Effektiv wie eine Fliege sehen lernen

Ein Team des Exzellenzclusters CITEC entwickelt ein künstliches Sehsystem

Ein Team des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) an der Universität Bielefeld erforscht das Sehsystem von Insekten. Diese verarbeiten Reize aus ihrer Umgebung sehr effektiv. Die Idee ist, ein künstliches System zu entwerfen, das mit wenig Rechenaufwand dasselbe Ziel erreicht.

Jinglin Li erforscht im Labor das Sehsystem von Fliegen. Aus diesem Modell entwickeln Ingenieure künstliche Sehsysteme. Insekten sind kleine Wunderwerke: Ihr gesamtes Nervensystem wiegt nur wenige Milligramm. Ihr Gehirn hat weniger als eine Million Neuronen ausgebildet. Und doch gelingt es ihnen, sich in einer komplexen Umgebung zu orientieren – während sie selbst sich auch noch schnell bewegen.

Künstliche, von Menschen gebaute Systeme schaffen es zwar grundsätzlich auch, diese Leistungen zu erbringen. Aber sie benötigen dafür deutlich mehr Energie als Insekten. Zudem ist ihr Rechenaufwand dafür deutlich höher, was ihre Reaktionen im Vergleich langsamer macht.
 
Ein Team am Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) an der Universität Bielefeld erforscht deshalb, ob und inwiefern sich das Sehsystem von Insekten künstlich nachbilden lässt. Daran beteiligt sind Forschende der Neurobiologie und Ingenieure.

Insekten nehmen ihre Umwelt anders wahr als Menschen

Die Ingenieure entwickeln ein künstliches Sehsystem – auf Grundlage von Modellen, die die Neurobiologen auf der Basis von Experimenten an Fliegen entwickeln. „Das Sehsystem von Insekten ist bis heute noch nicht abschließend erforscht“, sagt Daniel Klimeck. Er ist als Ingenieur am Projekt beteiligt.

Insekten nehmen die Umwelt – anders als Menschen – mit ihren großen Facettenaugen wahr, die aus vielen Elementen mit jeweils einem eigenen Linsensystem bestehen. „Dank ihrer Facettenaugen haben Fliegen nahezu Panoramasicht“, sagt Klimeck. Allerdings nehmen Insekten weniger räumliche Details wahr als ein Mensch.

Jedes einzelne der Sehelemente des Facettenauges leitet Helligkeitssignale weiter. Es gehen also im Gehirn zeitgleich sehr viele Informationen ein. Insekten fliegen schnell, also verändert sich laufend, was sie sehen. Trotzdem verarbeiten die Insekten diese Reize sehr effektiv. Die Tiere sind im Flug in der Lage, jederzeit ihren Kurs zu korrigieren, falls plötzlich ein Hindernis in der Flugbahn auftaucht, eine Fliegenklatsche auf sie niedersaust oder sie einen attraktiven Landeplatz entdecken.

Das Modell soll möglichst nah am biologischen Vorbild sein

Um das Sehsystem der Insekten zu erforschen, arbeiten die Wissenschaftler aus der Neurobiologie im Labor mit Schmeißfliegen (Calliphora vicina). Ihre neuronale Aktivität wird elektrophysiologisch analysiert. „Sie werden dazu vor einem künstlich erzeugten Flugfeld festgespannt, während die Neurobiologen die elektrischen Signale von Nervenzellen mit feinsten Mess-Sonden messen“, erklärt Klimeck.

Die Neurobiologen entwerfen auf dieser Basis ein Modell des biologischen Sehsystems. Damit beginnt die Arbeit der Ingenieure, die dieses Modell abstrahieren, es technisch interpretieren und entsprechende Schaltkreise entwerfen und testen. „Wir haben die Schaltkreise immer wieder modifiziert, wenn es neue Erkenntnisse aus der Neurobiologie gab“, sagt Klimeck. Die Forschenden der beiden in dem Projekt involvierten Arbeitsgruppen kommen regelmäßig zusammen, um ihre Beobachtungen und Ergebnisse auszutauschen.

Ziel des Projekts ist es, ein künstliches Sehsystem zu bauen, das Reize so effektiv wie möglich und ähnlich wie eine Fliege verarbeitet. Dieses Modell könnte später als Grundlage für verschiedene Panorama-Sehsysteme und für intelligente Bildsensoren dienen, erläutert Klimeck. „Das Sehsystem soll möglichst nah am biologischen Vorbild sein“, so der Ingenieur. Ein Beispiel dafür ist der ebenfalls am CITEC entwickelte Roboter Hector (www.cit-ec.de/en/embodied-interaction-core-cognitive-interaction), der sich durch sein Sehsystem in einer ihm fremden Umgebung orientieren kann.

Das Projekt gehört zu den stark interdisziplinären Projekten („Highly interdisciplinary projects“) des Exzellenzclusters CITEC. Dabei arbeiten gewöhnlich zwei Wissenschaftler (in diesem Projekt die Neurobiologin Jinglin Li und der Ingenieur Daniel Klimeck) zusammen. Sie bringen die Perspektive der eigenen Disziplin zur Lösung der gemeinsamen Forschungsfrage ein. Daneben gibt es am CITEC noch vier Großforschungsprojekte und fünf kleine, hochriskante Projekte. Darüber hinaus forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Graduiertenschule an individuellen Themen.

Weitere Informationen:
Forschungsgruppe „Kognitronik und Sensorik“: https://cit-ec.de/en/ks
Forschungsgruppe „Neurobiologie“:  http://web.biologie.uni-bielefeld.de/neurobiology/index.php/home

Kontakt:
Daniel Klimeck
Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC)
Telefon: 0521 106-67372
E-Mail: dklimeck@cit-ec.uni-bielefeld.de  

Autorin des Artikels: Maria Berentzen