Warum Amazonasfische für die Robotik interessant sind

Arapaima zählen zu den größten Süßwasserfischen der Welt. Sie können mehr als zwei Meter lang werden und fast 300 Kilogramm wiegen. Anders als die meisten Fischarten sind sie auf regelmäßiges Luftschnappen an der Wasseroberfläche angewiesen, um in den sauerstoffarmen Gewässern des Amazonasbeckens zu überleben.

Wie aus der in Communications Biology veröffentlichten Studie hervorgeht, holen Jungtiere ihre Atemzüge nicht unabhängig voneinander. Stattdessen steigen Gruppen von mehreren Hundert Tieren nahezu zeitgleich an die Wasseroberfläche auf.

In einer Aquakulturanlage beobachteten die Forschenden einen Schwarm von rund 200 Jungfischen. Häufig kamen mehr als 100 Tiere innerhalb einer Sekunde gleichzeitig an die Oberfläche, in einzelnen Fällen sogar sämtliche Tiere des Schwarms. Dieses Verhalten wiederholte sich etwa alle 15 Sekunden. Einzelne Fische zeigten dagegen Atemintervalle zwischen rund einer und mehr als zwei Minuten.

Das Schwarmverhalten schützt vor Fressfeinden

Nach Angaben der Forschenden bietet die Synchronisation einen deutlichen Vorteil gegenüber Fressfeinden. „Erstaunlicherweise haben die einzelnen Jungtiere eigentlich ganz unterschiedlich viel Puste. Es scheint sich aber zu lohnen, immer gemeinsam mit vielen anderen an die Oberfläche zu schwimmen, denn so sind die nur wenige Zentimeter großen Jungtiere besser vor Vögeln geschützt, die nur darauf warten, dass die Tiere zum Luftschnappen nach oben kommen“, erklärt Palina Bartashevitch, Erstautorin der Studie.

Und ergänzt: „In großen Gruppen ist man sicherer, da die Fressfeinde hier schlechter einzelne Tiere anvisieren können – ganz besonders, wenn alles, wie bei den Arapaimas, sehr schnell geht. Außerdem verteilt sich das Risiko, gefressen zu werden, auf alle, die mitmachen. Trifft man hingegen alleine auf einen Fressfeind, ist klar, wer gefressen wird.“

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Redaktion Automation NEXT

Wie die Synchronisation entsteht

Mithilfe von Computersimulationen untersuchten die Forschenden den Mechanismus hinter dem Verhalten. Demnach bilden die Tiere Gruppen mit Artgenossen, die einen ähnlichen Atembedarf besitzen. Diese sogenannten Atemgruppen ermöglichen es, die individuellen Unterschiede beim Luftbedarf auszugleichen. Tiere, die gerade Luft geholt haben, setzen eine Runde aus. Dadurch können häufig mehr als 75 % des Schwarms gemeinsam an die Oberfläche kommen, ohne dass einzelne Tiere zu lange warten oder unnötig häufig dem Risiko durch Fressfeinde ausgesetzt sind.

Wie das Forschungsteam mitteilt, reichen die Erkenntnisse über die Biologie hinaus. „Dank des generalisierten Modellierungsansatzes lässt sich dieses synchrone Verhalten, das durch mehr als 23 Millionen Jahre Evolution geprägt wurde, auch auf Schwärme von Robotern und Drohnen übertragen“, so Studienleiter Dr. David Bierbach. „Es gibt verschiedene Drohnenmodelle, die synchron fliegen oder gemeinsam ein bestimmtes Verhalten zeigen, und die Computermodelle, die wir aus der Studie ableiten konnten, lassen sich nutzen, um ihre synchrone Leistung zu verbessern.“

Ein Vorteil des mathematischen Modells besteht darin, dass nicht alle Roboter oder Drohnen identisch sein müssen. Auch heterogene Systeme könnten synchron zusammenarbeiten, wenn sie sich mit Einheiten ähnlicher Eigenschaften abstimmen. Mögliche Einsatzfelder reichen laut den Forschenden vom Umweltmonitoring über die Landwirtschaft bis zur Entfernung von Mikroplastik sowie Such- und Rettungseinsätzen.