Von Insekten lernen, heißt fliegen lernen
Mithilfe eines eigens entwickelten fliegenden Roboters haben Forscher herausgefunden, wie Insekten visuelle Informationen verarbeiten, um abzuheben, ihre Flughöhe beizubehalten und zu landen. Die Ergebnisse des Projekts, das unter dem Fünften Rahmenprogramm (RP5) der EU und vom französischen nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) gefördert wurde, wurden jetzt in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift "Current Biology" veröffentlicht. Insekten und andere flugfähige Lebewesen können ihre Flughöhe steuern - ganz ohne moderne Instrumente. Für dieses jüngste Forschungsprojekt haben die Wissenschaftler einen Mikro-Helikopter entwickelt, um ihre Hypothese zu verifizieren, dass Insekten anhand des sogenannten optischen Flusses (OF) Informationen über ihre Flughöhe sammeln. Wenn Insekten vorwärts fliegen, wird das Bild von der Erde unter ihnen mit einer Geschwindigkeit an ihr Sichtfeld übertragen, die umgekehrt proportional zu ihrer Flughöhe ist. Das heißt, bei niedriger Flughöhe scheint der Boden schneller vorbeizuziehen als aus größeren Höhen. Die Forscher stellten nun die Hypothese auf, dass Insekten über ein internes System verfügen, das den optischen Fluss steuert, indem es über eine Feedback-Schleife das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Flughöhe prüft. Ein genau solches System bauten sie in ihren Mikro-Helikopter ein. Das System führt dazu, dass das Insekt, wenn die Erde unter ihm scheinbar zu langsam vorbeizieht, die Flughöhe senkt, bis die laut OF-Steuerung optimale Geschwindigkeit erreicht ist. Zieht die Erde dagegen zu schnell vorbei, steigt das Insekt. Die Forscher fanden heraus, dass der Roboter viele der über die Jahre beobachteten Muster des Flugverhaltens der Insekten imitiert. Wenn zum Beispiel wandernde Schmetterlinge eine Schlucht überqueren müssen, dann fliegen sie nicht einfach darüber, sondern sie fliegen an einer Seite hinunter, überqueren die Schlucht am Fuß und fliegen dann an der anderen Seite wieder hoch. Ganz ähnlich verhalten sie sich, wenn sie ein Hindernis wie zum Beispiel einen Wald überwinden müssen: Ihre Flughöhe über den Bäumen ist dieselbe wie über dem unbewaldeten Terrain, das sie zuvor überflogen haben. Das OF-Modell erklärt auch, warum Insekten bei Gegenwind ihre Flughöhe reduzieren: Der Gegenwind verringert die Geschwindigkeit des Insekts, deshalb sinkt es so lange, bis die Erde unter ihm wieder in der - laut OF-Steuerung - richtigen Geschwindigkeit vorbeizieht. Im Umkehrschluss bedeutet Rückenwind, dass die Erde schneller vorbeizieht, folglich steigt das Insekt auf. Das System hat jedoch auch Schwächen. In den 1960er Jahren hat man herausgefunden, dass Bienen, die über eine spiegelglatte Wasseroberfläche fliegen, immer weiter sinken, bis sie schließlich ins Wasser stürzen. Bewegt sich die Wasseroberfläche, können sie problemlos die angemessene Flughöhe beibehalten. Die Wissenschaftler des neuen Forschungsprojekts erklären dieses Phänomen mit der Tatsache, dass eine bewegungslose Wasseroberfläche den Augen der Bienen keine visuellen Kontraste bietet, die der OF-Sensor verarbeiten kann. Das führt zu einem negativen Fehlersignal im System, das dem Insekt sagt, es müsse die Flughöhe verringern, was zu dem Absturz führt. "Eine ähnlich fatale Tendenz konnten wir in dem MH [Mikro-Helikopter] beobachten, als wir den Kontrast auf dem Boden aufhoben", schreiben die Forscher. Auch Start und Landung werden durch die OF-Steuerung unterstützt. Wenn beim Start die Nase des Helikopters nach unten gekippt wurde, beschleunigte er, was wiederum zu einem Aufstieg führte. Bei der Landung dagegen zeigte die Nase des Helikopters nach oben, was ihn verlangsamte und also auch zu einer Reduzierung der Flughöhe führte. "Unser Steuerungssystem erklärt, wie Insekten es schaffen, sicher und ohne die Instrumente zu fliegen, die in Flugzeugen für die Messung von Grundflughöhe, Grundgeschwindigkeit und Sinkfluggeschwindigkeit zur Verfügung stehen", so die Wissenschaftler. "Eine Steuerung des optischen Flusses ist recht einfach in Bezug auf ihre neurale Umsetzung und für Insekten so hilfreich wie sie es für Flugzeuge wäre."
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