«Fruchtfliegen sind eine wichtige Inspirationsquelle für die Robotik»
 

Auf dem Bildschirm, weiss auf schwarzem Hintergrund, läuft eine Fliege in tausendfacher Vergrösserung auf ihren sechs Beinen ruhig über eine kugelförmige Fläche: «Schauen Sie zu, gleich macht sie den Moonwalk», sagt Pavan Ramdya, der Leiter des Labors an der EPFL, und Maite Azcorra, eine Postdoc-Forscherin, ist mitten im Labor für Neuroengineering. Sie bestrahlt die Fliege mit winzigen, fokussierten Laserlichtimpulsen und setzt dabei eine Technik ein, die als Optogenetik bekannt ist und bei der Licht zur Aktivierung bestimmter Neuronen eingesetzt wird. Wie auf Kommando bewegt die Fliege daraufhin ihre Beine rückwärts. Und es sieht aus wie ein Tanz.

Ramdyas 14-köpfige Forschungsgruppe untersucht seit 2017 das Nervensystem dieser zwei Millimeter langen Insekten: «Maite untersucht derzeit, wie Neuronen, die vom Gehirn abstammen, motorische Funktionen steuern», sagt Ramdya. Die Gruppe hofft, das Gehirn der Fliege irgendwann zurückentwickeln und für die Robotik modellieren zu können. Ein wichtiger Schritt nach vorn war die Entwicklung eines digitalen Zwillings, mit dem die Forscher das Verhalten der Fliege genau simulieren können; ein weiterer war ein wichtiger Durchbruch beim Verständnis, wie neuronale Netze Gehirnsignale in koordinierte Bewegungen umsetzen. Wir treffen uns im Büro des in New York geborenen Neurowissenschaftlers, um über seine Arbeit zu sprechen.

Können Sie die allgemeine Idee hinter Ihrem Forschungsprogramm beschreiben?

Seit Jahrhunderten versuchen die Menschen, Maschinen zu bauen, die sich wie Tiere oder Menschen verhalten können. Im antiken Griechenland zum Beispiel waren automatisierte Marionetten recht verbreitet - das waren zwar einfache Objekte, aber sie waren bereits eine Form der Biomimetik, da sie die Bewegungen eines echten Körpers nachahmten. Das ist die gleiche Idee, die wir hier verfolgen, nur dass wir weitaus fortschrittlichere Methoden und Systeme verwenden, die Tiere wie die Fruchtfliege wirklich biologisch imitieren können.

Warum studieren Sie gerade Drosophila melanogaster?

Es gibt natürlich auch kompliziertere Tiere, wie Säugetiere, aber die sind schwieriger zu untersuchen. Und es gibt einfachere Tiere wie C. elegans, einen Wurm mit nur etwa 300 Neuronen [Fliegen haben etwa 100.000 und Menschen haben etwa 86 Milliarden], aber von ihnen können wir nicht so viel über das Verhalten lernen. Im Gegensatz zu Würmern haben Fliegen Beine, und mit diesen können sie eine Menge tun - herumlaufen, sich putzen, Hindernisse überwinden und vieles mehr. Für Anwendungen in der Robotik und Neuroprothetik ist es viel interessanter zu wissen, wie ein Lebewesen mit Flügeln und Beinen funktioniert. Aus dieser Perspektive sind sie die perfekten Exemplare: einfach genug, um sie zu studieren, und doch komplex genug, um viele Erkenntnisse zu liefern.

In Ihrem jüngsten TEDx-Vortrag sagten Sie, dass die Roboter, die in Zukunft zur Erforschung und Besiedlung neuer Planeten eingesetzt werden, diesen Fliegen sehr ähnlich sehen könnten.

Ja, Roboter für die Erforschung des Weltraums müssen zahlreiche Aufgaben selbständig erledigen und eigenständig Entscheidungen treffen, während sie sich in unbekannten, feindlichen Umgebungen bewegen. Ingenieure arbeiten seit Jahrzehnten daran, solche Roboter zu bauen, aber selbst die ausgefeiltesten Maschinen kommen bisher nicht an die Beweglichkeit der Fruchtfliege heran. Fliegen können unglaubliche Dinge tun. Sie können nicht nur fliegen, sondern sind dank ihrer sechs Beine auch extrem stabil. Sie können sich in allen drei Dimensionen bewegen und gleichzeitig mit ihren Beinen andere Aufgaben erfüllen. Sie sind eine wichtige Quelle der Inspiration!

Wie könnte die Arbeit, die Sie leisten, die Entwicklung von Robotik und KI beeinflussen?

Viele Ingenieure beschäftigen sich mit der Hardware von Robotern - zum Beispiel mit Batterien und Motoren. Das ist nicht unser Schwerpunkt. Wir versuchen, ihre Steuerungen zu entwerfen. Bei der Entwicklung einer Roboterfliege interessiert uns vor allem, wie sie ihre Gliedmaßen steuern kann. Deshalb untersuchen wir das Nervensystem der Fruchtfliege, um Erkenntnisse zu gewinnen, die uns helfen, neuronale Netze zu entwickeln, die in der Robotik und KI eingesetzt werden können. Ich möchte auch darauf hinweisen, dass die Roboter, die diese Steuerungen verwenden, nicht die Größe einer Fliege haben müssen. Solange die Größe angemessen ist, können sie jede beliebige Größe haben - sogar so groß wie ein Haus, obwohl das ein wenig beängstigend wäre.

Aber Ihre Forschung umfasst auch andere Aspekte.

Das ist richtig. Ein einzigartiges Merkmal der Fliegen ist, dass ihre Beine mit mechanischen Sensoren ausgestattet sind. Wie nutzen Fliegen all die Informationen, die sie sammeln, um ihre Umgebung zu verstehen und Objekte um sie herum zu erkennen? Wie entscheiden sie, wann sie eines oder mehrere ihrer Beine über Hindernisse heben? Das sind die Fragen, die wir beantworten wollen. Dazu versuchen wir, Materialien nach dem Vorbild der Fliegenhaut mit integrierten Sensoren zu entwickeln, die in Robotern eingesetzt werden können.

Viele Robotik- und KI-Experten sind der Meinung, dass Maschinen nur dann wirklich lernfähig sind, wenn sie über Körper verfügen, die sich bewegen und ihre Umgebung erkunden können.

Ja, das ist eine zentrale Theorie der Wissenschaftler, die sich mit Neurobiologie und Verhalten beschäftigen. Und sie sollte auch in der KI eine zentrale Theorie sein, denn Tiere können sich flexibler verhalten als Roboter. Ingenieure, die sich mit maschinellem Lernen beschäftigen, weisen oft darauf hin, dass menschliche Babys sich ständig bewegen und Dinge anfassen, um ihre Umgebung zu erkunden und so etwas über die Welt um sie herum zu lernen. Dieser Prozess ist viel effektiver, als wenn wir ihnen nur Videos ihrer Umgebung zeigen würden. Die Sensoren, die ich bereits erwähnt habe - die an Fliegen - dienen ebenfalls diesem Zweck.

Was sind derzeit die größten Hürden bei der Entwicklung von Systemen, die durch Erkundung ihrer Umgebung lernen können?

Eine Hürde besteht darin, Algorithmen zu entwickeln, die sensorische Daten verarbeiten können. Wenn sie diese Daten nicht kontextualisieren können, wäre es für Maschinen sehr schwierig, die entsprechenden Verhaltensweisen zu erlernen. Es ist wichtig zu betonen, dass die Lösung bereits existiert - sie ist nur im Nervensystem der Tiere verborgen. Genau das versuchen wir herauszufinden. Anstatt Jahrzehnte damit zu verbringen, eine Lösung von Grund auf zu entwerfen, sollten wir uns ansehen, was bei Fliegen bereits vorhanden ist.

Ist das notwendigerweise ein einfacher und schneller Ansatz?

Was wir wahrscheinlich brauchen, ist eine Kombination aus verschiedenen Ansätzen. Vor allem, weil Tiere viele Einschränkungen und Ziele haben, die für unsere Zwecke nicht relevant sind. Roboter müssen sich zum Beispiel nicht fortpflanzen oder ihren Darm entleeren können. Deshalb müssen wir auch Biologen in unsere Arbeit einbeziehen und nicht nur Ingenieure. Sie sind besser in der Lage zu erkennen, welche Teile eines Organismus wir ignorieren können, z. B. die Neuronen, die der Nahrungsaufnahme dienen, so dass die Ingenieure sich nicht darauf konzentrieren müssen. Ein interdisziplinärer Ansatz ist für unsere Arbeit unerlässlich.

Ist es das Ziel, irgendwann das menschliche Gehirn zu kartieren?

Ich muss Ihnen eine egoistische Antwort geben: Für mich persönlich ist das nicht mein Ziel. Ich habe noch etwa 40 Jahre zu leben, wenn ich Glück habe, und ich würde wirklich gerne zu meinen Lebzeiten große Durchbrüche erleben, die zeigen, wie biologische Systeme funktionieren. Bei der Fruchtfliege scheint das möglich zu sein, aber für das menschliche Gehirn wäre es viel komplizierter. Vielleicht ist es nur eine Frage des Maßstabs - vielleicht müssen wir einfach das Gehirn einer Fliege nehmen und es mit einer Million multiplizieren. Das könnte uns etwas Intelligentes liefern und wäre sicherlich sehr interessant. Aber ich bin mir nicht sicher, ob es die menschliche Intelligenz erfassen würde. Ich glaube nicht, dass wir für das menschliche Gehirn genau den gleichen Ansatz wie für die Fruchtfliege verwenden könnten, denn das würde zu lange dauern.

Wie unterscheidet sich Ihr Ansatz in der Neurowissenschaft von dem anderer Neurowissenschaftler?

Ich würde sagen, dass über 99 % der Neurowissenschaftler an Themen arbeiten, die mit der menschlichen Gesundheit und Medizin zu tun haben. Die meisten Studien, in denen untersucht wird, wie die Neurowissenschaften beispielsweise die Behandlung einer Krankheit unterstützen können, werden an Mäusen oder Ratten durchgeführt, weil sie Säugetiere sind wie wir. Ich denke, dass die Arbeit unserer Forschungsgruppe die Sichtweise der Menschen in zweierlei Hinsicht verändern kann. Erstens betrachten wir die Neurowissenschaften nicht nur im Hinblick auf die menschliche Gesundheit, sondern vielmehr im Hinblick darauf, wie sie in der Robotik angewandt werden können, um Maschinen auf neue Weise zu bauen. Und zweitens lenken wir die Aufmerksamkeit auf den kleineren Teil der Neurowissenschaftler, die sich mit Insekten beschäftigen. Wir sollten uns vor Augen halten, dass viele der Insekten auf unserem Planeten bedroht sind. Denken Sie nur an die Bienen und die wichtige Rolle, die sie bei der Bestäubung spielen. Das ist ein kritisches Thema. Fruchtfliegen gehören zwar nicht zu den bedrohten Arten, aber sie können Einblicke in die bedrohten Arten gewähren und so zur Unterstützung der Schutzbemühungen beitragen. Dies kann die Menschen ermutigen, die Welt aus einer ökosystemischen Perspektive zu betrachten und den wichtigen Beitrag der biologischen Vielfalt zu schätzen.