Von der Fledermausblume zur Sonarnavigation für autonome Fahrzeuge

Erfolgreiches "Experiment!": Forscherteam entwickelt effiziente Roboter-Navigation, inspiriert von Blumenfledermäusen und Fledermauspflanzen 

Fledermaus und Blume
Manche Fledermausarten ernähren sich von Blütennektar. Deswegen haben einige fledermausbestäubte Pflanzen spezielle Blütenteile entwickelt, damit Fledermäuse sie besser finden. (Bild: Ralph Simon/Vrije Universiteit Amsterdam)

Für autonome Roboter und selbstfahrende Autos sind sie unerlässlich: Navigationssysteme, die mit Sonarsensoren arbeiten, also Gegenstände mittels ausgesandter Schallimpulse orten können. Die Sensoren sind preiswert, energieeffizient und liefern in der Regel sehr genaue Messungen. "Allerdings haben sie auch einige Einschränkungen", sagt Prof. Dr. Stefan J. Rupitsch. "Ihre Messungen können mehrdeutig sein, und das kann beispielsweise zu verwirrenden Situationen für einen autonomen Roboter führen." Bislang gab es zudem keine speziellen Sonarschilder, -zeichen oder -signale, die diese Form der Navigation unterstützen konnten. 

In einem von der Volkswagen Stiftung im Rahmen der Förderiniative "Experiment!" finanzierten Projekt an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbeiteten der Ingenieur Rupitsch und der Biologe und Fledermausforscher Dr. Ralph Simon zusammen mit Forschern der Universität Antwerpen und der Freien Universität Amsterdam an einer Lösung dieses Problems. Inspiration fanden die beiden bei einer interessanten Symbiose von Fledermäusen und Blütenpflanzen.

Echolokation und Fledermausblüten

Oben: Blumenfledermaus beim Anflug an eine Mucuna Blüte, Unten: Künstlicher Fledermauskopf eines Roboters
Oben: Blumenfledermaus beim Anflug an eine Blüte, deren speziell geformtes Blütenblatt die Ultraschallrufe reflektiert. Unten: Künstliche Sonarsystem eines Roboters, der durch das Echo von bioinspirierten Sonarreflektoren geleitet wird. (Fotos: Ralph Simon/Vrije Universiteit Amsterdam)

"Fledermäuse navigieren über die Echoortung, auch Biosonar genannt", erklärt Dr. Simon "Sie können Objekte lokalisieren, indem sie hochfrequente Töne aussenden und die Echos erfassen, die von ihrer Umgebung reflektiert werden. Das ist eine geniale Art, die Welt akustisch wahrzunehmen und Fledermäuse können damit in völliger Dunkelheit hervorragend navigieren. Aber manchmal wird es schwierig, zum Beispiel, wenn sich ein Objekt, beispielsweise eine Nahrungsquelle, in der Nähe von Vegetation befindet. Denn dann vermischt sich das Signal des Objektes mit dem der Vegetation. Und doch gibt es sogar Fledermausarten, die sich von Blütennektar ernähren, also müssen sie offensichtlich fähig sein, Blüten direkt vor oder sogar in der Vegetation zu finden."

Die Evolution hat eine hervorragende Lösung dafür gefunden: Einige südamerikanische Pflanzen, die von Fledermäusen bestäubt werden, haben spezielle Blütenteile entwickelt, die als Sonarreflektoren fungieren. Somit heben sich die Blüten akustisch von der Umgebung hervor und werden so von den Fledermäusen leichter gefunden.

Künstliche Reflektoren

Das Forscherteam hatte die Idee, auf Basis dieser akustisch reflektierenden Blumenteile künstliche Sonarreflektoren zu entwickeln, die autonome Roboter und fahrerlose Autos durch unbekannte Umgebungen führen. Die Forscher entwarfen spezielle, Fledermäusen nachempfundene Sonarsysteme und floral inspirierte Sonarreflektoren. "Wir waren erstaunt, wie zuverlässig diese Reflektoren selbst in unübersichtlicher Umgebung erkannt werden", sagt Dr. Simon. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass diese künstlichen Reflektoren die Navigationseffizienz eines sonargesteuerten Robotersystems erheblich verbessern können. Sie waren sogar in der Lage, verschiedene Ansteuerbefehle für einen autonomen Roboter mithilfe unterschiedlicher Reflektorformen zu übertragen, was die Reflektoren zu perfekten Sonarverkehrszeichen macht.

"Bioinspirierte Sonarschilder können sehr effiziente Werkzeuge sein, die Türen für neue Anwendungen von Sonarsensoren öffnen und für eine zuverlässige Navigation von autonomen Fahrzeugen sorgen können", fasst Prof. Rupitsch zusammen. Die Projektergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Hintergrund: Die Förderinitiative "Experiment!"

Mit ihrer Förderinitiative "Experiment! – Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen" unterstützt die VolkswagenStiftung grundlegend neue Forschungsvorhaben mit ungewissem Ausgang in der Startphase. Das Angebot richtet sich an Forscherinnen und Forscher aus den Natur-, Ingenieur-, und Lebenswissenschaften (einschließlich unmittelbar benachbarter Disziplinen aus den Verhaltenswissenschaften), die eine radikal neue und riskante Forschungsidee austesten möchten.