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Biomimikry: Vorbild Bienenschwarm

24.11.2016

Bienenschwarm

Foto: Sabine Rübensaat

Bienenschwarm im Baum: Forscher schauen sein Verhalten ab und möchten es Robotern "beibringen".

Ein Bienenschwarm besteht aus tausenden Individuen und bildet dennoch ein Ganzes. Er fliegt mit klarem Ziel umher, ohne Verzögerung oder Stocken. Das Verhalten von Schwärmen dient Forschern als Vorbild für den Verkehr der Zukunft.

Irgendwann soll es so sein, dass der Verkehr von selbstfahrenden Autos bestimmt wird - bestenfalls fahren diese nicht mehr mit Benzin und Diesel, sondern elektrisch. Doch damit das funktionieren kann, müssen die Fahrzeuge richtig programmiert sein. Sie müssen sich an Verkehrsregeln halten, sollen miteinander kommunizieren und auch Energie austauschen können. Und dabei soll es möglichst nicht zum Stau kommen.

Ein gut abgestimmter Verkehr bewegt sich in Wellen vorwärts. Jedes Auto fährt für sich und dennoch im Fluss gemeinsam mit anderen. Das zu gewährleisten, ist eine der Herausforderungen, vor denen derzeit die Programmierer stehen, die die Software dafür und für andere Prozesse unseres zukünftigen Alltags schreiben sollen.

Schwarmverhalten ins Digitale übersetzen

Die Forschung nimmt sich deshalb den Bienenschwarm zu Vorbild und versucht das Verhalten der einzelnen Bienen und des ganzen Schwarm ins Digitale zu übersetzen. An der Freien Universität Berlin sollen Roboter den Bienentanz lernen und Kameradrohnen begleiten aus- und einfliegende Bienen in einem Bienenstock.

Der Informatiker Tim Landgraf möchte von den Bienen lernen und daraus neue Systeme entwickeln, die uns im Alltag helfen, effizienter, bequemer und nachhaltiger zu agieren. Die Methode heißt Biomimikry. Im Unterschied zur sogenannten Bionik nimmt sie sich nicht einzelne Strukturen, Teile oder Individuen der Natur zum Vorbild, sondern ganze Systeme - so auch ein ganzes Bienenvolk. Doch wie funktioniert sie genau? Wir haben ihn befragt.

dbj: Herr Landgraf, lässt sich das Verhalten von Bienen und sogar eines ganzen Bienenschwarms so einfach abschauen und auf Maschinen übertragen?

Landgraf: Wir können viel vom Verhalten der Bienen lernen und wir versuchen einzelne Muster abzuschauen und zu übernehmen. Bienen - und auch andere Tiere in Schwärmen wie Vögel oder Fische - handeln als Individuen, aber orientieren sich natürlich an ihren Nachbarn. Sie schaffen es so, als Ganzes zu agieren. Wenn etwa ein Vogel außen am Rand eines Schwarms fliegt und einem Hindernis ausweicht, gibt es eine Kettenreaktion und die anderen weichen auch aus. Das kann man sich bildlich auch im Straßenverkehr vorstellen. Bei den Bienen betreiben wir gerade sehr viel Grundlagenforschung, denn es sind oft die nicht ganz so offensichtlichen Mechanismen, die spannend sind. Die Übertragung von der Natur auf die Maschine folgt dann später.

dbj: Wie genau läuft die Forschung ab?

Landgraf: Wir haben hier bei uns an der Uni jedes Jahr zwischen Juli und September ein Beobachtungsvolk aufgestellt - klassisch mit zwei Plexiglasscheiben an den Seiten zum Durchschauen. An diesem schauen wir uns an, wie einzelne Bienen sich verhalten und wie sie gemeinsam mit den anderen interagieren. Dazu markieren wir die Bienen direkt, nachdem sie geschlüpft sind, denn dann wissen wir auch genau, wie alt sie sind. Wir wollen verstehen, welche Informationen von außen in den Stock getragen werden und was die Bienen damit machen. So beobachten wir auch den Bienentanz und versuchen Schlüsse daraus zu ziehen, die sich später übertragen lassen.

dbj: Warum Bienen?

Landgraf: Bienen sind einerseits sehr schlau als Individuum. Sie lernen schnell und sehr komplexe Sachverhalte, was wichtig in der Navigation bei der Futtersuche ist. In der Kolonie hat jede Biene ihre eigene Aufgabe und ist Teil des großen Ganzen. Wie eine Zelle unseres Körpers, tut sie, was sie tut und macht das in Abhängigkeit und im Austausch mit anderen Bienen so gut, dass der "Körper" fantastische kollektive Leistungen vollbringt. Das macht sie so interessant als Vorbild für viele Prozesse in der menschlichen Gesellschaft.

dbj: Für was für Prozesse zum Beispiel?

Landgraf: Der Straßenverkehr ist ein gutes Beispiel, auch wenn er nur ein Anwendungsgebiet von vielen darstellt. Sammelbienen können z.B., wenn sie hungrig, ohne Nektar zum Stock zurückfliegen von anderen Bienen Futter erbetteln und sich den Gang in den Bienenstock sparen. Damit sparen sie auch Zeit und Energie und tanken quasi im Vorbeifliegen auf. Das könnte der elektrische Verkehr der Zukunft auch, wenn Autos nicht mehr nur an der heimischen Tankstelle aufgeladen werden, sondern unterwegs Strom von anderen bekommen - verschiedene kabellose Ladetechniken gibt es ja schon. Derjenige, der dann Strom abgibt, könnte dafür finanziell belohnt werden. Laden zuhause wird günstiger sein, als unterwegs. Da die Autos ja einerseits miteinander kommunizieren, erkennen sie auch das gegenseitige Energielevel und wissen, von wem sie Energie bekommen können. Selbstfahrende Autos könnten auf den täglichen Wegen eine Art virtuelle Ladekabel darstellen. Der Fahrer müsste nie mehr ans Laden denken - das Auto wäre, wie durch Wunderhand, immer fahrbereit.

dbj: Gibt es noch andere angedachte Einsatzfelder außer den Verkehr?

Landgraf: Viele Bereiche sind denkbar. Im Verkehr zum Beispiel wären ein verteilte Rechnen oder das Teilen und Zusammenführen von Sensorinformationen denkbar. Die zentrale Kontrolle zukünftiger Automassen könnte teilweise durch lokale Mechanismen, also eine reine Kommunikation untereinander erweitert werden, um eine höhere Ausfallsicherheit zu erreichen. Bei den Bienen haben wir ein reichhaltiges Modellsystem, mit zahlreichen möglichen Anwendungen und hier sind gerade erst am Anfang unserer Forschung.

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