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Biologie

Mit Heuschrecken ins Kino für technische Zwecke

Wanderheuschrecken als Vorbild.
Wanderheuschrecken als Vorbild.(c) Uni Graz
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Weil Wanderheuschrecken zuverlässig drohenden Kollisionen ausweichen, dienen ihr Sehsystem und ihre Neuronen als Vorlage für Sensoren: Diese können selbstständig Ausweichmanöver bei Drohnen einleiten.

Bis zu zehn Millionen Individuen fliegen gemeinsam über das Land, jedes einzelne Tier weicht rechtzeitig aus, wenn Kollisionen drohen. Die Rede ist von Wanderheuschrecken, die derzeit in Ostafrika halbe Landstriche leer fressen. Dass man diese Kulturschädlinge auch sinnvoll einsetzen kann, zeigt das Team um Manfred Hartbauer von der Uni Graz. Die Zoologen forschen am faszinierenden Sehsystem der Heuschrecken: In ihrem Gehirn gibt es spezielle Nervenzellen, die bei drohenden Kollisionen aktiv werden.

„Diese Kollisionsdetektor-Neuronen bekommen Informationen von mehreren Tausend anderen Nervenzellen: Sie erkennen, wenn ein Umriss in ihrer visuellen Szene schnell größer wird, also sich ein Objekt nähert“, erklärt Hartbauer, der bereits ein pflanzliches Bekämpfungsmittel gegen die Schädlinge entwickelt hat. Nun setzen die Zoologen die Heuschrecken ins Kino: Wie in einem Imax werden auf gekrümmten Monitoren Fast-Rundumaufnahmen von Drohnen abgespielt, die in brenzlige Situationen geraten. Zugleich leiten Elektroden die Aktivität der Kollisionsdetektor-Neuronen ab, sodass das Verhalten der Insektengehirne technisch verarbeitet werden kann. „Weil diese Neuronen der Wanderheuschrecken seit Jahrzehnten bekannt sind, gibt es bereits technische Umsetzungen, aber nur für kleine Spielzeug-Roboter. Wir wollen dies erstmals in Drohnen einsetzen: Der Algorithmus aus den Heuschrecken-Neuronen ist nicht sehr rechenaufwendig“, sagt Hartbauer. Die Software, die das Verhalten der Heuschrecken nachahmt, entwickelte Hartbauer bereits in einem Vorgängerprojekt der Forschungsförderungsgesellschaft FFG, nun soll im Projekt BioKollAvoid ein Kollisionssensor für Drohnen entstehen, der kostengünstig, energiesparend und zuverlässig Ausweichmanöver selbstständig durchführt.

Mit speziellen Minikameras können die Forscher über 100 Bilder pro Sekunde aufnehmen: Menschen nutzen für ein bewegtes Sehen nur 25 Bilder pro Sekunde, Heuschrecken erkennen Bewegungen aber mit über 100 Bildern pro Sekunde. Die Informationen aus dem Heuschrecken-Hirn werden mit den Projektpartnern am FH Joanneum in FPGA-Chips implementiert, die bei komplexen logischen Verknüpfungen in der Digitaltechnik üblich sind. „Die Sensoren erkennen ein drohendes Kollisionsrisiko und geben sofort einen Ausweichvektor an, also die Richtung zur Vermeidung des Zusammenstoßes“, sagt Hartbauer.

 

Virtuelle Welten für die Tests

Dann geht es mit den Chips und den Drohnen in das „Dave“ des Fraunhofer Instituts an der TU Graz, das virtuelle Welten erschaffen kann. An allen Wänden, am Boden und der Decke werden visuelle Szenen projiziert: für die von Heuschrecken inspirierten Sensoren sogar mit 100 Bildern pro Sekunde. „Wir gehen zuerst in die virtuelle Umgebung, damit wir nicht haufenweise Drohnen schreddern“, so Hartbauer. Mit der Grazer Firma Drone Rescue Systems, die ein Patent auf Drohnenfallschirme hat, soll dann das finale Produkt entstehen: eine Drohne, die bei einer drohenden Kollision autonom ausweicht und selbstständig erkennt, wann Ausweichen nicht mehr möglich ist – und dann den Fallschirm auslöst.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 29.02.2020)