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Bionik

Bionische Kamera sieht mit „elektronischen Farben“

| Redakteur: Katharina Juschkat

Forscher der Universität Bonn orientierten sich bei der Entwicklung einer neuen bionischen Kamera an den Fähigkeiten eines besonderen Fisches – der Elefantenrüsselfisch kann durch elektrische Pulse auch im Dunkeln sehen.

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Schwach elektrischer Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) bei der Futtersuche – die ausgesendeten Pulse helfen ihm, in trüben und dunklen Gewässern zu sehen.
Schwach elektrischer Elefantenrüsselfisch (Gnathonemus petersii) bei der Futtersuche – die ausgesendeten Pulse helfen ihm, in trüben und dunklen Gewässern zu sehen.
(Bild: Maik Dobiey/Uni Bonn)

Roboter, die unter Wasser zur Suche von Gegenständen eingesetzt werden, arbeiten in der Regel mit optischen Kameras, um sich zu orientieren. In trüben oder dunklen Gewässern stoßen sie damit jedoch an ihre Grenzen und können dort nicht mehr eingesetzt werden.

Zoologen der Universität Bonn haben dafür eine spezielle Kamera entwickelt, die nach dem Vorbild des afrikanischen Elefantenrüsselfischs Bilder mit „elektrischen Farben“ in trüben Gewässern liefert.

Fisch sieht Farben durch elektrische Signale

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 verstecken – ihre Lieblingsbeute.

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 Prof. Gerhard von der Emde, der seit vielen Jahren gemeinsam mit weiteren Forschern den Elektrosinn des Fisches erforscht. Dadurch werden ganz ähnlich wie auf der menschlichen Netzhaut „Farben“ erzeugt – aber nicht durch sichtbares Licht, sondern durch elektrische Signale.

Erster bionischer Kamera-Prototyp entwickelt

Prof. von der Emde entwickelte nun gemeinsam mit weiteren Forschern einen ersten Kamera-Prototypen nach dem Vorbild der aktiven Elektroortung. „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 Fische, Pflanzen und Holz – sowie künstliche Testgegenstände wie Kugeln und Stäbe aus Aluminium und Plastik durch die Kamera vermessen und charakterisiert. Die Forscher konnten konnte zum Beispiel die Entfernung zum Objekt durch den Grad der Bildunschärfe ermitteln.

Neue Kamerasysteme für Inspektionen in trüben Gewässern

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.
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.
(Bild: Barbara Frommann/Uni Bonn)

Belebte Objekte wie Fische und Pflanzen erzeugten unterschiedliche elektrische Farben – so kann sie der Fisch auch unterscheiden. „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.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass mit bionischen Methoden neuartige Kamerasysteme entwickelt werden könnten, welche zum Beispiel roboter- oder drohnengestützte Inspektionen in trüben Gewässern erleichtern. Die Wissenschaftler sehen weitere Einsatzmöglichkeiten für elektrische Kameras zum Beispiel bei der Materialkontrolle, der Geräteüberwachung bis hin zu medizinischen Anwendungen.

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