Von Fledermäusen inspirierte Sonarsysteme können autonome Roboter und fahrerlose Autos durch unbekannte Umgebungen führen.

Roboternavigation inspiriert von Fledermauspflanzen Künstliche Sonarreflektoren

24.03.2020

Sonarsysteme sind für Roboter und selbstfahrende Autos unerlässlich, da sie sehr kostengünstige Sensoren für Abstandsmessungen sind. Doch manchmal sind die erzielbaren Messergebnisse irreführend. Nun hat ein Forschungsteam eine Lösung gefunden, die durch eine spezielle Koevolution zwischen Fledermäusen und Blumen inspiriert wurde.

Sonarsensoren sind preiswert, energieeffizient und liefern in der Regel sehr genaue Messungen. „Allerdings haben sie auch Nachteile“, sagt Prof. Dr. Stefan Rupitsch vom Lehrstuhl für Sensorik der FAU. „Ihre Messungen können manchmal mehrdeutig sein, und das kann zu verwirrenden Situationen für ein autonomes Fahrzeug oder einen Roboter führen.“

In einem von der Volkswagen Stiftung finanzierten Projekt an der FAU arbeiteten der Ingenieur Prof. Dr. Stefan J. Rupitsch und der Biologe und Fledermausforscher Dr. Ralph Simon zusammen mit Forschern der Universität Antwerpen und der Vrije Universiteit Amsterdam an einer Lösung dieses Problems. Inspiration fanden die beiden bei einer interessanten Symbiose von Fledermäusen und Blütenpflanzen.

Echolokation und Fledermausblüten

„Fledermäuse navigieren über die Echoortung, auch Biosonar genannt“, erklärt Dr. Simon. „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 Objektes 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.

Künstliche Reflektoren

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 Forscherinnen und Forscher entwarfen spezielle, Fledermäusen nachempfundene Sonarsysteme und floral inspirierte Sonarreflektoren.

„Wir waren erstaunt, wie zuverlässig diese Reflektoren selbst in unübersichtlicher Umgebung erkannt werden“, sagt Dr. 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 Prof. Steckel, Universität Antwerpen, zusammen.

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