Die Banditenfliege ist ein aerodynamischer Akrobat, der seine Beute mitten im Flug fangen kann

Raubfliegen sind aerodynamische Kunstfluggeräte, die in der Lage sind, ihre Beute zu identifizieren, Hindernissen auszuweichen und kleine Insekten mit hoher Geschwindigkeit mitten im Flug zu fangen. Wissenschaftler haben sich genauer angesehen, wie Raubfliegen dieses erstaunliche Kunststück schaffen, obwohl sie ein Gehirn haben, das einem Sandkorn gleicht. gemäß neues Papier Fliegen, die im Journal of Experimental Biology veröffentlicht wurden, kombinieren zwei unterschiedliche Strategien für die rückkopplungsbasierte Fortbewegung: eine, die das Abfangen von Beute beinhaltet, wenn die Szene klar ist, und eine, die es Fliegen ermöglicht, Hindernissen auf ihrer Flugbahn auszuweichen.

Eine Herausforderung in der Robotik besteht darin, Roboter zu entwerfen, die sich in überfüllten Umgebungen zurechtfinden können – etwas, das Menschen und andere Tiere jeden Tag instinktiv tun können. Laut den Autoren verlassen sich viele Robotersysteme auf eine Art Wegplanung: Sie verwenden Schall (Sonar) oder Laser, um Signale zu senden und dann Reflexionen zu erkennen. Diese Daten können dann verwendet werden, um eine Entfernungskarte des Ozeans zu erstellen.

Aber im Vergleich zu einfachen visuellen Hinweisen (z. B. „interaktive Routen“) ist die Routenplanung ein kostspieliger Ansatz in Bezug auf den Energieverbrauch. Menschen und andere Tiere benötigen keine detaillierten Karten oder spezifisches Wissen über den Standort, die Geschwindigkeit und andere Details eines Ziels. Wir reagieren einfach in Echtzeit auf alle relevanten Reize in unserer Umgebung. Daher ist die Erstellung von Navigationsverhaltensalgorithmen auf der Grundlage biologischer Systeme von großem Interesse für die Robotik.

Frühere Studien konzentrierten sich auf die Fähigkeit verschiedener Arten, darunter Fruchtfliegen und Tauben sowie Menschen, mit überfüllten Umgebungen umzugehen. „Allerdings war in diesen Fällen die Hindernisvermeidung das einzige Ziel“, schreiben die Autoren. „Das Umfahren eines Hindernisses ist schwieriger, wenn ein bestimmter Ort als Ziel dient, da die Hindernisscheu durch das Navigationsziel ausgeglichen werden muss.“

Deshalb beschlossen der Bioingenieur Samuel Fabian vom Imperial College London und drei Mitarbeiter der University of Minnesota, eigene Experimente mit der räuberischen Raubfliege durchzuführen (Holocephala fusca) als Versuchsobjekt. Raubfliegen wurden aufgrund ihrer sehr vorhersehbaren Abfangflugbahn zum Beutefang ausgewählt. Die Autoren schrieben auch, dass seine geringe Größe und sein relativ schnelles Verhalten (die meisten Flüge dauern weniger als eine Sekunde) „schnelle Reaktionen mit minimalem Rechenaufwand erfordern“.

Fabian et al. Er verglich das Verhalten der Raubfliege bei der Jagd mit dem von Falken, Habichten und modernen Lenkflugkörpern. Normalerweise fangen Fliegen Diebe, indem sie irgendwo sitzen, wo sie einen freien Blick auf den Himmel haben. Sobald eine Raubfliege potenzielle Beute entdeckt und beginnt, sie zu jagen, muss die Fliege navigieren, um die Beute zu fangen und Hindernissen auf dem Weg, wie z. B. verirrten Ästen, auszuweichen.

Den Diebesfliegen wurde ein bewegliches Ziel in Form einer kleinen silberfarbenen reflektierenden Perle präsentiert, die entlang einer durchsichtigen Angelschnur mit Rollen und einem Schrittmotor gezogen wurde. „Die Fliegen wussten wirklich nicht, dass sie keine echte Beute waren, selbst wenn sie so nah waren.“ Sagte Fabian. „Wenn etwas klein genug ist, scheinen sie im Allgemeinen davon auszugehen, dass es sich um Essen handelt.“

Der Rahmen enthält auch eine Kupplung: ein mit schwarzer Acrylfarbe beschichtetes Acetatband, entweder in einer dünnen (2,5 cm) oder in einer dicken (5 cm) Version, das direkt unter der Spur des Ziels angebracht wird. „Die genaue Positionierung des Bandes und die anfängliche Flugbahn der Fliege bestimmen, ob das Objekt zu einem Hindernis auf der Flugbahn geworden ist und ob es das Ziel verdeckt“, schreiben die Autoren.

Die Forscher zeichneten alle Flüge unter Feldbedingungen auf, um ein möglichst natürliches Verhalten zu erhalten. Als nächstes rekonstruieren sie digital 26 Flüge eines Diebes, der die sich bewegende Perle vor einem Hindernis jagt. Das Manövrieren von Überkopfgeräten neigt dazu, Fliegen zu erregen, sodass diese 26 Flüge die Fliegen darstellen, die auf ihrer Stange geblieben sind, als das Gerät herumgelegt wurde, anstatt wegzufliegen.

Ergebnisse: In Abwesenheit eines Hindernisses behielten Diebesfliegen während der gesamten Annäherung die gleiche Sichtlinie zur Perle bei, um ihre Beute zu fangen und zu fangen. Wenn ein dünner oder dicker schwarzer Balken für kurze Zeit (<0,1 Sek.) teilweise die Sicht verdeckte, unternahmen die Fliegen Ausweichmanöver, um das Hindernis zu umgehen, bevor sie zum Abfangen auf ihre Flugbahn zurückkehrten. Manchmal lenkt die Fliege als Reaktion auf einen schwarzen Balken ab, selbst wenn der Balken ihre Sichtlinie nicht verdeckt. Und wenn die Forscher die Sichtlinie der Fliegen länger als 0,1 Sekunden blockierten, gaben die Fliegen das Abfangen vollständig auf.

Fabian und andere. Er kam zu dem Schluss, dass die Raubfliegen eine einfache Hindernisvermeidungsstrategie in Kombination mit der Standard-Abfangstrategie verwendeten, die sie Co-Routing nannten. „Je schneller das Hindernis in ihrem Sichtfeld wächst, desto weiter entfernt sie sich.“ Sagte Fabian. Die Fliegen kehren zum Abfangpfad zurück, sobald das oben erwähnte Hindernis beginnt, sich aus dem Blickfeld zu entfernen. „Sie achten auf ihre Umgebung, auch wenn sie auf das Ziel gerichtet sind.“

Die Autoren schrieben, dass dies „zeigt, dass die Hindernisvermeidung ein Produkt einfacher Rückkopplungsgesetze sein kann, die keine absolute Kenntnis von Entfernung, Lautstärke oder Geschwindigkeit erfordern“, in Übereinstimmung mit früheren Arbeiten, die zeigen, dass einfache Rückkopplungsgesetze auch die Abfangstrategie von Fliegen erklären können . Dies basiert sicherlich auf einer begrenzten Anzahl von Feldversuchen, und das Team hofft, in Zukunft weitere Versuche durchführen zu können.

DOI: Zeitschrift für experimentelle Biologie, 2022. 10.1242/JP 243568 (Über DOIs).