Die Universität Lund in Schweden wurde 1666 gegründet und hat so bahnbrechende Erfindungen wie den Ultraschall, die Dialyse und die Bluetooth-Technologie entwickelt. Sie gehört heute zu den führenden Forschungsinstituten in Schweden. Allein die Abteilung für Biologie umfasst 21 Forschungsgruppen, die sich mit so unterschiedlichen Fachgebieten wie Proteinproduktion, Verhaltensforschung und Ökosystemen beschäftigen. Eine der Gruppen befasst sich mit der Frage, wie Insekten in komplexen Umgebungen ihr Flugverhalten kontrollieren. Ihr Labor ist Teil der Vision Group. Sie wird von Marie Dacke, Associate Professor, und Emily Baird, Assistant Professor, geleitet. 

Die Erforschung der Flugkontrolle

Aufbau eines Windtunnels mit zentral ausgerichteter Hochgeschwindigkeitskamera

Der Forschungszweck besteht darin, zu untersuchen und zu beschreiben, wie Insekten über visuell verarbeitete Informationen ihr Flugverhalten kontrollieren, Hindernissen ausweichen und so sicher durch unvorhersehbare Umgebungen navigieren. Dabei wird deutlich, wie das einfache Gehirn eines Insekts visuelle Eindrücke extrahiert und zur Flugkontrolle anwendet. Zudem ergeben sich daraus neue Ansätze zur Konzeption autonom gesteuerter Flugkörper, die in so unterschiedlichen Umgebungen wie hellen, offenen Feldern und dunklen, unübersichtlichen Regenwäldern navigieren können. 

Die Experimente werden mit einer Reihe verschiedener Insektenarten wie Hummeln, Schmetterlingen, Käfern und Motten durchgeführt. Eine typische Versuchsanordnung besteht aus einem Windkanal mit einer darüber montierten High-Speed Kamera. Das Dacke-Baird Labor setzt dafür zwei MotionBLITZ EoSens® mini1 und zwei MotionBLITZ EoSens® Cube6 High-Speed Kameras ein.

„Im Allgemeinen sind die Mikrotron Kameras besonders gut für uns geeignet, da sie sich synchronisieren lassen“, sagt Emily Baird. „So können wir die Flugbahnen der Insekten dreidimensional beobachten und analysieren.“ Die Flugbahnen werden dann im Computer modelliert und simuliert. Daraus ergeben sich vielfältigste Forschungsgebiete. Dieser Anwenderbericht wird vier vorstellen. 

Die Aerodynamik der Deckflügel

Mistkäfer im Flug
Während des Flugs stellt der Mistkäfer seine Deckflügel hoch über seine Flügel auf.

Eines der wichtigsten Merkmale des Käfers sind seine Deckflügel. Sie dienen als Schutz für die darunter liegenden Flügel. Durch die Deckflügel kann der Käfer Lebensräume erforschen, die ansonsten seinen Flügeln und seinem Körper Schaden zufügen würden. Viele Käfer fliegen mit ausgeklappten Deckflügeln. Dies deutet darauf hin, dass sie auch die aerodynamische Performance beeinflussen.

Um die aerodynamische Funktion der Deckflügel zu bestimmen, haben die Forscher des Dacke- Baird Labors die Wirbelschleppen der Käfer mit den Wirbelschleppen anderer fliegender Tiere verglichen. Sechs Mistkäfer (Heliocopris hamadryas) wurden angebunden, so dass sie nur eine Nickbewegung ausführen konnten, und in einen Windkanal geführt. Für die Darstellung der Bewegungsabläufe in 3D filmten zwei synchronisierte MotionBLITZ EoSens® Cube6 die Käfer von der Seite und von oben. Mit einer Aufnahmefrequenz von 200 Bildern pro Sekunde und einer Frequenz des Flügelschlags von etwa 40 Hz entstanden etwa fünf Bilder pro Flügelschlag. 19 Sequenzen bestehend aus 100 Einzelbildern wurden analysiert. Sie zeigen, dass die Deckflügel zwar das Gewicht des Käfers unterstützen, aber gleichzeitig auch die Aerodynamik negativ beeinflussen. Lesen Sie den Forschungsbericht hier

Die Kontrolle der Bodengeschwindigkeit

Insekten nutzen den sogenannten optischen Fluss, um zu navigieren. Angenommen eine Honigbiene fliegt durch einen Blumengarten. Während sie an den Blumen vorbeifliegt, scheinen sie sich rückwärts zu bewegen. Damit wird auf der Netzhaut der Honigbiene ein Bewegungsmuster erzeugt, das als optischer Fluss bezeichnet wird. Die näher gelegenen Blumen bewegen sich schneller als die weiter entfernten Blumen. Ähnliches erleben wir beim Autofahren. Entfernte Berge scheinen still zu stehen, während nahe Straßenschilder an einem vorbeiflitzen. Honigbienen regulieren ihre Geschwindigkeit, indem sie ihren optischen Fluss konstant halten. So fliegen sie in dichter Vegetation langsamer als über einem offenen Feld. Das Konzept des optischen Flusses stellt sicher, dass Insekten ihre Fluggeschwindigkeit automatisch der Umgebung anpassen. 

Die Hummel braucht 1,434 Sekunden, um von einer Region of Interest zur nächsten zu fliegen.
Die Hummel braucht 1,434 Sekunden, um von einer Region of Interest zur nächsten zu fliegen.

Zwar wurden bereits viele wissenschaftliche Experimente zum optischen Fluss der Honigbienen durchgeführt. Über die Flugkontrolle von Hummeln ist dagegen sehr wenig bekannt. Nutzen sie dieselbe Strategie? Wie schnell erfassen und reagieren sie auf Veränderungen ihrer Umwelt? Um diese Fragen zu untersuchen, hat das Dacke-Baird Labor eine Reihe von Experimenten durchgeführt. Die Versuchshummeln wurden trainiert, durch einen Tunnel zu fliegen, der aus zwei vertikalen Wänden besteht. Über der Mitte des Tunnels wurde eine MotionBLITZ EoSens® Cube6 High-Speed Kamera installiert, die mit einer Bildrate von 60 Hz aufzeichnete. Die Forschungsarbeit können Sie hier einsehen

Die Positionierung der Hummel und die Ausrichtung der Längsachse des Körpers wurden über ein automatisches Tracking-Programm definiert. Das Ergebnis: Hummeln erfassen Veränderungen in ihrer Umwelt in einem Blickwinkel von mindestens 23–30 Grad. Sie reagieren also schon bevor sie die neue Umgebung erreichen.

Natürliche verglichen mit künstlichen Bedingungen

Die Erforschung des Flugverhaltens von Insekten verläuft meist unter kontrollierten Laborbedingungen. Die Insekten nehmen dabei vor allem künstlich generierte visuelle Stimuli wahr, wie z.B. computergenerierte Grafiken oder zweidimensionale Bilder auf Papier. Studien haben aber gezeigt, dass neurale Reaktionen der Insekten auf natürliche Umgebungen oder künstlich generierte Muster unterschiedlich sind. Gilt das auch für Verhaltensreaktionen? 

Zeitlupenstudie von fliegenden Hummeln
Um die Auswirkungen der Tunnelbreite auf die Kontrolle des Flugverhaltens zu ermitteln, wurden die Hummeln beim Flug durch einen 30 cm breiten und einen 15 cm breiten Tunnel aufgezeichnet.

Um das zu beantworten haben die Forscher im Dacke-Baird Labor untersucht, wie die Flugkontrolle davon abhängt, ob die Szenerie zwei- oder dreidimensional, künstlich oder natürlich ist oder ob das Experiment innerhalb oder außerhalb eines Gebäudes durchgeführt wird. Die Hummeln wurden markiert und darauf abgerichtet, eine Wasserstelle mit Zuckerwasser am Ende eines zwei Meter langen künstlichen Tunnels anzufliegen. Die Experimente innerhalb der Gebäude wurden mit einer über dem Tunnel montierten MotionBLITZ EoSens® Cube6 aufgezeichnet. Die Experimente außerhalb wurden mit einer Casio EXF1 Videokamera aufgenommen. Die Bodengeschwindigkeit wurde berechnet, indem die Position der Hummel in jedem Einzelbild digitalisiert wurde. Daraus wurde die Distanz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern abgeleitet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die visuelle Flugkontrolle bei Hummeln von den Unterschieden einer natürlichen und künstlichen Umgebung kaum beeinflusst wird. Alle Ergebnisse können Sie im Forschungsbericht nachlesen.

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen im Regenwald

Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Schmalbiene
Infrarotaufnahme einer Schmalbiene, die auf dem Weg zu einer Futterstelle durch einen künstlichen Tunnel fliegt.

Während der Erstellung dieses Anwenderberichts reiste Emily Baird für eine Feldforschung nach Panama. Sie nahm dazu beide MotionBLITZ EoSens® Cube6 Kameras mit. Aufgenommen wurden unter anderem eine Schmalbiene (Megalopta genalis) auf ihrem Weg in einen künstlichen Tunnel. Diese Art fliegt nur nachts und begibt sich kurz vor dem Sonnenaufgang und nach dem Sonnenuntergang auf Futtersuche. Ihre Nester befinden sich unter einem dicken Schutzdach in der Unterschicht von Regenwäldern in Mittel- und Südamerika. Die Videos wurden deshalb in kompletter Dunkelheit mit Infrarotlicht aufgezeichnet. Die MotionBLITZ EoSens® Cube6 wurde auf 50 Bilder pro Sekunde und eine maximale Auflösung von 1.280 x 1.024 Pixel eingestellt. 

„Die Kameras ließen sich selbst mitten in der Nacht im Regenwald ganz einfach aufstellen und einsetzen“, erläutert Emily Baird. „Sie sind extrem lichtempfindlich und durch den Einsatz von handelsüblicher Infrarot-Beleuchtung konnten wir auch im Dunkeln filmen.“ Die EoSens® Technologie bietet eine Lichtempfindlichkeit von 2.500 ASA – das war auch der Grund, warum Emily Baird die MotionBLITZ EoSens® Cube6 gegenüber anderen Kameras bevorzugte. Auf die Frage, was die wichtigsten Merkmale der Kamera seien, fasst Emily Baird zusammen: „Sie ist lichtempfindlich, robust und einfach zu bedienen.“