Von Motten und Hightech-Heuschrecken

Viele Insektenarten haben darüber hinaus ein ausgezeichnetes räumliches Gedächtnis. Besonders soziale Sechsfüßer wie Bienen und Ameisen sind ähnlich gute Navigatoren wie Säugetiere. Die kleinen Tiere prägen sich dafür signifikante Wegmarken ihrer Umgebung ein. Gemeinsam mit Entfernungs- und Kompassinformationen gelingt ihnen so die Bestimmung der eigenen Position sowie der Entfernung und Richtung des Nests. Solche Fähigkeiten werden als Pfadintegration bezeichnet: Insekten erstellen sogenannte kognitive Karten, also die Vorstellung eines Raums oder dreidimensional logischer Zusammenhänge. Dabei werden Verbindungen oft vereinfacht abgebildet. Menschen zeichnen mental etwa einen gebogenen Weg als gerade ein. Wie Insekten Abkürzungen abbilden, ist noch nicht bekannt. Verarbeitet werden diese komplexen Informationen jedenfalls im Navigationszentrum des Insektengehirns, dem Zentralkomplex. Diese Hirnregion ist für die sensorische Integration und die Bewegungsplanung zuständig. Die genaue Einschätzung der zurückgelegten Distanz ist insbesondere für fliegende Tiere eine große Herausforderung, da sie sich dabei auf den sogenannten „optischen Fluss“ stützen müssen – dieser beschreibt die Abfolge der optischen Eindrücke vor dem Auge während der Fortbewegung.

Cyborg-Kakerlaken

Solches Insekten-Know-how birgt Lösungsansätze für neue Technologien. Forscherteams aus Japan und Singapur nutzen die Fähigkeiten der Insekten für die Entwicklung von Cyborg-Hybriden: Sie statten die Tiere mit winzigen elektronischen Steuerungen aus. „Der Bau eines funktionierenden Roboters im kleinen Maßstab ist schwierig“, erklärt Mochammad Ariyanto vom Department of Mechanical Engineering an der University of Osaka. Wesentlich einfacher sei es, Insekten mit Hightech aufzurüsten, diese könnten ihr Ziel mit weniger Kraft und Aufwand erreichen. Kakerlaken und Käfer bewegen sich meist auf dem Boden und überkrabbeln Hindernisse. Das mache sie besonders geeignet für Search-and-Rescue-Missionen und Einsätze in der Katastrophenhilfe. Darum arbeitet Ariyanto seit über fünf Jahren mit Kakerlaken. „Madagaskar-Fauchschaben sind unglaublich robust!“, meint der Mechatronik- und Robotik-Experte. „Im Verhältnis zu ihrer Größe haben sie eine hohe Tragfähigkeit. Dazu kommt ihr ‚Wandfolge-Instinkt‘, der sie ideal für die Navigation in komplexen, engen Umgebungen macht, in denen Roboter meist versagen.“

Die bis zu fünf Zentimeter großen Kakerlaken tragen problemlos einen 1,5 bis 2 Gramm schweren „Rucksack“ voller Elektronik, inklusive Batterie und Bluetooth-Modul. „Unseren Schaben implantieren wir Elektroden in die Antennen, manchmal auch in die Hinterleibsanhänge (Cerci).“ Gesteuert wird mit Niederfrequenzimpulsen von 50 Hertz, die physische Hindernisse simulieren: „Beim Impuls an der linken Antenne ‚spürt‘ die Kakerlake ein Phantomhindernis und dreht sich ausweichend nach rechts und umgekehrt. Für die Vorwärtsbewegung stimulieren wir die Cerci.“ Diese neuromuskuläre Stimulation nutzt also die natürlichen Reflexe des Insekts.

„Mit einem verhaltensbasierten Steuerungsalgorithmus kann das Insekt auch autonom loslaufen. Wenn Miniatur-Infrarot- und andere Sensoren im Rucksack reale Hindernisse erkennen, entscheidet der Algorithmus, welche Elektrode stimuliert werden muss, um das Insekt vom Hindernis weg und zum Ziel zu lenken“, erklärt Ariyanto. „2025 konnten wir die Schaben-Navigation durch ein verhaltensbasiertes Navigationssystem mit zwei unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden verbessern – eines für einfachere und eines für schwierigere Umgebungen.“ Eine einfache Umgebung wäre der ebene Boden eines intakten Gebäudes, während etwa dreidimensionale Trümmerlandschaften wesentlich schwieriger sind. Aber mit dem verhaltensbasierten Navigationssystem könnten die Kakerlaken gesteuert oder autonom auch in zerstörten Gebäuden nach Überlebenden suchen und dabei auch in schmale Lücken und über instabile Trümmer kraxeln. Mit sechs Beinen sind sie geländegängig, und wenn sie umkippen, richten sie sich schnell wieder auf.

Wissenschaftler aus Singapur simulieren mittels Algorithmen, wie Kakerlaken im Schwarm navigieren. Dabei folgen viele Cyborg-Insekten einem Anführer. — © NTU Singapore

Ein weiterer Ansatz der Arbeitsgruppe ist, die elektrischen Steuerungsimpulse durch UV-Lichtblitze zu ersetzen. Kakerlaken vermeiden Licht und drehen sich dann davon weg. Zur Wahrnehmung der UV-Lichtsignale tragen die Schaben winzige Helme, wie Ariyanto und sein Team im Mai 2025 in der Fachzeitschrift Advanced Intelligent Systems schreiben.

Solarzellen am Hinterleib

Der Auslöser zur Entwicklung von Technologien für Rettungskakerlaken war für Hirotaka Sato das schwere Tohoku-Erdbeben 2011 mit über 18.000 Toten. Neben anderen Gimmicks hat Satos Laborteam an der Nanyang Technological University Singapore für die Schaben eine besondere Energieversorgung entwickelt: ultraweiche und ultradünne Solarzellen für den Hinterleib. So ausgerüstet, wurden die Cyber-Kakerlaken im März 2025 nach dem schweren Erdbeben der Stärke 7,7 in Myanmar mit über 3.000 Toten erstmals eingesetzt. Auch das Rettungsteam aus Singapur war mit zehn Insekten-Roboter-Hybriden dabei, um Verunglückten schnell zu helfen. Mit Infrarotkameras und Sensoren suchten die sechsbeinigen Helfer etwa in einem eingestürzten Krankenhaus nach Überlebenden. Sie halfen also bei der Erkundung von Bereichen, die für Menschen oder Hundeteams schwer zugänglich waren.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Cyber-Kakerlaken könnte die Inspektion von Pipelines sein. Auch in engen, unterirdischen Rohrleitungen sind die Sechsbeiner mobiler, flexibler, ausdauernder und können schwerere Lasten schleppen als ähnlich kleine Miniroboter. Mit einer Mikrokamera ermöglichen sie den menschlichen Inspekteuren den Blick in die engen Röhren zur Überprüfung von Verbindungsstellen oder zum Finden von Lecks.

Auch wenn Cyborg-Insekten Robotern überlegen sind, ist ihre Tragfähigkeit aufgrund der geringen Körpergröße begrenzt. Das könnte man durch den Einsatz eines Schwarms kompensieren. Die Koordinierung eines solchen Schwarms ist allerdings eine große Herausforderung, da die Insekten individuell unterschiedlich auf Steuerungsimpulse reagieren. Also hat das Team um Hirotaka Sato einen Schwarmnavigationsalgorithmus entwickelt. Dabei setzen sie auf ein Leitinsekt, dessen Kontrollrucksack sich mit den Rucksäcken der anderen Insekten koordiniert und den Schwarm so anführt. Der von den Wissenschaftlern entwickelte Algorithmus gibt lediglich die Richtung zum Ziel vor. Die einzelnen „Mitläufer-Schaben“ orientieren sich zwar an der Chef-Schabe und dem Zielpunkt, suchen aber jeweils autonom mit ihren Insekteninstinkten auch in schwierigem Gelände den besten Weg zum Ziel, auch Hindernisse überwinden sie individuell. Fällt ein Mitläufer aus oder zögert, laufen die anderen an ihm vorbei. Damit kommen genügend Schwarmmitglieder schnell zum Ziel, um gemeinsam ihre Aufgabe zu erledigen.

Die Cyborg-Kakerlaken von Mochammad Ariyanto werden bei Katastrophen in unwegsamen Gebieten eingesetzt. — © Mochammad Ariyanto

Die kollektive Wahrnehmung und Entscheidungsfindung innerhalb einer sozialen Tiergruppe wird als Schwarmintelligenz bezeichnet. Dies sorgt – ob in Insektenschwärmen oder Huftierherden – für dynamische Prozesse. Beginnend mit dem Sammeln von Informationen, führt es über gegenseitige Interaktionen zu Entscheidungen auch in unübersichtlichen, veränderlichen Umgebungen. Während Huftiere die Schwarmintelligenz etwa zur Vermeidung von Raubtieren nutzen, können Cyborg-Insekten so mit wenig Energieaufwand auch komplexere Probleme bewältigen. Wegen ihrer Energie- und Zeiteffizienz dienen solche dezentralen Entscheidungsfindungen in Tierschwärmen als Vorbilder für die Koordination von Drohnenschwärmen, autonomen Automobilen und anderen technischen Anwendungen.

Insektoide Roboter zur Bestäubung

US-amerikanische Arbeitsgruppen wie die von Kevin Chen am Massachusetts Institute of Technology setzen statt auf Insekten-Robotik-Hybriden auf insektoide Miniroboter. Einer davon hüpft wie eine Heuschrecke besonders energiesparend auch über größere Hindernisse und ist ideal für Search-and-Rescue-Missionen. Eine kleine Flugdrohne hingegen ahmt Bienen nach und soll sogar deren Arbeit als Blütenbefruchterinnen erledigen können.

Die riesigen Plantagen in den USA sorgen für Milliardenumsätze, die Ernten sind allerdings abhängig vom Vorhandensein der Bestäuber-Insekten. Durch das weltweite Insektensterben vor allem als Folge des starken Pestizideinsatzes sind in den USA manche Bienenbestände bereits um bis zu 43 Prozent zurückgegangen. Drohnenschwärme könnten sie teilweise ersetzen. Mit einem neu entwickelten Design und der Konstruktion künstlicher Flügelmuskulatur sind die winzigen Maschinen ihren Vorbildern, den unermüdlichen Insekten, zumindest einen Schritt nähergekommen. Die Minidrohnen müssen wie echte Bestäuber Blüten auf der Basis von Farben und Formen erkennen und mit den winzigen, fragilen Pflanzenorganen punktgenau interagieren. Die Bestäubung fragiler Blüten ist also eine große Herausforderung für Roboter. Mit diesen technischen Fortschritten wollen die Erfinder und Landwirte zukünftig sogar Pflanzungen in Hallen ermöglichen, die die Pflanzen vor Extremwitterung wie Trockenheit oder Starkregen und die Umwelt vor Pestiziden schützen könnten. So geben die über Jahrmillionen perfektionierten besonderen Sinne und Navigationsfähigkeiten der Insekten wichtige Impulse für aktuelle technische Anwendungen – ob auf dem Boden oder in der Luft. ■

Insektenhirne als Vorbilder für autonome Fahrzeuge

Pfadintegration ist die Verknüpfung von Sinneseindrücken und ihre Verarbeitung im Gehirn während der Bewegung. Viele Lebewesen merken sich Entfernungs- und Richtungsänderungen und die Aktualisierung der eigenen Position im Raum. Die zielgenaue Rückkehr zum Ausgangspunkt etwa bedingt komplexe neurale Vorgänge und läuft bei Menschen und vielen Tieren weitgehend automatisiert ab. Bei den kleineren und einfacher gebauten Insektenhirnen ist dies viel einfacher zu untersuchen als in Wirbeltierhirnen. Die neuronalen Funktionen des Nervensystems beruhen auf elektrischen Signalen – genau wie Maschinensprachen. So sind Insekten perfekte Modellorganismen für technologische Anwendungen: Die Home-Coming-Funktion einer Ameise und die Vermeidung von Zusammenstößen im Sechsbeiner-Gewusel hilft zum Beispiel bei der Navigation von selbstfahrenden Vehikeln. Nicht nur im irdischen Straßenverkehr, sondern vielleicht sogar auf dem Mars. Die ESA nutzt diese Funktionen für die Entwicklung von Space Rovern. Ein in Bremen entwickelter Roboter für außerirdische Einsätze mit sechs Beinen statt Rädern heißt sogar ANT (Englisch für „Ameise“ und kurz für Autonomous Non-Wheeled All-Terrain Rover). Die Zielstrebigkeit und Effizienz einer Ameisen-Infrastruktur sind also das perfekte Vorbild für die Pfadintegration in neuen Technologien.