Fliegenforschung für bessere Roboter

Wissenschaftler erforschen, wie das Gehirn einer Fliege Bilder verarbeitet

Münchner Wissenschaftler haben einer Fliege ins Gehirn geschaut, um herauszufinden, wie sie Bilder wahrnimmt. Sie hoffen, mit Hilfe ihrer Forschungsergebnisse bessere Bildverarbeitungssysteme für Roboter entwickeln zu können.

Die Evolution hat über Jahrmillionen in den verschiedensten Bereichen überaus effiziente Lösungen hervorgebracht. Wissenschaftler machen sich diese gern zunutze, wie etwa die zwei Wissenschaftler aus den USA, die einen Roboter nach dem Vorbild einer Fledermaus entwickelt haben. Wissenschaftler des Münchner Exzellenzclusters "Cognition for Technical Systems" (CoTeSys) haben sich der Schmeißfliege angenommen. Sie wollen sich von dem Insekt, das uns Menschen meist lästig fällt, die schnelle Verarbeitung von Bildern abschauen.

Eine Schmeißfliege hat ein Gehirn von der Größe eine Stecknadelkopfes - für die Bildauswertung reichen der Fliege 60 Nervenzellen pro Gehirnhälfte. Dennoch ist dieses Gehirn sehr leistungsfähig. So nimmt das Insekt in der Sekunde 100 Bilder als einzelne Sinneseindrücke wahr - zum Vergleich: Das menschliche Gehirn kann knapp über 20 Bilder pro Sekunde verarbeiten. Danach werden aus Einzelbildern Bewegungsabläufe. Die Fliege schafft es jedoch, die vielen Bilder zu verarbeiten und entsprechend ihre Flugmanöver zu steuern: in der Luft stehen, genau landen oder in Sekundenbruchteilen der Fliegenklatsche ausweichen.

Vektorfelder der verschiedenen Bildelemente für eine Schmeißfliege im Flug. Drehungen werden durch indirekte Verschaltungen von zwei Nervenzellen wahrgenommen. (Foto: MPI Neurobiologie)

Effiziente Bildverarbeitung

Dieser effizienten Informationsverarbeitung sind die Forscher um den Neurobiologen Alexander Borst auf den Grund gegangen. Dazu haben sie einen Flugsimulator für Insekten gebaut: Die Fliege wird an einer Halterung befestigt und bekommt Elektroden in ihr Gehirn eingesetzt. Vor ihr befindet sich ein halbrundes Display aus LED, auf dem Muster und Bewegungen angezeigt werden, die einen Flug simulieren sollen.

Dabei fanden die Forscher heraus, dass das Fliegenhirn Bilder ganz anders verarbeit als das menschliche Gehirn. Bewegungen im Raum erzeugen sogenannte "optische Flussfelder". Fliegt das Insekt beispielsweise geradeaus, fließen Gegenstände seitlich vorbei. Fliegt es hingegen auf einen Gegenstand zu, vergrößert dieser sich.

Aus Geschwindigkeit und Richtung der Bildpunkte erstellt das Gehirn ein Bild von Bewegungsvektoren, das Flussfeld. Die Flussfelder beider Augen werden dann von den sogenannten VS-Zellen zusammengeführt. Aus der Überlagerung der Bilder gewinnt die Fliege Informationen über ihre Position und ihre Bewegung.

Die Fliege als Vorbild für Roboter?

Die Wissenschaftler hoffen, dass die Erkenntnisse über die Bildverarbeitung der Fliege zu besseren Robotern führen werden. Eine effiziente Verarbeitung von Bildern ist etwas, mit dem Roboter heute immer noch Schwierigkeiten haben. Zwar liefern Kameras Bilder der Umwelt der Roboter. Doch deren Verarbeitung dauert immer noch recht lange. Zu lange etwa, um Menschen und Roboter gefahrlos gemeinsam in einem Raum agieren zu lassen. Hier könnten die Ergebnisse aus den Fliegenversuchen zu neuen Wegen führen.

Die bayrischen Wissenschaftler sind nicht die einzigen, die sich mit der Wahrnehmungsverarbeitung der Fliege beschäftigen: Im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler vom Los Alamos National Laboratory in den USA einen Aufsatz über ihre Forschungen an einer Fliege veröffentlicht.