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Optischer Fluss: Wie können fliegende Insekten oben und unten unterscheiden?

Fluginsekten können die Richtung der Schwerkraft bestimmen, obwohl sie über keine Beschleunigungssensoren verfügen. Ein Team hat eine Theorie entwickelt, die das erklären könnte.
Fliegende Biene an einer Blüte
Während Drohnen normalerweise Beschleunigungsmesser verwenden, um die Richtung der Schwerkraft abzuschätzen, war die Art und Weise, wie Fluginsekten das tun, bisher ein Rätsel.

Regelmäßig schauen sich Forscherinnen und Forscher bei der Natur ab, wie diese bestimmte Probleme löst. Bioniker – ein Kunstwort aus Biologie und Technik – haben bereits Ortungssysteme wie das von Delfinen nachgebaut oder die Widerhaken der Klette kopiert und daraus den Klettverschluss entwickelt. Schon Leonardo da Vinci ließ sich für seine Fluggeräte von Vögeln inspirieren. Warum aber sollte das nicht auch umgekehrt funktionieren? Können technische Lösungen tiefere Einblicke in ungelöste biologische Phänomene geben?

Ein Team von der Technischen Universität Delft, dem französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und der Universität Aix-Marseille hat nun gezeigt, dass Drohnen die Richtung der Schwerkraft abschätzen können, indem ihre Sensoren die Bewegungen um sie herum optisch erfassen und mit einer Modellierung der eigenen Bewegung, also einer Vorhersage, wie sie sich bewegen werden, kombinieren. Diese Ergebnisse, die die Forscher im Fachmagazin »Nature« veröffentlicht haben, sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg hin zur Entwicklung winziger autonomer Drohnen. Zudem lässt sich so möglicherweise erklären, auf welche Weise fliegende Insekten oben und unten voneinander unterscheiden. Das zeigt, wie die Synergie zwischen Robotik und Biologie zu technologischen Fortschritten und neuen biologischen Forschungsansätzen führen kann.

Während Drohnen normalerweise Beschleunigungsmesser verwenden, um die Richtung der Schwerkraft abzuschätzen, war die Art und Weise, wie Fluginsekten dies tun, bisher ein Rätsel, da sie keinen spezifischen Beschleunigungssinn haben. Die Wissenschaftler untersuchten daher den optischen Fluss, das heißt die Art und Weise, wie ein Individuum Bewegungen im Verhältnis zu seiner Umgebung wahrnimmt. Es handelt sich um den visuellen Eindruck, der über unsere Netzhaut läuft, wenn wir uns bewegen. Sitzen wir zum Beispiel in einem Zug, ziehen die Bäume neben den Gleisen schneller vorbei als die weiter entfernten Berge. Der optische Fluss allein reicht jedoch für ein Insekt nicht aus, um die Richtung der Schwerkraft zu erkennen. Das Forscherteam entdeckte daraufhin, dass die Kombination des optischen Flusses mit einer Vorhersage der Bewegung es sehr wohl möglich macht, ein Gefühl für die Schwerkraft zu entwickeln.

Die Experimente der Forscher mit fliegenden Robotern zeigen, dass dieses Prinzip zu einer stabilen, aber leicht oszillierenden Lageregelung führt. Die Schwingungen erinnern nach Aussage der Wissenschaftler tatsächlich stark an den Flug von Insekten. Die Vermutung zu überprüfen, könnte sich allerdings als schwierig erweisen, da sie Gehirnprozesse betrifft, die während des Fluges eines Tiers schwer zu überwachen sind. »Diese Hypothese kann zwar theoretisch erklären, wie fliegende Insekten die Schwerkraft bestimmen, aber wir brauchen noch die Bestätigung aus dem biologischen Experiment, dass sie diesen Mechanismus tatsächlich nutzen«, sagten die Forscher laut einer Mitteilung der beteiligten Institute.

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