Wie kann ein Heringsschwarm plötzlich die Richtung ändern, um einem angreifenden Schwertwal auszuweichen? Ferngesteuerte Roboterfische sind diesem Geheimnis auf der Spur.
Berlin - Auf den ersten Blick sieht der Insasse des Aquariums aus wie ein gewöhnlicher Guppy: Ein kleiner, beigefarbener Fisch mit hellem Bauch und großen, runden Augen. Allerdings ist sein Körper mit einer Art Stiel auf einer kleinen Platte befestigt. Und dieses Detail entlarvt den Wasserbewohner als Kunstwerk aus Menschenhand. Denn der Fuß ist über einen Magneten mit einem fahrbaren Roboter unterhalb des Wasserbeckens verbunden. „Der funktioniert im Prinzip wie ein ferngesteuertes Auto“, sagt David Bierbach, der an der Humboldt-Universität und am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Berlin forscht.
Er und seine Kollegen nutzen diesen „Robofisch“, um den Geheimnissen des Schwarmverhaltens auf den Grund zu gehen. Wie können zum Beispiel die Mitglieder eines Fischschwarms ihre Bewegungen so perfekt koordinieren, dass es selbst bei abrupten Richtungswechseln keine Kollisionen gibt? Solche Fragen lassen sich am besten beantworten, wenn man einen technischen Spion in einen Schwarm einschleust. Der Roboter hat dabei den unschätzbaren Vorteil, dass die Forscher über eine Computersoftware jede seiner Bewegungen kontrollieren können. „Wir sehen dann, wie die lebenden Fische darauf reagieren, und können so unsere Theorien zum Schwarmverhalten überprüfen“, erklärt David Bierbach.
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Damit das klappt, müssen die echten Tiere den Neuling in ihrer Mitte allerdings auch akzeptieren. Das zu erreichen, hat die Schöpfer des Robofischs einige Tüftelei gekostet. Ein Team aus Biologen des IGB, Roboteringenieuren der Freien Universität und Physikern der Humboldt-Universität zu Berlin arbeitet seit zehn Jahren an dem Projekt und hat den kleinen Forschungshelfer mit der Zeit immer weiter verbessert. So wurde rasch klar, dass Guppys bei ihren Gefährten durchaus auf Äußerlichkeiten achten. Deshalb ähnelt der Gummifisch in Form und Farbgebung den lebenden Vorbildern – und kann problemlos ausgetauscht werden, wenn man andere Fischarten untersuchen will.
Noch besser werden die technischen Spione akzeptiert, seit die Forscher ihnen Glasaugen aufgeklebt haben, wie man sie sonst für Teddybären verwendet. Zudem ist auch eine möglichst naturgetreue Bewegung wichtig. Und dann gilt es, individuelle Eigenarten der Fische zu berücksichtigen. „Scheueren Tieren sollte sich der Roboter langsamer nähern“, erläutert der Berliner Forscher.
Für die neueste Generation des Robofischs ist das kein Problem mehr. Die Forscher können ihn entweder über einen Joystick steuern. Oder sie geben per Computer bestimmte Regeln vor, nach denen er sich bewegen soll. Die Befehle werden über WLAN übertragen. Dann wird der Schwarmspion sogar interaktiv und kann auf die Fische in Echtzeit reagieren.
Dank dieser ausgefeilten Technik sind inzwischen etliche neue Details aus der Schwarmwelt ans Licht gekommen. So haben Experimente mit Kunstfischen gezeigt, dass Guppys größeren Artgenossen deutlich lieber folgen als kleineren – und das unabhängig vom Verhalten der Anführer. Das könnte damit zusammenhängen, dass bei Fischen die Größe auf ein höheres Alter und damit auf mehr Erfahrung hindeuten kann. Auch ein hohes Schwimmtempo ist von Vorteil, wenn man die Gruppe anführen will.
Allerdings genügt es nicht, wenn einer vorweg schwimmt und alle anderen folgen. „Dadurch bewegt sich ein Schwarm noch nicht wirklich synchron“, sagt David Bierbach. Abrupte Richtungswechsel zum Beispiel können eigentlich nicht funktionieren, wenn jeder nur auf das Verhalten seiner Mitschwimmer reagiert. Einer Theorie zufolge sollten die Tiere vielmehr vorhersehen können, was ihre Artgenossen gleich vorhaben. Genau das will das Berliner Team demnächst testen: Werden die Guppys lernen, dass ihr technischer Anführer alle fünf Sekunden links abbiegt und das dann in vorauseilendem Gehorsam genauso machen?
Die Ergebnisse sind nicht nur für Biologen interessant. Innerhalb des Projekts „Science of Intelligence“ der TU Berlin und der Humboldt-Universität beschäftigen sich David Bierbach und seine Kollegen auch mit Fragen der kollektiven Intelligenz: Wie lassen sich die Bewegungen von selbstfahrenden Autos so koordinieren, dass der Verkehr möglichst sicher und effektiv fließt? Wie können Schwärme von Robotern oder Drohnen gemeinsam Probleme lösen? Und kann man Roboter konstruieren, die eigenständig Entscheidungen treffen und beispielsweise von der Feuerwehr in gefährlichen Situationen eingesetzt werden könnten? „Eventuell kann das alles nach ähnlichen Prinzipien funktionieren, wie sie die Natur in Tierschwärmen perfektioniert hat“, hofft Bierbach. Voraussetzung sei, diese Regeln erst einmal genau zu verstehen. Da hat der Spion im Guppy-Kleid noch einiges zu tun.
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Am Boden, auf dem Wasser und in der Luft: Insektenroboter
Insekten
Kakerlaken haben schon das Vorbild für mehrere Roboter geliefert. Eine von der University of California in Berkeley entwickelte Version erinnert ein wenig an ein rennendes Stück Blech: Die Kunstschabe hat die Dimensionen einer großen Briefmarke und kommt mit zwanzig Körperlängen pro Sekunde beinahe so schnell voran wie ihr echtes Pendant. Sie kann durch Röhren krabbeln, Abhänge erklimmen oder kleine Lasten wie eine Erdnuss tragen. Und während andere kleine Roboter meist sehr zerbrechlich sind, trotzt sie Gewichten von 60 Kilogramm.
Wasserläufer
Sie können die Oberflächenspannung nicht nur ausnutzen, um auf Seen und Tümpeln herumzulaufen. Sie schaffen es sogar, sich mit den Beinen vom Wasser abzustoßen und in die Luft zu springen. Dieses Talent haben Fachleute der Nationaluniversität Seoul und der Harvard-Universität auf einen zwei Zentimeter langen Roboter mit dünnen Beinen übertragen, der von Wasserflächen bis zu 14 Zentimeter in die Höhe hüpfen kann.
Bienen
Fliegen und Bienen hat sich ein Team der Harvard University zum Vorbild genommen, um winzige Flugroboter zu entwickeln. Diese „Robo-Bees“ haben eine Flügelspannweite von drei Zentimetern und ein Gewicht von 80 Milligramm und können 120-mal pro Sekunde mit den Flügeln schlagen. Mögliche Einsatzgebiete sehen die Forscher im Umweltmonitoring, bei Such- und Rettungsaktionen oder bei der Bestäubung von Pflanzen.
