Für autonome Roboter und selbstfahrende Autos sind sie unerlässlich: Navigationssysteme, die mit Sonarsensoren arbeiten, also Gegenstände mittels ausgesandter Schallimpulse orten können. Die Sensoren sind preiswert, energieeffizient und liefern in der Regel sehr genaue Messungen. »Allerdings haben sie auch einige Einschränkungen«, sagt Prof. Dr. Stefan J. Rupitsch, Lehrstuhl für Sensorik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg FAU. »Ihre Messungen können mehrdeutig sein, und das kann beispielsweise zu verwirrenden Situationen für einen autonomen Roboter führen.« Bislang gab es zudem keine speziellen Sonarschilder, -zeichen oder -signale, die diese Form der Navigation unterstützen konnten.

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In einem von der Volkswagen Stiftung im Rahmen der Förderinitiative „Experiment!“ finanzierten Projekt an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbeiteten Rupitsch und der Biologe und Fledermausforscher Dr. Ralph Simon, 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

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Das Forscherteam 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 Dr. Simon. Die Wissenschaftler konnten 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. Rupitsch zusammen. Die Projektergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.