Untersuchen, wie Tierschwärme auf Bedrohungen reagieren

Eine Herde Antilopen frisst friedlich auf einer Wiese. Plötzlich taucht ein Löwe auf und die Herde flieht. Aber wie schaffen sie das gemeinsam? Die Konstanzer Physikerin Chun-Jen Chen und Professor Clemens Bechinger, Mitglied des Exzellenzclusters „Centre for the Advanced Study of Collective Behavior“, haben sich gefragt, wie sich Tiere verhalten müssen, um eine effiziente Fluchtreaktion einzuleiten. In einer Studie mit Mikrorobotern, die sich wie eine Tiergruppe verhalten, zeigen die Forscher: Ein Tierschwarm – als Ganzes betrachtet – vollzieht eine optimale Fluchtreaktion, auch wenn einzelne Tiere die Bedrohung nicht bemerken oder falsch reagieren. Die Studie wurde am 7. März 2022 im veröffentlicht Neue Zeitschrift für Physik.

Ein Schwarm von Mikrorobotern

Ausgangspunkt der Arbeit der Forscher war die Betrachtung einer Gruppe friedlich umherwirbelnder Tiere und was passiert, wenn sie plötzlich in eine gefährliche Situation gerät.

Für ihre Experimente nutzten die Forscher ein System von Mikrorobotern, die aus Glaskugeln bestehen, die programmierbar, aktiv und in einem bestimmten Bereich fein verteilt sind. Wenn die Perlen mit einem fokussierten Laserstrahl beleuchtet werden, erwärmt sich eine Seite von ihnen und bringt sie dazu, sich wie Tiere zu bewegen. „Wir können jede einzelne Perle gezielt ansteuern und ihre Bewegung an die ihrer Nachbarn anpassen“, erklärt Chen, der in Bechingers Forschungsteam promoviert und maßgeblich für die Durchführung der Experimente verantwortlich war. „Die Roboter in unserem Schwarm sind darauf programmiert, Kollisionen zu vermeiden. Außerdem erhielten sie die Information, dass sie ihre Bewegung anhand der Position der ungefähren Gruppenmitte ausrichten sollten. Mit Hilfe dieser Regeln organisierten sich die Roboter zu einem Strudel.“ ,“ und Bechinger ergänzt: „Der Mikroroboterschwarm gibt die Bewegungen echter Tierschwärme erstaunlich gut wieder.“

Das Flugverhalten von Mikrorobotern

Sobald ein Raubtier auftaucht, ändern die Mikroroboter ihre Bewegungen, sagt Bechinger. Die Richtungsänderung ist jedoch nur minimal und führt nicht dazu, dass sich jedes Mitglied des Schwarms zu einem bestimmten Zeitpunkt direkt vom Raubtier entfernt. Auffallend ist jedoch, dass sich die Gruppe als Ganzes in einer geraden Linie vom Raubtier wegbewegt. „Dieses Kunststück, sich nicht für jeden individuell optimal zu bewegen, sondern die Gruppe als Ganzes optimal zu verhalten, basiert auf einem kollektiven Entscheidungsprozess oder einer „Schwarmintelligenz“, bei der ständig Informationen ausgetauscht werden zwischen verschiedenen Mitgliedern einer Gruppe“, sagt Bechinger.

„Eine direkte Folge dieses Verhaltens ist, dass die Effizienz der Fluchtreaktion praktisch unverändert bleibt, selbst wenn die Hälfte der Mikroroboter – oder Tiere – nicht auf die Bedrohung reagiert“, erklärt Chen. „Dies zeigt, dass fehlende oder unvollständige Angaben einzelner Mitglieder einer Gruppe durch andere Mitglieder kompensiert werden können.“ Das könnte nach Ansicht der Physiker einer der Gründe sein, warum sich Tiere in Herden organisieren, obwohl Herden für Raubtiere deutlich leichter zu erkennen sind als Einzeltiere.

Für andere Anwendungen relevantes Tierverhalten

Neben einem besseren Verständnis der Entscheidungsgrundlagen in Tiergruppen sind die Forschungsergebnisse auch für Anwendungen im Bereich der Mikrorobotik relevant. Derzeit werden verschiedene Szenarien diskutiert, in denen mehrere autonome Roboter gemeinsam eine sinnvolle Aufgabe erledigen und in denen Kommunikationsstörungen zwischen den Robotern automatisch zu Problemen führen würden. Mit den Erkenntnissen aus dieser Studie könnte ein Roboterschwarm auch dann gut funktionieren, wenn beispielsweise die Sensoren in einzelnen Robotern ausfallen würden. Bechinger ergänzt: „Die anderen Mikroroboter würden solche mit defekten Sensoren einfach kompensieren, was solchen Systemen eine sehr hohe Robustheit verleiht.“