Bionische Informationsverarbeitung

Hören wie die Schleiereulen

Warum hören Schleiereulen so gut? Schleiereulen sind nächtliche Mäusejäger, die über geringe Fettreserven verfügen. Besonders in der kalten Jahreszeit sind sie auf einen hohen Jagderfolg angewiesen, da sie sonst innerhalb kürzester Zeit verhungern. Dieser hohe Selektionsdruck hat bei den Schleiereulen zu einigen bemerkenswerten Anpassungen geführt. So können Schleiereulen extrem leise Geräusche in der horizontalen Ebene auf wenige Grad genau orten. Dies ermöglicht ihnen Mäuse sogar durch eine geschlossene Schneedecke ohne Sicht zu erbeuten. Verantwortlich für diese besonderen Leistungen sind anatomische Anpassungen und eine geschickte Verarbeitung der aus beiden Ohren einlaufenden Informationen [Spektrum der Wissenschaft, Juni 1993, S. 58ff: Die Schallortung der Schleiereule von M. Konishi]

Bild: RWTH Aachen Schleiereule-1

Was ist die Besonderheit von bionischen Ansätzen?
Bionik ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen aus biologischen Vorbildern technische Fragestellungen zu lösen (VDI 6220 Blatt 1).

Die grundlegende Motivation für die Übertragung von biologischen Lösungen auf technische Anwendungen besteht darin, dass im Lauf von circa 3,8 Milliarden Jahren evolutiv optimierte, biologische Strukturen entstanden sind, die auch für technische Entwicklungen bedeutsam und überzeugend sein können. Heute sind über 2,5 Millionen identifizierte Arten mit ihren spezifischen Besonderheiten weitgehend beschrieben. Im Sinne der Bionik stehen sie als umfangreicher Ideenpool für technische Problemlösungen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zur Verfügung.

Richtlinie VDI 6225 – Bionische Informationsverarbeitung
Damit ein lebender Organismus in einer wechselhaften Umwelt überleben kann, muss er die Veränderungen der Umwelt sensorisch aufnehmen, diese Daten verarbeiten und eine adäquate Reaktion generieren. Dies trifft prinzipiell auf alle Lebewesen zu. Allerdings haben die Tiere mit ihren Nervensystemen und ihrer Motorik hier eine besondere Stellung. Sie können die Informationen einer sich schnell ändernden Umwelt sensorisch erfassen und in eine schnelle motorische Reaktion umsetzen. Diese Reaktion auf einer schnellen Zeitskala ist auch in der Technik häufig das Ziel.

Die Nervensysteme der Tiere als informationsverarbeitende Strukturen sind nicht losgelöst vom Körper und der Umwelt entstanden, sondern als Teil des Körpers in der Umwelt. Dies hat bedeutende Auswirkung auf das Verständnis der Funktionsweise und muss bei der Analyse beachtet werden. Nervensysteme sind eingebettet zwischen verschiedenen sensorischen Systemen (z. B. Hören, Sehen, Fühlen, Riechen…) und einer vielfältigen Aktuatorik (z. B. Skelettmuskelsystem). Nervensysteme können zur Verarbeitung neben „bottom-up“ Verarbeitung vom Sensor zum Aktuator auch „top-down“ Verarbeitungswege beinhalten, die evolutiv vorverdrahtetes „Wissen“ von der Welt in den Verarbeitungsweg einspeisen. Bei der Verarbeitung sensorischer Daten spielen sinnvolle Datenreduktion und das Erstellen valider, multimodaler Repräsentationen der Umwelt eine große Rolle. Da die Fülle der Daten auch konkurrierende Reize enthält, sind ferner Mechanismen zur Auswahl geeigneter Verhaltensweisen notwendig.

Bionische Informationsverarbeitung ist die technische Umsetzung biologischer Vorbilder bezüglich der Informationsverarbeitung. Es gilt also das Zusammenspiel und die Funktionsweise von biologischen Sensoren, Nervensystemen und Muskeln zu analysieren, zu verstehen, zu abstrahieren und sie so der Technik zugänglich zu machen. Dabei können neben Algorithmen zur Softwareentwicklung auch strukturelle Erkenntnisse für eine Hardwareimplementierung gewonnen werden.

Schleiereulenforschung an der RWTH Aachen
Am Lehrstuhl für Zoologie und Tierphysiologie der RWTH Aachen werden seit über 20 Jahren die sensorischen Leistungen von Schleiereulen untersucht. Dazu steht Prof. Dr. Hermann Wagner und seinem Team eine eigene Schleiereulenzucht zur Verfügung. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die Verarbeitung der auditorischen Informationen. Dabei werden die neuronalen Grundlagen der Verarbeitung auf verschiedenen Ebenen analysiert. Neben Verhaltensversuchen dienen besonders elektrophysiologische Ableitungen der Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen.

Bereits seit längerem ist bekannt, dass Schleiereulen Schallquellen in der Horizontalen durch die Laufzeitunterschiede zwischen beiden Ohren lokalisieren. Dazu ist eine Mikrosekunden-genaue Phasenkopplung des neuronalen Signals an das Schallsignal notwendig. Bei der Phasenkopplung kommt es in den einzelnen Frequenzbereichen zu Mehrdeutigkeiten. Es konnte gezeigt werden, dass Schleiereulen dieses Problem durch Integration über mehrere Frequenzbereiche lösen. Die Erkenntnisse aus diesen Forschungen werden mit Kollegen aus der Mathematik formalisiert und zusammen mit Kollegen aus der Informatik zum Beispiel auf Roboterplattformen implementiert.

Eine strukturelle Anpassung der Eulen ist der schallsammelnde Gesichtsschleier sowie die Asymmetrie der Ohren. Für den Gesichtsschleier konnte gezeigt werden, dass er die Empfindlichkeit für Schall deutlich erhöht und die Kopfübertragungsfunktion für den Schall maßgeblich beeinflusst. Ohne den Schleier gelingt den Eulen die Schalllokalisation deutlich schlechter. Diese Erkenntnisse können zusammen mit technischen Akustikern in neue Richtmikrofone umgesetzt werden.

Autor: Dr. rer. nat. Marcus J. Wirth
RWTH Aachen
Institut für Biologie II
Lehrstuhl für Zoologie und Tierphysiologie
Mitglied im Fachbeirat Bionik des VDI und Vorsitzender Richtlinienausschuss VDI 6225

Kommentare & Pingbacks

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

*