägarna" var födan finns. I dansen anger de sträckan till födan och den närmaste raka vägen relativt solen.

Biet måste alltså känna till solens position, även molniga dagar, för att kunna söka föda. En biforskare vid namn Von Frisch ville klarlägga hur biet kunde bestämma ljusmönstret på himlen och tillverkade därför en apparat, liknande den analoga modulen i PolPal-systemet, bestående av åtta triangulära stycken av polaroidfilter som tillsammans bildade en åttahörning. När han sedan betraktade himlen genom denna upptäckte han att han kunde se olika mönster av mörkt och ljust på olika delar av himlen eller på samma del vid olika tider på dagen enligt bilden nedan.

Till toppen

POLARISERAT LJUS

Atomerna i en vanlig ljuskälla sänder ut extremt korta strålningspulser som var och en är en nästintill monokromatiskt vågrörelse, dvs den svänger bara i ett plan med en bestämd vinkel eller azimut. Bilden till höger visar en ljusstråle som svänger i bildskärmens plan. Varje ljusstråle har således sitt eget vågplan, och azimut, men en normal ljuskälla sänder ut ljusvågor som svänger i alla plan, den sägs vara opolariserad. Om allt ljus har samma azimut sägs det vara planpolariserat.

I normalt ljus breder vågorna ut sig i alla plan men när ljuset reflekteras från tex en vattenyta, blir en stor del av det planpolariserat. Allt ljus som reflekteras från en vattenyta eller en spegel blir dock inte polariserat. Hur mycket som blir det beror på vinkeln den infallande ljusstrålen bildar med

Fördelningen av polariserat ljus över himlavalvet då solen står vid horisonten.

den reflekterande ytan. Solljus är från början opolariserat, men när strålarna träffar partiklar i den yttre atmosfären, de partiklar som ger himlen dess blåa färg, sprids en del av ljuset i planpolariserad form. Hur stor del av ljuset som polariseras på detta sätt varierar från punkt till punkt på himlen, detsamma gäller för den vinkeln som polarisationsplanet bildar med ett givet plan. Fördelningen av polarisationsgraden och polarisationsplanet bildar ett regelbundet mönster på himlavalvet, ett mönster som är relaterat till solen. När solen rör sig följer alltså mönstret med och varje punkt där ljuset polariseras till en viss grad och under en viss vinkel har ett bestämt läge i förhållande till solen enligt bilden till vänster. Den visar fördelningen av polariserat ljus över himlavalvet då solen står vid horisonten. De heldragna linjerna förbinder punkter med samma procentuella polarisations-grad medans de streckade linjerna förbinder punkter där polarisationsplanets vinkel är densamma. A och B är båda punkter där ljuset är opolariserat. Exempelvis biet använder sig av just detta polarisationsmönster för att utvisa solens läge och därmed kunna navigera från och till kupan. Det är dessa fenomen, solljusets polarisationsmönster och möjligheten att navigera efter det, som är det intressanta i våra undersökningar.

För att detta mönster skall kunna användas som vägledning och grund för navigation krävs bara någon anordning för att mäta dessa två faktorer. De flesta av oss kan inte urskilja detta mönster utan att ha ett speciellt filter till hjälp. Det finns ett antal olika sätt att tillverka ett sådant filter, men ett polaroidfilter av plast är troligtvis lättast att använda. Polaroidfilter fungerar på sådant sätt att de bara släpper igenom de ljusvågor som svänger i ett bestämt plan enligt bilden till höger.

Till toppen

INSEKTERS SYNSINNE

Uppbygnad
Ögonen hos insekter kallas komplexögon, eftersom de består av ett otal likartade delögon så kallade fasetter. Varje fasett är en lins, bildad av ett tunt och transparent hudskelett. Under linsen ligger en starkt ljusbrytande kropp. Den är formad ungefär som en kon, med spetsen inåt, och kallas därför kristallkonen. Lins och kristallkon utgör tillsammans ögats bildskapande apparat. Bakom kristallkonen finns 8 långsmala, ljuskänsliga sinnesceller, som i tvärsnitt är ordnade som en oktagon kring en tunn, transparent bildning, rhabdomen. Antalet fasetter varierar från insekt till insekt, hos tambiet finns dock 4000-5000 fasetter.

Polariserat ljus
Med hänsyn till polariserat ljus är insekters ljuskänsliga celler uppdelade i olika grupper, som var för sig är känsligast för sitt speciella polarisationsplan. Man skulle kunna tro att färguppfattningen och uppfattningen av polarisationsplanet kunde ingripa störande i varandra. Båda bygger ju på samma princip: olika syncellers olika känslighet, i ena fallet för olika våglängder, i andra fallet för olikheter i polarisationsplanet. Det verkar ganska osannorlikt att den enskilda cellen skulle märka, om den grad av påverkan den mottar beror på polarisationsplanet eller våglängden. Det gör den inte heller. Men tursamt nog för insekterna har ungefär halva antalet ljuskänsliga celler, jämt fördelade över ögat, denna känslighet för olikheter i polarisationsplanet. Med den ena hälften ljuskänsliga celler ser insekterna alltså färger, med den andra hälften ljusets polarisationsplan. Världen måste faktiskt se mycket annorlunda ut för insekterna insekterna än för oss. De ser inte bara andra färger: de är rödblinda och kan se ultraviolett ljus. Dessutom kan de se ljusets polarisationsplan . Hur det sistnämnda ser ut, kan vi inte på något sätt föreställa oss. Troligen är denna förmåga att upfatta polariserat ljus och speciellt förmågan att analysera det sammankopplad med strukturen hos leddjurens sammansatta ögon. Vi kanske aldrig kommer att upptäcka ett djur utan yttre skelett och ledade ben, som besitter denna anmärkningsvärda och för oss främmande egenskap.

Riktningsorientering med hjälp av polariserat ljus
Som tidigare nämt polariserar atmosfären solljuset så att det uppkommer ett karakteristiskt polarisationsmönster på himlen. I riktning mot solen är ljuset bara lite polariserat, men i riktningar längre ifrån solen är ljuset bara lite polariserat. Det är också, som sagt, polariserat på ett karakteristiskt sätt, vilket gör det möjligt att bedöma riktningen mot solen. När nu riktningen till solen är bestämd skulle man kunna tro att det inte är så svårt att hålla en bestämd kurs. Så är dock inte fallet. Skall man använda det polariserade ljuset som riktningsgivare måste man nämligen också korrigera för solens skiftande azimut, det vill säga solens varierande vinkel (i ett horisontellt plan) i förhållande till Norr. Den anges således i grader till höger om norr. Insekter som orienterar efter det polariserade ljuset måste alltså veta vilken vinkel de skall förhålla sig mot solen vid olika tidpunkter på dagen. De måste känna solens azimutrörelse och ha ett tidssinne, något som är väl utvecklat hos insekter. Bilden till höger visar solens förändring i azimutrörelse. Solen rörsig i en båge över himlen. Denna båge ligger i ett plan, som skär det vågräta planet i en vinkel, vilken är konstant hela året för en viss breddgrad (från 90° vid ekvatorn till 0° vid polerna). Insekter måste alltså kompensera för detta, vilket de gör genom att låta deras innre klocka gå olika fort beroende på tiden på dygnet. En insekt relativt nära polerna har en innre klocka som går långsammare mitt på dagen men snabbare tidigt och sent på dagen. Motsatta förhållanden råder hos insekter som lever nära ekvatorn.

Till toppen

SYSTEMET POLPAL

Det system vi har utvecklat går i sin helhet ut på att på ett elektroniskt sätt efterlikna de orienteringsmekanismer vi studerat hos insekterna. I huvudsak har vi använt oss av 3 delsystem. Först och främst en modul för att detektera polariserat ljus och dess skillnader i polarisationsvinkel. Detta åstadkommes genom att placera fyra optiska sensorer av typen ljus till spänning under fyra transparenta bitar av polariserande plast (1), vilka är placerade så att den vinkel, med vilken de polariserar det infallande ljuset, förändras 180°.

Polarisationsfilter där vinkeln på polarisationplanen mellan de åtta segmenten förändrats sammanlagt 360° (facettöga). Dock behövs enbart en föändning på 180° för samma resultat.

De fyra relativa spänningsvärden på graden polariserat ljus som erhålles från detektormodulen skickas i tur och ordning till en 7-bitars A/D omvandlare (3) som amvandlar det analoga invärdet till ett 7-bitars digitalt värde. Det digitala värdet medger en upplösning av 127 ljusnivåer per polaroid. Spänningsvärdena måste skickas ett i taget för att rhålla maximal upplösning med tanke på att enchipsdatorn endast tillhandahåller 13 in/ut gångar (I/O). För att kunna skicka spänningsvärdena från detektionsmodulen ett i taget använder vi en multiplexer (2) som via extern frekvens (4), ontrollerad av enchipsdatorn, oscillerar genom de fyra sensorerna och slussar på så sätt vidare analogvärdena till .A/D omvandlaren som sedan skickar vidare ljusvärdet till systemets centralenhet, enchipsdatorn (5). Vi valde att använda oss av enchipsdatorn PIC16C84 då denna bl.a. erbjuder ett EEPROM på 64 byte vilket relativt lätt kan programmeras i assembler. Enchipsdatorn programmeras så att data från detektionsmodulen bearbetas i relation till tiden på dygnet samt lagrade fixvärden för de fyra väderstrecken. De resultat programmet producerar skickas sedan som 5 bitars adressvärden till en ROM (6) som handhar riktningsvisningen. Beroende på vilket värde som skickas tändes (el. släckes) någon av de 31 lysdioder arrangerats cirkulärt (7) kring kretsen. Det är således alltid endast en diod som är aktiv, den diod som lyser indikerar hela tiden norr. De 31 dioderna ger en upplösning av ca 12°/diod vilket är tillräckligt för de ändamål PolPal© är tilltänkt.

Till toppen

AVSLUTNING

Arbetet med PolPal har varit något som gett oss båda en djupare inblick i många olika ämnesområden. Allt i från Zoologi till Datalogi. Den insekt som påvisat störst komplexibilitet vad gäller navigation och riktningsorientering var det vanliga tambiet, varför fortsatta studier i bl.a. deras beteendemönster känns högst välkommna. Under vår forskning stötte vi också på fakta att även vissa ryggradsdjur innehar förmågan att se ljusets polarisationsplan. Dessa studier rör mestadels olika arter av salamandrar. Detta är således också ett område inom vilket vi skulle vilja forska. Kanske en dag kan också människan öppna sina sinnen för yttligare en dimension, av polariserat ljus.
Ständiga nedgångar, komplikationer och förseningar var ju de faktorer som ledde till att vi inte kunde färdigställa en produkt. Men vi är inte dem som ger sig. Det är bara synd att den inte kunde bli färdig till utställningen. Som tur är så utförde vi ju inte projektet för utställningens skull, så missödet tar vi enbart som en bagatell på vägen.
Projektet har slutligen också fått oss att inse det faktum att insekterna är de mest överlägsa varelselserna på jorden, efter människan.

Till toppen