Falter in der Virtual Reality

Die Navigation dieser Falter zu erforschen ist schwierig. Sie in freier Wildbahn im Flug zu beobachten und zu verfolgen, ist nur begrenzt möglich. Deshalb haben sich Forschende spannende Alternativen ausgedacht. Im Keller des Max-Planck-Instituts auf dem Gelände der Universität in Konstanz forscht ein kleines Team an einem einmaligen System: einer künstlichen Realität oder Virtual Reality (VR) für Insekten. In einer simulierten Welt können sich die Totenkopfschwärmer frei bewegen – unter genauester Beobachtung der Wissenschaftler. So erhofft sich das Team in der Abteilung für Kollektivverhalten von Ian Couzin Erkenntnisse über die individuelle Routenplanung der Falter. Sind die Sterne wichtig für die Navigation der nachtaktiven Fluginsekten? Folgen sie doch eher einzelnen Tälern und Flussläufen? Peilen sie eine grobe Himmelsrichtung an und halten sich dann einfach links oder rechts von markanten Gebirgszügen? Die Gruppe hat bereits einige Hinweise zur Beantwortung dieser Fragen. Bisher stand allerdings der methodische Teil, also die technische Umsetzung, im Vordergrund. Inzwischen sind große Hürden dabei genommen.

Simulation von natürlichem Flugverhalten

Nick Schöffski ist Masterstudent der Universität Tübingen und arbeitet in Konstanz an seiner Abschlussarbeit. Er steht zwischen Kabeln, Computern, Regalen und Rollwagen im besagten Kellerraum des Max-Planck-Instituts. Beim Rundgang gestikuliert er begeistert mit der einen Hand, während er in der anderen ein Totenkopfschwärmer-Weibchen hält. Die Experimente führt er mit lebenden Tieren durch. Der Falter in Schöffskis Hand ist allerdings tot und dient als Anschauungsobjekt. So kann er sich Zeit nehmen, um das Tier zu beschreiben. Vorsichtig klappt er die Flügel aus. Der Falter ist fünf Zentimeter lang. Die für ein Insekt stattliche Größe helfe bei der weiten Migration. „Die Wanderung der Totenkopfschwärmer ist irrsinnig lang“, sagt Schöffski. „Wir wissen noch nicht genau, weshalb die Tiere so weite Strecken zurücklegen. Vermutlich, um Konkurrenz zu entgehen und besseren klimatischen Bedingungen zu folgen.“

Nick Schöffski verkabelt am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie in Konstanz VR-Boxen. Die Arbeitsgruppe in der Abteilung für Kollektivverhalten hat den Versuchsaufbau selbst konzipiert. — © Patrick Vetter

Auf dem Rücken des Insekts ist eine wenige Millimeter breite kahle Stelle. Die hat der Wissenschaftler vorsichtig freirasiert, um eine winzige Halterung aus Plastik aufzukleben. Daran werden die einzelnen Individuen in dem VR-System befestigt. Das Tier hängt während der Versuchsphasen am Ende einer Nadel mitten in einem rund 30 Zentimeter großen Würfel. Fixiert im Mittelpunkt der Box, können die Totenkopfschwärmer ihre Flügel und Extremitäten frei bewegen. Außen schauen zahlreiche Kabel aus dem Würfel. Innen ist er ausgekleidet mit LED-Panels. Auf diesen Panels erscheint das Abbild einer virtuellen Welt, das dem Falter den freien Flug in einer natürlichen Umgebung suggerieren soll. „Natürlich gibt es in der Simulation viele Unterschiede zur Realität. Einige technische Elemente wie zum Beispiel eine Infrarotkamera sind ständig im Blickfeld der Falter. Trotzdem reichen die Reize dafür aus, dass sich die Tiere zielgerichtet in der VR bewegen“, erklärt Schöffski.

Die Totenkopfschwärmer steuern selbstständig durch die virtuellen Welten. Alles, was es dafür brauche, sei ein kräftiger Flügelschlag. Schlägt der rechte Flügel stärker als der linke, dreht sich die ganze Welt aus Perspektive des Insekts nach links und umgekehrt. Das wird möglich durch eine Hochgeschwindigkeitskamera, die die Flügelbewegungen aufnimmt und in Echtzeit in eine Reaktion des VR-Programms übersetzt. „Die Falter sind nachts auf Wanderung. Deshalb beleuchten wir das Tier nur mit Infrarotlicht, das sie nicht wahrnehmen“, führt Schöffski durch das Set-up. Die Konstanzer Forschenden bewegen sich mit dieser realitätsnahen VR für Insekten auf methodischem Neuland. Seitdem alles funktioniert, gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten.

Zunächst versuchten es Schöffski und der Entwickler des Systems Pavan Kaushik mit kürzeren Flügen. Sie dokumentierten, wie die Totenkopfschwärmer gezielt Bäume und dunkle Verstecke ansteuerten, wenn es in der VR zu hell ist. Anschließend konnten die Tiere auf den ersten Langzeitflügen getestet werden. „Die Schwärmer fliegen auch in der VR tatsächlich bis zu acht Stunden durch“, berichtet Schöffski. Dabei entlassen die Forschenden die Falter direkt bei Konstanz in die virtuelle Freiheit. Die Tiere flattern eine ganze Nacht über die digitale Nachbildung der Alpen, bevor sie tagsüber zur Erholung zurück in ihre Netzkäfige kommen. In zukünftigen Experimenten sollen sie ihre Reise dann in der folgenden Nacht an derselben Stelle fortsetzen. Die nächtliche Simulation des Wandergebiets haben die Forschenden in einem Programm für Videospiele aus Satellitenkarten und bestehenden Sternenkarten zusammengebastelt. Noch haben die Nachtfalter nicht genügend Flugstunden gesammelt. Bald sollen aber belastbare Daten vorliegen, die mit Beobachtungen aus der Natur verglichen werden können.

Parallel zu den Versuchen im Labor versehen die Verhaltensbiologen Falter für die Feldforschung mit winzigen GPS-Sendern. — © Christian Ziegler / Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie

VR in Kombination mit Feldforschung

Um die Erkenntnisse aus der Insekten-VR in einen ökologischen Zusammenhang stellen und Aussagen über die Biologie der Totenkopfschwärmer treffen zu können, arbeiten Kaushik und Schöffski mit Edward Hurme zusammen. Hurme besendert in der Abteilung für Tierwanderung am MPI verschiedene Arten – unter anderem Totenkopfschwärmer vor ihrer Reise über die Alpen. Er und sein Team sammeln Daten während der Migration einzelner Tiere. Auch hierfür wird neueste Technik eingesetzt. Die riesigen Falter sind stark genug, um Miniatursender zu tragen. Die übermitteln in regelmäßigen Abständen ihre Positionen. Solche Sender erleichtern die Arbeit der Freilandbiologen ungemein. Noch 2022 veröffentlichte sein Kollege Martin Wikelski eine Studie, für die er einzelne besenderte Falter nachts mit einem Ultraleichtflugzeug verfolgen musste. Heute warten die Biologen entspannt im Labor auf GPS-Punkte. Erste Ergebnisse zeigen: Einige Tiere überqueren innerhalb einer Nacht die Alpen. Andere Tiere kommen weniger weit. Ein Falter machte es sich in der direkten Umgebung des Instituts in Konstanz in einem Bienenstock in einer Gartenanlage bequem und blieb dort, bis die Forschenden ihn wieder einsammelten.

Die Kombination der Methoden ist wichtig: In der Natur reagieren die Totenkopfschwärmer auf unzählige Reize. In der Falter-VR können vorrangig visuelle Impulse für die Navigation getestet werden. Außerdem simuliert Luft aus einem kleinen Röhrchen Wind, der das Flugverhalten und die Migrationsstrategien der Falter maßgeblich beeinflusse. Doch das reicht natürlich nicht aus. „Auch das Erdmagnetfeld könnte eine wichtige Rolle spielen“, erklärt Schöffski. In Konstanz kontrolliert er solche möglichen Effekte, indem die Tiere generell in Migrationsrichtung nach Süden ausgerichtet werden.

So zeichnen die Forschenden ein immer genaueres Bild, wie Insekten durch den Raum navigieren. Die Erkenntnisse aus der Arbeit mit den Totenkopfschwärmern lassen sich auf andere Arten übertragen. Aus der Erforschung dieses Nachtfalters können Forschende also viel Allgemeines ableiten. Dieses Wissen wird in Zukunft helfen, umsichtige und wirksame Artenschutzmaßnahmen umzusetzen und eine moderne Städteplanung auch an Wandergewohnheiten von Insekten anzupassen.

Die Forschenden rekonstruieren mithilfe der GPS-Daten die Flugrouten der Totenkopfschwärmer von Konstanz in die Alpen. — © Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie

Die Orientierung von Ameisen

Doch es geht noch kleinräumiger: Wie Insekten, und speziell Hautflügler, in noch kleinerem Maßstab um Hindernisse wie Äste und Steine navigieren, wollen die Forschenden in Konstanz von Ameisen lernen. Auch die staatenbildenden Krabbler werden in eine künstliche Realität entlassen. Sie sitzen dabei in ähnlichen Würfeln wie die Totenkopfschwärmer. Allerdings bewegen sie sich auf einer Styroporkugel, die auf einem Luftkissen rotieren kann. Kameras werten die Rotation der Kugel aus und rechnen sie in Fortbewegung im virtuellen Raum um.

Über die Orientierung der Krabbler ist so wenig bekannt, dass sich die Wissenschaftler am MPI mit sehr grundlegenden Fragen beschäftigen. Zum Beispiel: Wenn eine Ameise mehrere Objekte in ihrer Umgebung wahrnimmt und unterschiedlichen Reizen ausgesetzt ist, wie entscheidet sie sich, welche Richtung sie einschlägt? Je unterschiedlicher die Richtung und je weiter entfernt die Reize, desto eher muss das Tier eine klare Entscheidung treffen und seine Erkundungstour auf eine Richtung beschränken. Die Forschenden am MPI in Konstanz nutzen Experimente in der VR, um diesen Entscheidungsprozess besser zu verstehen. Es erscheint wunderlich, dass Insekten mit ihren beschränkten Möglichkeiten durch eine komplexe, sich wandelnde Umwelt navigieren können. Beobachtungsstudien, Verhaltensexperimente sowie genetische und neurobiologische Studien verdichten unser Bild davon, wie Insekten es trotzdem schaffen – der geringen Rechenleistung zum Trotz. Mehrere Hundert Millionen Jahre Evolution haben ressourcenschonende Lösungen hervorgebracht. Diese zu erforschen, ist nicht einfach nur interessant, sondern könnte von hohem technischem Nutzen sein. Selbst mit deutlich komplexeren Computern schaffen wir es bisher nur leidlich, Roboter und autonome Systeme zu entwickeln, die selbstständig und unfallfrei durch ihre Umwelt steuern.

Mit Blick auf die Forschung an Insekten zeigt sich: Lösungen auf diesem Feld müssen nicht immer mit einer höheren Rechenleistung einhergehen. Den Ingenieurswissenschaften könnte stattdessen durch Erkenntnisse der Verhaltensbiologen geholfen werden. Hierbei lassen sich die Forscher von Insekten inspirieren – den Meistern auf diesem Gebiet. ■

Die Wissenschaftler im Team um Iain Couzin untersuchen auch an Ameisen, wie Insekten im Raum navigieren. — © Patrick Vetter

Der Totenkopfschwärmer

Merkmale: Der Totenkopfschwärmer ist eine Nachtfalterart und einer der größten Schmetterlinge, die in Europa vorkommen. Vor allem die Weibchen können Spannweiten von über zwölf Zentimetern erreichen. Auf dem Rückenpanzer weisen die Tiere eine totenkopfähnliche Zeichnung auf, die ihnen den Namen einbrachte. In Bedrängnis stoßen die Schwärmer laute Pfeifgeräusche aus.

Ernährung: Die Falter haben eine außergewöhnliche Ernährungsweise. Sie dringen in Stöcke der Honigbiene ein und saugen Honig aus den Waben. Sie sind gegen das Bienengift weitestgehend immun, überdecken ihren Geruch aber trotzdem chemisch, um im Bienenstock unerkannt zu bleiben. Die Raupen fressen hauptsächlich Nachtschattengewächse. Deshalb wurde der Totenkopfschwärmer lange als Plage auf Kartoffelfeldern bekämpft.

Verbreitung und Wanderung: In Afrika und kleinen Gebieten im Süden Europas kommen die Totenkopfschwärmer ganzjährig vor. Nach Mitteleuropa wandern die Tiere ein und legen dafür weite Strecken im Flug zurück. Die ersten Falter erreichen Europa ab Mai. Die Zahl der Tiere, die nach Norden fliegen, variiert sehr stark von Jahr zu Jahr.