Bionik: Elektro-Durchblick in trüben Gewässern

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04/09/2019 12:11

Bionik: Elektro-Durchblick in trüben Gewässern

Johannes Seiler Dezernat 8 - Hochschulkommunikation
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

    In Katastrophenfällen oder bei der Suche nach Gegenständen kommen meist Roboter oder Drohnen mit Kameras zum Einsatz. In trüben, dunklem Wasser – zum Beispiel in einem Abwasserrohr oder einem schwebstoffreichen See – stoßen herkömmliche Kameras jedoch an ihre Grenzen. Für solche Einsatzbedingungen haben Zoologen der Universität Bonn nun eine Spezialkamera entwickelt: Sie liefert nach dem Vorbild des afrikanischen Elefantenrüsselfischs (Gnathonemus petersii) Bilder mit „elektrische Farben“ in trüben Gewässern. Die Forscher stellen ihre bionische Entwicklung nun im Fachjournal „Bioinspiration & Biomimetics“ vor.

    Elefantenrüsselfische sind nachtaktiv und können sich deshalb bei der Beutesuche nicht auf ihre Augen verlassen. Mit ihrem Schwanz erzeugen sie rund 80 Mal pro Sekunde kurze elektrische Pulse. Elektrorezeptoren auf ihrer Haut und insbesondere auf ihrem rüsselartigen Kinn messen, wie die Pulse von der Umgebung moduliert werden. Mit diesem Elektro-Sinn können die Fische Distanzen abschätzen, Formen und Materialien wahrnehmen und sogar zwischen lebendigen und toten Objekten unterscheiden. In Sekundenbruchteilen erkennen sie mit Hilfe der Elektro-Pulse, wo sich am Gewässergrund Zuckmückenlarven als ihre Lieblingsbeute verstecken.

    Die Forscher um Prof. Dr. Gerhard von der Emde vom Zoologischen Institut der Universität Bonn erforschen schon seit vielen Jahren, wie der eigenartige Elektrosinn der Afrikanischen Elefantenrüsselfische funktioniert. Für die „aktive Elektroortung“ nutzen die Fische zwei verschiedene Typen von Elektrorezeptoren. Der eine misst nur die Intensität des Signals und der andere die Pulsform. „Wir konnten vor kurzem zeigen, dass der Fisch das Verhältnis der beiden Messwerte nutzt, um seine Beute zu identifizieren“, berichtet von der Emde. Dadurch werden ganz ähnlich wie auf der menschlichen Netzhaut „Farben“ erzeugt – aber nicht durch sichtbares Licht, sondern durch elektrische Signale.

    Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung kommen zum Einsatz

    Prof. Gerhard von der Emde, der Doktorand Martin Gottwald und Dr. Hendrik Herzog vom Institut für Zoologie der Universität Bonn brachten nun ihre Erkenntnisse aus ihrer Grundlagenforschung des Elefantenrüsselfischs zum Einsatz, um einen ersten Kamera-Prototyp nach dem Vorbild dieser aktiven Elektroortung zu entwickeln. „Mit dieser ‚bionischen‘ elektrischen Kamera können ganz ohne Licht auch in trüber Umgebung ‚elektrische Bilder‘ von Objekten geschossen werden, die außerdem noch eine Analyse der elektrischen und räumlichen Eigenschaften der abgebildeten Gegenstände ermöglichen“, berichtet von der Emde.

    Analog zum Elefantenrüsselfisch erzeugt die Kamera ein schwaches elektrisches Feld um sich herum und erfasst die elektrischen Bilder von Objekten in ihrer Umgebung mit mehreren Sensoren (Elektroden) auf ihrer Oberfläche. Wie die Forscher berichten, wurden auf diese Weise verschiedene natürliche Objekte – wie etwa Fische, Pflanzen oder Holz – sowie künstliche Testgegenstände, wie zum Beispiel Kugeln oder Stäbe aus Aluminium oder Plastik, durch die Kamera vermessen und charakterisiert. „Hierfür wurden die gleichen analytischen Parameter verwendet, die auch die Elefantenrüsselfische während der aktiven Elektroortung einsetzen“, sagt Dr. Hendrik Herzog. So konnte zum Beispiel die Entfernung zum Objekt durch den Grad der Bildunschärfe ermittelt werden.

    Belebte Objekte erzeugen unterschiedliche elektrische Farben

    Belebte Objekte, wie Fische und Pflanzen, erzeugten unterschiedliche „elektrische Farben“ – genauso wie sie auch von den elektrischen Fischen erkannt werden. „Ergänzende Auswertungen zeigten, dass aus den elektrischen Bildern außerdem ‚elektrische Umrisse‘ der Messobjekte bestimmt werden konnten, welche ähnlich ihrer optischen Kontur Informationen über Form und Orientierung liefern können“, berichtet Erstautor Martin Gottwald. All diese elektrischen Bildparameter werden im Gegensatz zu visuellen Messgrößen nicht durch eine trübe oder dunkle Umgebung beeinträchtigt. Wo herkömmliche Augen oder Kamerasysteme versagen, ermöglicht die Elektrokamera einen ungetrübten Blick.

    Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass mit bionischen Methoden neuartige, elektrische Kamera-Systeme entwickelt werden könnten, welche zum Beispiel roboter- oder drohnengestützte Inspektionen in trüben Gewässern erleichtern. Außerdem sehen die Wissenschaftler vielseitige weitere Einsatzmöglichkeiten für elektrische Kameras, wie zum Beispiel bei der Materialkontrolle, der Geräteüberwachung bis hin zu medizinischen Anwendungen. Darüber hinaus kann die elektrische Kamera auch die biologische Grundlagenforschung unterstützen und dabei helfen, die Elektroortung der schwach-elektrischen Fische besser zu verstehen.


    Contact for scientific information:

    Prof. Dr. Gerhard von der Emde
    Zoologisches Institut
    Universität Bonn
    Tel. 0228/735555
    E-Mail: vonderemde@uni-bonn.de


    Original publication:

    Martin Gottwald, Hendrik Herzog and Gerhard von der Emde: A bio-inspired electric camera for short-range object inspection in murky waters, Bioinspiration & Biomimetics, DOI: 10.1088/1748-3190/ab08a6


    Criteria of this press release:
    Journalists, all interested persons
    Biology
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


    Schwach elektrischer Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) bei der Futtersuche.


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    Probelauf (von links): Dr. Hendrik Herzog, Martin Gottwald und Prof. Dr. Gerhard von der Emde testen im Zoologischen Institut der Universität Bonn die Unterwasserkamera im Aquarium.


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