KI steuert Cyborg-Kakerlaken über Herzschlag und Nervensignale

Bisher funktionierten alle Steuerungssysteme für Cyborg-Insekten nach demselben Prinzip: von außen beobachten, die Bewegung auswerten, einen Befehl senden.

Was im Inneren des Tiers passiert – der Herzschlag und die schwachen elektrischen Signale, die durch den Körper laufen und seine unmittelbare körperliche Reaktion auf die Umgebung abbilden – spielte bei diesen Entscheidungen bislang praktisch keine Rolle.

Ein Forschungsteam in Japan wollte das ändern. Es zapfte den Puls einer Kakerlake und feine elektrische Körpersignale an und trainierte anschließend eine KI darauf, diese Daten zu interpretieren – nicht nur, um das Insekt zu lenken, sondern auch, um zu erkennen, wann man es besser in Ruhe lässt.

Ein Rucksack für Kakerlaken

Die Studie stammt von einer Gruppe um Professor Keisuke Morishima von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Osaka, in Zusammenarbeit mit Partnern in Indonesien. Entwickelt wurde ein kleiner, abnehmbarer „Rucksack“ für eine der größeren Kakerlakenarten.

Das Modul wiegt etwa 5,7 Gramm, und die einzelnen Teile lassen sich an- und abclipsen, sodass sich das Insekt danach erholen kann. Gleichzeitig erfasst das System drei Signalquellen: den Herzschlag der Kakerlake, schwache Nervensignale, die am Körper abgegriffen werden, sowie ihre Körperbewegung.

Bis zu dieser Arbeit stützten sich die meisten Cyborg-Kakerlaken-Ansätze ausschließlich auf äußere Merkmale – im Kern darauf, ob das Tier sich bewegt oder nicht.

In einer früheren Veröffentlichung derselben Gruppe wurden Kakerlaken über ihre angeborene Abneigung gegen ultraviolettes Licht gesteuert; doch auch dort basierte die Regelung auf sichtbarem Verhalten und nicht auf dem, was im Inneren des Tieres geschieht.

Was der Herzschlag verrät

Um „innen“ zu kartieren, setzten die Forschenden Kakerlaken fünf Situationen aus: einem ruhigen Ausgangszustand, UV-Licht, einem Duftstoß nahe der Fühler, Hitze und Futter. Zu einigen Reizen werden Kakerlaken hingezogen, vor anderen versuchen sie zu fliehen.

Bei Ruhe zeigte sich ein langsamerer Herzschlag; jeder Reiz ließ ihn ansteigen. Die Herzfrequenz kann also anzeigen, was ein Tier wahrnimmt, selbst wenn es sich kaum bewegt – ähnlich wie es vor Jahren bereits eine Studie an Krabben nahelegte.

Auch die übrigen Signale trennten die Bedingungen in charakteristische Muster. Hitze und aggressive Chemikalien führten zu stärkeren inneren Signalen sowie zu schnelleren, unruhigeren Bewegungen. Futter bewirkte das Gegenteil: ein insgesamt ruhigerer Körperzustand und ein gemächlicheres Gehen.

Ein Modell des maschinellen Lernens wurde darauf trainiert, diese Körpersignale wieder den fünf Situationen zuzuordnen.

Mit Aufzeichnungen von 20 Insekten erreichte die beste Variante, die richtige Situation in mehr als neun von zehn Fällen zu erkennen. „Ruhig“ und „Futter“ waren leicht zu identifizieren, während „Hitze“ und „UV-Licht“ deutlich schwieriger ausfielen.

KI lernt Zurückhaltung bei Kakerlaken

Der entscheidende Unterschied zu früheren Ansätzen liegt darin, dass das Modell nicht nur den Zustand des Insekts benennt, sondern daraus eine Handlung ableitet – und häufig ist diese Handlung: gar nichts tun.

Zeigen die Signale einen ruhigen Zustand oder eine Ausrichtung auf Futter, gibt das System sanfte Impulse: ein kurzer UV-Lichtblitz, um die Richtung zu beeinflussen, und ein Vibrieren am Hinterleib, um Vorwärtsbewegung anzustoßen. Den Weg wählt das Tier weiterhin selbst; die Technik wirkt lediglich lenkend.

Deuten die Daten hingegen darauf hin, dass die Kakerlake vor etwas flieht – etwa vor Hitze oder einem stechenden Geruch –, beendet das System sämtliche Stimulation und überlässt dem Insekt die Reaktion.

Eine solche eingebaute Zurückhaltung gab es bei Cyborg-Insekten bisher nicht. Frühere Systeme drückten Befehle im Grunde nur in eine Richtung durch.

Insekten unter Druck: Test im Labyrinth

Die Belastungsprobe fand in einem Labyrinth mit vier Räumen statt. In manchen Räumen lag Futter, andere enthielten Hitze oder einen starken Geruch, den die Kakerlaken mieden. Einbahn-Tore verhinderten, dass die Tiere nach einem Wechsel wieder zurücklaufen konnten.

Ohne Unterstützung kamen gewöhnliche Kakerlaken selten weit. Die meisten blieben im Futterraum sitzen – und über Dutzende Versuche hinweg schaffte kein einziges Insekt den gesamten Parcours.

Mit dem neuen Steuerungssystem gelang es einigen Cyborg-Kakerlaken, bis zum Ende zu kommen. Befand sich das Tier in einem Futterraum, wurde es vom System weitergelotst.

In Räumen mit Hitze oder chemischem Reiz nahm die Steuerung dagegen Druck heraus, sodass der natürliche Fluchtimpuls der Kakerlake die Arbeit übernahm.

Erfolg im Labor, Probleme im Labyrinth

Fehlerfrei ist das System nicht. Auf dem Labortisch arbeitet es sehr zuverlässig, im Labyrinth dagegen deutlich wackeliger. In Offline-Tests lag die Erfolgsrate bei 93 Prozent, während es bei Tests in Echtzeit nur in etwa zwei Dritteln der Fälle die richtige Entscheidung traf.

Reale Bewegung ist unordentlich: Beim Laufen rüttelt das Insekt an den eigenen Sensoren, und der innere Zustand kann sich von einer Sekunde zur nächsten verändern.

„Ein Insekt ist ein lebendes Wesen, und seine Reaktionen unterscheiden sich von Individuum zu Individuum und von Moment zu Moment“, sagte Morishima.

Das Team betont zudem eine Grenze der Interpretation. Es geht nicht darum, Gedanken oder Gefühle einer Kakerlake zu „lesen“. Das System erkennt Muster im Körper, die zu unterschiedlichen Umgebungen passen; der Begriff „Wahrnehmung“ ist dabei ein Arbeitslabel und keine Aussage darüber, was das Insekt empfindet.

Blick über Cyborg-Kakerlaken hinaus

Neu ist hier nicht der Rucksack oder das Labyrinth, sondern dass innere Signale eines Insekts – Herzschlag und Nervenaktivität – Teil des Regelkreises werden und einer Maschine mitteilen können, wann sie eingreifen sollte und wann Zurückhaltung besser ist.

Das eröffnet praktische Perspektiven. Cyborg-Insekten wie Kakerlaken gelten als Kandidaten, um in eingestürzten Gebäuden nach Überlebenden zu suchen oder in gefährlicher Luft Proben zu nehmen, indem sie durch Spalten gelangen, die selbst für die kleinsten Roboter zu eng sind.

Wenn der Zustand des Insekts mitgelesen wird, könnte es länger „kooperativ“ bleiben, statt durch ständiges Antreiben schneller erschöpft zu werden.

Die Forschenden fassen die übergeordnete Idee unter dem Begriff Insect Synergy Circuit zusammen: natürliche Intelligenz und künstliche Intelligenz teilen sich einen Regelkreis, statt dass eine Seite ausschließlich Anweisungen gibt. Für sie sind die Kakerlaken dabei erst der Anfang.