Roboter-Fliegen fliegen besser

Von der Natur lernen, heißt siegen lernen: Weltweit arbeiten Forscherteams an fliegenden Mini-Robotern nach biologischem Vorbild.

Mit regelrecht halsbrecherischen Manövern navigieren sie im schnellen Flug, kurven um Hindernisse herum, und reagieren in Sekundenbruchteilen auf die Hand, die sie fangen will. Ein Fliegengehirn leistet erstaunliches – nicht minder beeindruckend sind auch die Navigationsleistungen von Ameisen, obwohl ihre Nervensysteme vergleichsweise einfach aufgebaut sind."Das gesamte Gehirn einer Ameise besteht nur aus etwa einer Million Nervenzellen. Zum Vergleich: Das menschliche Gehirn verfügt über etwa 100 Milliarden Neuronen", sagt Ralf Möller, Leiter der AG Technische Informatik an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld und Autor des Buches "Das Ameisenpatent".

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Roboter-Fliegen fliegen besser (4 Bilder)

Quadrokopter im Flugtest

Die Leistungsfähigkeit der Insekten ist für Ingenieure daher nicht nur ein faszinierender Ansporn, sondern auch ein handfester Vorteil, da sich die Nervensysteme dieser Tiere vergleichsweise leicht nachbilden lassen. Verena Hafner, Juniorprofessorin für Kognitive Robotik an der Humboldt-Universität (HU) Berlin beispielsweise nutzt Erkenntnisse über die räumlichen Orientierungsleistungen von Wüstenameisen beim Design ihrer beiden Quadrokopter, zweier unbemannter Minihubschrauber. Die Cataglyphis verfügt, so hatte eine von Rüdiger Wehner am Neuroscience Center der ETH Zürich geleitete Gruppe von Forschern herausgefunden, ebenso wie Grillen, Bienen und Wespen am oberen Rand ihres Auges, mit dem sie in den Himmel blickt, über spezielle Lichtsinneszellen.

Jede dieser Zellen ist besonders empfindlich für Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung. Daher können diese Insekten die Polarisationsrichtung am Zenit in Bezug auf den eigenen Körper genau messen und haben dadurch – zumindest für einen gewissen Zeitraum – einen festen Richtungsbezug, den sie in die Pfad-Integration einfließen lassen. Die beiden an der HU-Berlin entwickelten, für Forschungszwecke genutzten Quadrokopter navigieren ähnlich wie ihre natürlichen Vorbilder. Die beiden Miniroboter, die bis zu 80 km/h schnell fliegen können, sollen präzise fotografische Aufnahmen von dem Areal machen, das sie überfliegen. Mögliche Anwendungsfelder der Quadrokopter liegen im Katastrophenschutz und im landwirtschaftlichen Bereich. Hier könnten sie als Fernerkundungstechnologie beispielsweise für die exakt dosierte Nährstoffversorgung von Ackerböden zum Einsatz kommen.

Auch die Fähigkeit fliegender Insekten, extrem schnell auf Hindernisse zu reagieren, auszuweichen und auch bei hoher Geschwindigkeit präzise sich bewegende Ziele anzufliegen, wollen sich Robotikforschung zunutze machen. Das Bewegungssehen von Insekten ist ein relativ neues Thema innerhalb des Forschungsfeldes "Insektenneurobiologie und Robotik". In den Anfängen dieses Forschungsfeldes, die in den 80er liegen, sind vor allem kybernetische Ansätze maßgeblich gewesen. In erster Linie ging es den Forschern darum, Erkenntnisse über die Laufkontrolle und -mechanik von Insekten auf die Robotik zu übertragen. Mittlerweile hat sich der Fokus der Forschung neben der Übertragung von Erkenntnissen über das Bewegungssehen und die Navigationsleistungen von Insekten auf die Robotik auch auf das Thema "Schlagflug" und "Flugkontrolle" verlagert.

Biologen vermuten bereits seit längerem, dass die Tiere für die Flugkontrolle die sogenannten "optischen Flussfelder" nutzen: Bewegt sich die Fliege, sieht sie wie sich das Bild vor ihrem Auge scheinbar ebenfalls bewegt. Zur Steuerung und Navigation muss die Fliege die Objekte, an denen sie sich vorbei bewegt, nicht erkennen. Denn Geschwindigkeit und Richtung, mit denen sich die einzelne Bildpunkte vor den Augen scheinbar bewegen, ergeben in jedem Moment ein typisches Bild: Bei einer Vorwärtsbewegung fließen die Objekte seitlich am unbeweglichen Fliegenauge vorbei, bei frontalem Anflug vergrößern sie sich, nahe und weit entfernte Dinge bewegen sich ganz unterschiedlich – diese typischen Muster werden im Sehzentrum verarbeitet und von der Fliege zur Steuerung verwendet.

Die enorme Reaktionsgeschwindigkeit der Fluginsekten ergibt sich dabei aus der Schnelligkeit ihrer Augen: Während für menschliche Augen spätestens ab 25 Bildern pro Sekunde Einzelbilder in einen kontinuierlichen Bewegungsablauf übergehen, erkennen einige Arten von Fliegen noch 100 Bilder pro Sekunde als einzelne Sinneseindrücke, können sie blitzschnell interpretieren und so ihre Bewegung steuern und die Lage im Raum exakt bestimmen.

Ausgehend von dieser Theorie befasst sich in der Abteilung Biorobotique des Institut des Sciences du Mouvement der Université Méditerranée Marseille unter der Leitung von Nicolas Franceschini eine Gruppe von Forschern mit der Frage, wie Insekten auf der alleinigen Basis von Signalen der optischen Flussfelder navigieren ohne dass eine zusätzliche Distanz- oder Geschwindigkeitsmessung erforderlich ist. Mittlerweile haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass insgesamt drei optische Flugregulatoren für die unterschiedlichen Insektenflugmuster zuständig sind.

Die biologischen Kontrollmechanismen haben sie simuliert und in einen "optical flow regulator" übertragen. In zwei kleinen Typen von Flugrobotern- einem Mikrohubschrauber und einem Luftkissenfahrzeug – haben die Forscher ihre Erkenntnisse implementiert. Beide Roboter verhalten sich, nach Angaben der Wissenschaftler, ähnlich wie Insekten, wenn man sie in einer entsprechenden Umgebung platziert: sie können ganz ohne Abstandsmesser, Gyroskop und GPS auch bei Wind starten, landen und eine vorgegebene Höhe auch über rauem Terrain halten.

Auch die Forscher des Exzellenzclusters "Cognition for Technical Systems" (CoTeSys), zu dem sich im Raum München rund 100 Wissenschaftler und fünf Hochschulen und Forschungsinstitute zusammengefunden haben, nehmen Bezug auf die Theorie der "optischen Flussfelder". Ein Ziel des Projektes ist es, intelligente Maschinen zu konstruieren, die zu einer Kooperation mit dem Menschen fähig sind. Bislang haben die Forscher unter anderem einen kleinen Flugroboter entwickelt, der Fluglage und Bewegung durch visuelle Analyse im Computer nach dem Vorbild der Fliegengehirne kontrolliert.

Ein neueres interdisziplinäres Projekt, das den Titel "Insects inspire robots", trägt und das im vergangenen Jahr unter der Leitung von Dorothea Eisenhardt im Rahmen des "Nationalen Bernstein Netzwerkes Computational Neurosciences" gestartet ist, besteht gar in dem Versuch, auf Basis neuronaler Netze, ein Bienengehirn nachzubauen. Ziel der an dem Projekt beteiligten Biologen, Informatiker und Robotiker ist es, innerhalb von sechs Arbeitsgruppen, davon vier an der Freien Universität (FU) Berlin und je eine an den Universitäten Würzburg und Freiburg, einen Roboter zu entwickeln, der ähnlich wie ein Insekt lernt, erinnert und entscheidet. (bsc)