Neue Sinne für die Technik zu erschließen ist das Ziel eines Forschungsprojekts im Rahmen des Münchner Exzellenzclusters CoTeSys (Cognition for Technical Systems). Ausgerechnet im Tierreich sucht der Biophysiker Prof. Leo van Hemmen von der Technischen Universität München nach neuen Möglichkeiten, wie Roboter ihre Umgebung erschließen können. Fische, Skorpione oder Frösche nehmen nämlich Dinge wahr, die menschlichen Organen verborgen bleiben. Sie vermögen damit nicht nur, feinste Druckunterschiede oder Erschütterungen zu messen und Bedrohungen zu erkennen. Sie schaffen sich auf diese Weise auch ein genaues Bild ihrer Umgebung, so dass sie jederzeit in der Lage sind, Entscheidungen zu treffen, etwa welcher Weg der Beste ist, um ein Beutetier zu schnappen, oder wo sie sich hinter Hindernissen verstecken können. Prof. van Hemmen ergründet mit seinen Mitarbeitern, wie Tiere das tun, erforscht die Algorithmen, mit denen ihr Gehirn die Umgebung erfasst und entwickelt Hardware und Computerprogramme, damit Roboter es ihnen nachmachen.

Fische und Amphibien besitzen zum Beispiel das Seitenlinienorgan, das bei Landlebewesen nicht existiert. Mit diesem linienförmigen Sinnesorgan, das sich bei Fischen an beiden Körperseiten entlangzieht, nehmen sie feinste Druck- und Strömungsunterschiede wahr. Damit gelingt es ihnen, selbst in trübem Wasser im Abstand von etwa einer Körperlänge ein sehr differenziertes Bild ihrer unmittelbaren Umgebung zu gewinnen: Wo Hindernisse sind, wo Gefahren lauern oder wo welches Beutetier zu finden ist. Die Seitenlinien bestehen aus hunderten bis tausenden feiner Sinneshaare, die in winzigen Kanälen unter der Haut sitzen und auch kleine Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit registrieren. Der Krallenfrosch Xenopus laevis beispielsweise unterscheidet auf Grund der Schwingungen im Wasser sogar zwischen fressbaren und nicht fressbaren Insekten. In der Feinheit der Wahrnehmung sind diese Sensoren mit dem Innenohr des Menschen vergleichbar, wo hundertausende feine Sinneshärchen für die differenzierte Wahrnehmung von Geräuschen sorgen, vom Windsäuseln bis zur Symphonie.

Das eigentlich Komplizierte aber ist nicht der Sensor selbst, sondern wie seine Signale weiter verarbeitet werden, so dass ein komplettes Bild der Umgebung entsteht. Denn Druckunterschiede sind weit schwieriger exakt zu orten als Lichtwellen. Das merkt der Mensch etwa daran, dass er – wenn ein Geräusch seine Aufmerksamkeit erregt – automatisch zur Geräuschquelle hinblickt, um den Ort zu bestätigen. Skorpione dagegen finden auch in finsterer Nacht ihre Beutetiere anhand von winzigen Erschütterungen, die sich im Boden übertragen: Die Spinnentiere haben Sinneshaare an den acht Beinen, ihr Gehirn wertet geringste Laufzeitunterschiede von Sandwellen aus und bestimmt so, wo sich die Beute befindet. Mit ähnlichen Algorithmen lassen sich auch die Seitenlinienorgane von Fischen auswerten.

Vorbild und beliebtes Versuchsobjekt für die Münchner Forscher ist der blinde mexikanische Höhlenfisch Astyanax. Er lebt in Höhlen, seine Augen, die er in der Dunkelheit nicht braucht, bilden sich im Laufe der Reife zurück. Dennoch navigiert der Fisch ungehindert in seinem lichtlosen Lebensraum, reagiert flexibel auf Veränderungen und passt sich an neue Umgebungen schnell an.

Dass dies auch Roboter lernen können, zeigt der Unterwasserroboter "Snookie". Die Entstehungsgeschichte von „Snookie“ ist ein Beispiel für die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Studenten, Doktoranden und Lehrstuhlinhabern unterschiedlicher Disziplinen, wie sie in CoTeSys üblich ist. Angestoßen durch die Initiative der Studenten Nora Martiny und Philipp Mittendorfer, die erste Untersuchungen und Konzepte für ein technisches Gerät auf Basis der biologischen Sensorik lieferten, entstand in der Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Studenten des Lehrstuhls für Biophysik (Prof. Leo van Hemmen) und des Lehrstuhls für Steuerungs- und Regelungstechnik (Prof. Sandra Hirche) in den letzten zwei Jahren ein funktionsfähiger Prototyp. Die Erforschung und Realisierung des Seitenliniensensors hat auf einer internationalen Konferenz in Brasilien (MCMC 2009) den Best Student Paper Award erhalten.
„Snookie“ – benannt nach einer Barschart mit ausgeprägtem Seitenlinienorgan – ist ein Roboterfisch aus Plexiglas und Aluminium, etwa 80 Zentimeter lang, mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern, vollgestopft mit elektronischer Steuerung und Energieversorgung. An der Außenwand fallen sechs gelbe Propellergondeln auf, die für Fortbewegung und Positionierung sorgen, und der gelbe, halbrunde Bug des Roboterfischs, an dem die Sensoren befestigt werden, die das Unterwasserfahrzeug führen.
Die Wissenschaftler der Technischen Universität München haben bewusst ein Unterwasserfahrzeug als Technologieträger gewählt. Denn damit stellen sich ganz besondere technische Herausforderungen, gerade auch im Vergleich zu autonomen Robotern an Land:

• Die Sicht unter Wasser ist oft auf wenige Zentimeter begrenzt.
• Infrarotdetektoren, bei Landrobotern neben Kameras die gängigen Sensoren zur Erkennung der Umgebung, funktionieren unter Wasser nicht.
• Drahtlose Kommunikation ist unter Wasser durch die schlechten Ausbreitungsbe-dingungen beschränkt.
• Der Energievorrat ist auf die Kapazität der Batterien begrenzt, daher müssen alle Systeme äußerst effizient arbeiten.
• Und außerdem ist höchste Zuverlässigkeit gefragt, denn wenn etwas schief geht, ist ein Unterwasserroboter schnell für immer verloren.

Für den Biophysiker Prof. van Hemmen geht es um mehr, als um autonome Unterwasserroboter. Er will neue Sinneswahrnehmungen für die Technik erschließen und sie kombinieren, weil er glaubt, dass so die Umgebung viel genauer zu erfassen ist. „Das Stichwort heißt 'multimodale Sensorik'", erläutert der engagierte Wissenschaftler. "Auch ein Mensch verlässt sich nicht allein auf einen Sinn. Unser Gehirn verbindet vielmehr die Wahrnehmung der unterschiedlichsten Sinne zu einem Gesamtbild unserer Umgebung. Wie wichtig das für unsere Wahrnehmung ist, merken wir erst, wenn einer davon ausfällt." Prof. van Hemmen demonstriert dies plastisch an einem Beispiel: „Ein Streichholz zu entzünden dauert normalerweise vielleicht zehn Sekunden, wenn wir aber den Tastsinn durch dünne Handschuhe ausschalten, wird das viel schwerer. Dann reicht oft eine Minute nicht mehr."
Für die Intelligenz von Robotern, so ist Prof. van Hemmen überzeugt, hilft es wenig, noch mehr Kameras einzubauen, die mehr und mehr Bilder liefern. Wichtiger ist es, dass sie mit unterschiedlichen Sensoren verschiedene Aspekte ihrer Umgebung erkennen. Doch wenn es darum geht, die unterschiedlichen Wahrnehmungen zu kombinieren, muss er tief in die Geheimnisse der Gehirnforschung eindringen: Wie filtern Tiere aus der Fülle der verschiedenen Daten die wirklich relevanten Informationen, wie macht dies der Mensch? Im Rahmen des Exzellenzclusters CoTeSys sieht er die Chance, dies nicht nur herauszufinden, sondern durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Physiologen, Informatikern und Ingenieuren die gefundenen Prinzipien auch in Technik zu übertragen: „Aufmerksamkeit ist eine Datenreduktion auf das Wesentliche. Roboter müssen dies lernen, auch mit den unterschiedlichsten Sensorinformationen."