Ohne Zweifel – Langusten sind eine Delikatesse. Doch auf dem Fischmarkt am Pier 33 in San Francisco prüfen am frühen Morgen nicht nur Küchenchefs den nächtlichen Fang von der Küste Südkaliforniens. Man trifft dort auch Wissenschaftler, die sich für die fein behaarten Fühler zwischen den beiden Stielaugen auf dem Kopf der dunkelroten Krustentiere interessieren. Diese sensiblen „Nasen” gehören zu den empfindlichsten Schnüffelorganen im Ozean.
Langusten sind scheue Kreaturen. Tagsüber verstecken sie sich, oft in Gruppen von mehreren Tieren, in geschützten Felsgrotten und Höhlen an Klippen oder Korallenriffen. Erst nach Einbruch der Dämmerung wagen sich die stacheligen und gepanzerten Riesenkrebse aus ihrem sicheren Hort und jagen nach Beute. In der Dunkelheit der Nacht verlassen sie sich ganz auf ihre beiden behaarten Geruchsfühler, die sie durch die Duftwelt kleiner Fische, Muscheln und Seegras führen. In einem regelmäßigen Rhythmus schwingen die beiden Riechfühler auf und ab und weisen den Tieren dabei den Weg zu ihrer Mahlzeit.
Bereits vor mehr als 20 Jahren untersuchten Neurobiologen die Riechfähigkeiten von Langusten. Messungen der elektrischen Aktivität im Riechzentrum des walnussgroßen Gehirns der Tiere zeigten ein rhythmisches Muster im Gleichtakt mit den Schwingbewegungen der Fühler. Doch erst neue Forschungen erklären, wie die Langusten-Riechfühler den Geruch eines Fisches erspüren und dessen Ort und Entfernung ermitteln.
Die Untersuchungen an den beiden kalifornischen Universitäten Berkeley und Stanford sind Teil eines mehrere Millionen Dollar teuren Großprojekts, das von der Navy – den US-amerikanischen Seestreitkräften – finanziell gefördert wird. Ziel der Wissenschaftler ist die Entwicklung eines effizienten Unterwasser-Roboters, der in küstennahen Meereszonen verborgene Minen aufspüren und entschärfen kann. Dazu soll der Roboter die Minen anhand der Geruchsstoffe erschnüffeln, die der darin enthaltene Sprengstoff absondert. Die Langusten dienen dabei als Vorbild. Ingenieure und Biologen haben den Auftrag, das über Jahrmillionen durch die Evolution perfektionierte Design der Meerestiere für eine neuartige Roboter-Bauform abzukupfern.
„Wenn man Roboter bauen will, die giftigen Müll oder Sprengstoff aufspüren sollen, muss man zuerst künstliche Nasen für sie konstruieren”, sagt Prof. Mimi Koehl von der University of California in Berkeley. „Die meisten Biomechaniker entwickeln Turnschuhe oder künstliche Kniegelenke – aber wir sind in der Biologie gelandet und untersuchen nichtmenschliche Organismen”, kommentiert die Wissenschaftlerin.
Genauso wie Aerodynamiker die Luftströmung über den Tragflügeln eines Flugzeugs oder eines Formel-1-Boliden studieren, beobachtet Koehl in unzähligen Experimenten die Strömung von Wasser um die Riechfühler der Langusten. Jeder der beiden Fühler ist etwa fünf Zentimeter lang und spaltet sich in eine Y-förmige Struktur mit zwei spitzen Enden – „haarigen kleinen Beinchen”.
Durchs Mikroskop wird eine zickzack-förmige Reihe kleiner Haarbüschel sichtbar, die einer Mini-Zahnbürste gleichen. Jedes der feinen Härchen funktioniert wie eine kleine Nase. Bedeckt mit etwa 300 geruchsempfindlichen Nervenzellen detektiert es die von anderen Meeresbewohnern abgegebenen Geruchsstoffe – wie Zucker, Aminosäuren, Harnstoff oder Peptide. Entlang den Kanten dieser „ Riechbürste” reihen sich Haare, die etwa fünfmal dicker und stämmiger sind als die feinen inneren Riechhaare. Im Mikroskopbild wirken sie wie eine Allee mächtiger Bäume. Sie bilden ein Sieb, das den Zugang der Aromastoffe zu den Riechhärchen regelt. Biologen nennen sie deshalb Wächterhaare.
„Um die Physik des Riechens zu verstehen, muss man die Strömung von Duftstoffen entlang der Wächterhaare studieren”, sagt Koehl. In ihrem Labor zeigt sie das 300fach vergrößerte Plastikmodell eines Fühlers mit Riech- und Wächterhaaren. Jedes Wächterhaar ist etwa fünf Zentimeter lang und so dick wie ein Finger. Koehl hat das Modell auf ein motorisiertes Vehikel montiert, das sie in einem drei Meter langen Glastank mit verschiedenen Geschwindigkeiten entlang einer Schiene bewegt.
Statt in Meerwasser ist das Modell in einen dickflüssigen Zuckersirup getaucht, um die physikalischen Verhältnisse zwischen dem Modell und der Flüssigkeit den realen Verhältnissen anzugleichen. Im Sirup gelöst schwimmen kleine rote Kügelchen, die sich in der künstlichen Strömung wie Duftmoleküle verhalten.
Die Experimente erklären die ungleichen Schwingbewegungen der Riechfühler. Während der schnellen Abwärtsbewegungen funktionieren die Fühler wie ein Sieb, das die Geruchssstoffe zu den Dufthärchen passieren lässt. Bei der langsameren Aufwärtsbewegung arbeiten die Fühler wie kleine Fangnetze, die die zuvor gefangenen Geruchsstoffe zurückhalten.
Langusten ertasten mit ihren auf und ab wippenden Fühlern jeweils nur einen kleinen Ausschnitt der unsichtbaren Duftwolke im Meerwasser, der aber offenbar genügt, um Distanz und Richtung der Geruchsquelle zu bestimmen. Doch wie präzise die Langusten diese Informationen gewinnen und verarbeiten, verraten Koehls Modellstudien nicht.
Deshalb arbeitet die Biomechanikerin mit dem Umweltingenieur Prof. Jeff Koseff von der Stanford University zusammen. In seinem Labor steht eine Strömungskammer, die sich für Untersuchungen an echten Langustenfühlern eignet. Gemeinsam haben die beiden Forscher eine Technik entwickelt, die sie sehen lässt, was Langusten riechen. Da sich die Arbeit mit lebendigen Langusten als zu aufwändig erwiesen hat, haben sie einen alten Langustenpanzer mit Kunststoff gefüllt und darin zwei kleine Motoren zur Bewegung der haarigen Riechfühler eingebaut. Für ihr Experiment platzieren sie den Panzer am einen Ende der Strömungskammer, am anderen Ende stellen sie eine kleine Düse auf, aus der ein mit bloßem Auge nicht sichtbares Gemisch aus einem Farbstoff und Geruchsssubstanzen herausströmt. Auf der Höhe der Fühler installieren die beiden Forscher einen „Vorhang” aus Laserlicht, der die durchströmenden Farbmoleküle sichtbar macht.
Der Laserschnitt durch die Duftfahne offenbart ein verwirbeltes Muster von feinen Fäden aus Aromastoffen, die aussehen wie Ölschlieren auf einer Wasseroberfläche. Die Experimente zeigen, wie während der schnellen Abwärtsbewegung die Geruchsfäden durch die Fühler eingefangen werden. Dabei bleibt die Gestalt der Geruchsfäden für etwa eine Zehntelsekunde erhalten. Dieser kurze Moment genügt den Rezeptoren auf den Riechhärchen, um die Geruchsmoleküle zu analysieren und diese Information ans Gehirn weiterzuleiten.
Koehl und Koseff planen eine Zusammenarbeit mit dem Neurobiologen und Hummerforscher Prof. Barry Ache von der University of Florida, bei der sie ihre Laserstudien mit einer gleichzeitigen Messung von Nervensignalen im Gehirn der Langusten kombinieren wollen. Sie erhoffen sich davon, die Verarbeitung der Geruchsinformationen vom Fühler bis ins Langustengehirn im Detail zu verstehen – eine entscheidende Voraussetzung für die Konstruktion einer wirkungsvollen Fühlernase für Unterwasser-Roboter.
Doch Roboter, die unter Wasser selbstständig nach gefährlichen Strandminen oder Müllfässern mit giftigem Inhalt fahnden sollen, brauchen nicht nur hochsensible Riechorgane, sondern auch ein gehöriges Maß an Intelligenz. Wissenschaftler an anderen Forschungsinstituten arbeiten daher an der Programmierung eines Roboter-Gehirns, das Geruchsquellen zielstrebig findet, aber auch felsigen Hindernissen am Meeresgrund ausweichen kann. Zwei Forschungsprojekte an der Ostküste der USA verfolgen dieses Ziel. Als biologisches Vorbild dient den Forschern der dort heimische Amerikanische Hummer – ein enger Verwandter der Langusten.
Am Marine Biological Institute auf Cape Cod im US-Bundesstaat Massachusetts – einer renommierten meeresbiologischen Forschungsstätte – basteln der Neurobiologe Prof. Frank Grasso und sein Ingenieur-Team an einem Roboter, der das Verhalten von Hummern in einer Duftwolke imitieren kann. „RoboLobster” nennt er seine Kreatur, die jedoch einem Hummer auf den ersten Blick kaum gleicht. Denn der Roboter besitzt weder die imposanten Scheren, noch die beweglichen acht Beine, die für den Meereskrabbler charakteristisch sind. Doch das zweirädrige, zylinderförmige Fahrzeug von etwa 30 Zentimeter Länge spürt einen Geruch genauso auf wie sein lebendes Vorbild. Ausgestattet mit zwei primitiven Riechsensoren, einem Lagemessinstrument und einem batteriebetriebenen Computer für seine Steuerung fährt das Roboterfahrzeug sofort zu zerquetschtem Fisch hin, wenn es dessen Geruch auffängt.
Grasso hat das Verhalten von RoboLobster in vielen Experimenten dem des Hummers angepasst. Dazu setzte er Hummer wie Roboter einem muffigen Stück Tintenfisch aus und verglich die Bewegungsstrategien der beiden. Schritt für Schritt verbesserte der Forscher so die Steuerung des Roboters, bis der mit denselben Bewegungen wie der Hummer auf den Fischköder losstürmte.
Grasso hat seinen RoboLobster im Januar zum ersten Mal im natürlichen Lebensraum der Hummer am Meeresgrund ausgesetzt. Drei Meter unter der Meeresoberfläche legten Froschmänner zuvor eine Teststrecke mit Linoleumplatten aus, um zu verhindern, dass der Roboter an Felsen oder anderen Hindernissen hängen blieb. Eskortiert von Froschmännern setzte Grasso seinen wertvollen Roboter auf den Boden und ließ ihn in der natürlichen Strömung losrollen. Der RoboLobster meisterte seine Aufgabe mit Bravour: Sobald die Duftwolke seine Riechsensoren erreichte, drehte er sich in ihre Richtung und näherte sich zielstrebig der Geruchsquelle. Für Grasso war dies einer der aufregendsten Momente seiner wissenschaftlichen Karriere: „Ich habe mich wie Indiana Jones gefühlt”, schmunzelt er.
Andere Forscher arbeiten an der technischen Konstruktion eines Roboters, der sich wie ein Hummer mit acht Beinen fortbewegt. In fünf Jahren Arbeit haben der Neurobiologe und Ingenieur Prof. Joe Ayers und sein Team von der Northeastern University in Boston einen Hummer aus Titan konstruiert. Mit seinen dünnen gelenkigen Beinen, den beiden ovalen Frontplatten in der Form von Hummerscheren, einem lang gezogenen Rumpf und einer Größe von 50 Zentimetern besitzt dieses Vehikel alle wichtigen anatomischen Eigenschaften eines Hummers. Ayers hat seinen Roboter mit diesen Merkmalen ausgestattet, damit sich der Achtbeiner stabil über den holprigen Meeresboden fortbewegen kann. Sein langer Schwanz und die beiden Vorderplatten stabilisieren ihn auch bei kräftiger Strömung.
Bei der Entwicklung des elektronischen Robotergehirns konnte Ayers auf rund 20-jährigen Forschungsarbeiten aufbauen. Mithilfe feiner Elektroden hatte er schon vor zwei Jahrzehnten jene 40 Gehirnzellen charakterisiert, die alle Bewegungen eines Hummers steuern. Für den Roboter hat Ayers auf der Basis dieser Messungen ein Computermodell entworfen, das seine künstlichen Beine auf ähnliche Weise steuern kann. „Wirklich einzigartig ist die Fähigkeit des Roboters, seinen Gang von einem Schritt zum nächsten zu ändern”, sagt Ayers. Das künstliche Schalentier besitzt eine für Roboter bisher nicht gekannte Anpassungsfähigkeit ans Gelände. Mithilfe von Berührungssensoren in den Scherenplatten und am Schwanz sowie Abstandssensoren am Kopf findet sich die metallene Kreatur selbstständig in der felsigen Unterwasserwelt zurecht. Im Sommer 2001 hatten Ayers und sein Team die zweite Generation von Hummer-Robotern fertig gestellt. Die Kunsttiere können ohne Verbindungskabel mehrere Stunden lang batteriebetrieben am Meeresgrund herumkrabbeln. Per Ultraschall von der Wasseroberfläche vermitteln die Forscher den Robotern Kommandos und Ziele.
Aber für den Einsatz als Minensucher haben die Roboter immer noch ein entscheidendes Manko: Ihnen fehlt ein Sensor für Sprengstoff. Doch Ayers ist optimistisch: „Wenn die Navy Grassos RoboLobster mit unserem Roboter und den neuen Erkenntnissen von Koehl und Koseff kombinieren würde, hätte sie ihr Ziel erreicht.” Die Navy will einen Roboter, der Minen in einer 30 Meter breiten Zone entlang einer Küste aufspüren und entschärfen kann. „Wir denken, dass der Hummer-Roboter ein ideales Suchgerät in der felsigen und unüberschaubaren Küstenzone ist”, sagt Joel Davis, Forschungskoordinator am Büro für Naval Research, einer Forschungsbehörde der US-Seestreitkräfte.
Ausgerüstet mit Kamera und Sprengstoff soll der Hummer-Roboter in Zukunft selbstständig Unterwasserzonen absuchen, die durch Ultraschallsignale aussendende Bojen begrenzt sind. Trifft der Roboter auf ein verdächtiges Objekt, soll er ein Bild davon an einen Soldaten in einer Kommandozentrale an Land übermitteln. Der entscheidet, ob er den Sprengstoff des Hummer-Roboters scharf macht, um die Mine detonieren zu lassen. Leider bleibt der Roboter bei diesem Attentat mit auf der Strecke. Obwohl ein Roboter schätzungsweise 300 Dollar kostet, hält ihn das Militär für ein preisgünstiges Werkzeug, um Minen vor Küsten zu entschärfen, an denen Militäroperationen stattfinden sollen.
Ayers geht es unterdessen um die biologischen Aspekte seines Roboterdesigns. Genau wie Grasso plant er, seinen Roboter in den natürlichen Lebensräumen des Hummers auf Tour zu schicken. Irgendwann, so hofft er, werden die Roboter gar in die Grotten und Höhlen ihrer natürlichen Gefährten eindringen. „Letztlich”, sinniert Joe Ayers verschmitzt, „wird unser Roboter fähig sein, alle Dinge zu tun, die ein richtiger Hummer auch tut – außer Sex.”
Kompakt
• In Laborexperimenten an Modellen und echten Langustenfühlern untersuchen amerikanische Forscher, wie das Riechen unter Wasser funktioniert.
• Wissenschaftler haben einen künstlichen Hummer entwickelt, der eine Geruchsquelle am Meeresgrund sicher ortet und ansteuert.
• Roboter imitieren den Geruchssinn, das Verhalten und die Fortbewegung der Krustentiere. In Kamikaze-Einsätzen sollen sie auf Minenjagd am Grund seichter Küstengewässer gehen.
Dr. Christian Heuss
