Von der Fledermausblume zur Sonarnavigation

Sonarsysteme sind für Roboter und selbst­fahrende Autos unerläss­lich, da sie sehr kosten­günstige Sensoren für Abstands­messungen sind. Doch manchmal sind die erziel­baren Mess­ergeb­nisse irre­führend und bisher gab es auch keine Sonar­zeichen, -schilder oder -signale, die die Navigation unter­stützen können. Nun hat ein Forschungs­team der Uni Erlangen-Nürnberg gemeinsam mit Wissen­schaftlern der Univer­sitäten in Antwerpen und Amsterdam eine Lösung gefunden, die durch eine spezielle Koevolution zwischen Fleder­mäusen und Blumen inspiriert wurde

„Fledermäuse navigieren über die Echoortung, auch Biosonar genannt“, erklärt Ralph Simon von der Uni Amsterdam. „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 Objekts 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.

Das Forschungsteam 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 Simon. Das Forschungs­team konnte 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 Jan Steckel von der Uni Antwerpen zusammen.

FAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  R. Simon et al.: Bioinspired sonar reflectors as guiding beacons for autonomous navigation, Proc. Natl. Acad. Scie. U.S.A., online 6. Januar 2020; DOI: 10.1073/pnas.1909890117
• Dept. Ecological Science, Vrije Universiteit Amsterdam, Niederlande
• CoSys-Lab, Applied Engineering, University of Antwerp, Antwerpen, Belgien
• Sensorik (S. Rupitsch), Dept. Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg