Mit Drohnen können Landwirte bereits über ihre Felder fliegen und die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder die Gesundheit ihrer Pflanzen überwachen. Diese Maschinen benötigen jedoch so viel Energie zum Fliegen, dass sie in Wahrheit nicht weit kommen. Wissenschaftler haben nun ein Huckepack-System für Hummeln entwickelt, das erst nach sieben Stunden aufgeladen werden muss.

Ein Sensorsystem, das klein genug ist, um auf dem Rücken einer Hummel mitzufliegen, haben Wissenschaftler der Universität Washington entwickelt. Der winzige Akku muss erst nach sieben Stunden aufgeladen werden, wenn sich die Hummeln nachts im Stock befinden. Die Entwicklungsergebnisse wurden am 11. Dezember auf der Konferenz „ACM MobiCom 2019“ vorgestellt.

„Drohnen können etwa 10 oder 20 Minuten fliegen, bevor sie erneut aufgeladen werden müssen, während unsere Hummeln Daten über Stunden sammeln können“, so Studienautor Shyam Gollakota. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass es möglich ist, all diese Berechnungen und das Erkennen mithilfe von Insekten anstelle von Drohnen durchzuführen.“

Die Verwendung von Insekten anstelle von Drohnen löst das Energieproblem, jedoch besitzt die Technik ihre eigenen Komplikationen: Erstens können Insekten nicht viel Gewicht tragen. Zweitens verbrauchen GPS-Empfänger, die Drohnen bei der Positionsermittlung unterstützen, zu viel Energie für diese Anwendung. Um ein Sensorpaket zu entwickeln, das auf ein Insekt passt und seinen Standort erfasst, musste das Team beide Probleme lösen.

„Wir haben uns für die Verwendung von Hummeln entschieden, weil sie groß genug sind, um eine winzige Batterie zu transportieren, die unser System antreiben kann. Sie kehren jede Nacht in ihr Volk zurück, wo wir die Batterien drahtlos aufladen können“, erklärt Vikram Iyer. „Für die Forschung haben wir die besten Methoden zur Pflege und zum Umgang mit den Individuen gewählt.“

Früher haben andere Forscher Hummeln mit einfachen „Rucksäcken“ ausgestattet, indem sie kleine Tracker, wie etwa RFID-Tags, auf ihnen anbrachten, um ihren Bewegungen zu folgen. Für diese Art von Experimenten haben Forscher eine Hummel für einige Minuten in einen Gefrierschrank gestellt, damit ihr Bewegungsapparat verlangsamte, bevor sie dann den Rucksack verklebten. Zum Ende des Experiments wurde der Rucksack durch den gleichen Vorgang entfernt.

Die früheren Studien betrafen jedoch nur Rucksäcke, die lediglich die Standorte der von Hummeln oder Honigbienen über kurze Entfernungen, etwa 25 Zentimeter, nachverfolgen konnten oder einer Einlassüberwachung dienten. Die weitere Umgebung der Insekten konnte damit nicht untersucht werden. Dafür entwarfen die Forscher nun einen Sensorrucksack, der auf dem Rücken von Hummeln mitreist und 102 Milligramm wiegt, was etwa sieben ungekochten Reiskörnern entspricht.

„Der aufladbare Akku für den Rucksack wiegt etwa 70 Milligramm. Wir hatten also etwas mehr als 30 Milligramm für alles andere übrig, wie die Sensoren und das Lokalisierungssystem, um die Position des Insekts zu verfolgen“, erklärt Rajalakshmi Nandakumar die Herausforderung.

Hummelpositionen werden trianguliert

Da GPS-Empfänger zu energiehungrig sind, um im Rucksack mitzureisen, hat das Team der Wissenschaftler eine Methode entwickelt, bei der für die Standortbestimmung der Hummeln kein Strom benötigt wird. Die Forscher stellten mehrere Antennen auf, die Signale von einer Basisstation über ein bestimmtes Gebiet ausstrahlen. Ein Empfänger im Rucksack der Hummeln verwendet die Signalstärke und die Winkeldifferenz zwischen den Hummeln und der Basisstation, um die Position des Insekts zu triangulieren.

„Um das Lokalisierungssystem zu testen, haben wir ein Experiment auf einem Fußballfeld durchgeführt“, erklärt Anran Wang. „Wir haben unsere Basisstation mit vier Antennen auf einer Spielfeldseite aufgestellt. Eine Hummel mit einem Rucksack flog in einem Glasgefäß, das wir von den Antennen wegbewegten. Wir konnten die Position der Hummel aufzeichnen, solange sie sich innerhalb von 80 Metern befand, etwa drei Viertel der Länge eines Fußballfelds.“

Anschließend fügte das Team dem Rucksack eine Reihe kleiner Sensoren hinzu, die Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtintensität überwachen. Auf diese Weise können die Hummeln Daten sammeln und diese Informationen zusammen mit ihrem Standort protokollieren und schließlich Informationen für einen ganzen landwirtschaftlichen Betrieb zusammenstellen.

„Es wäre interessant zu sehen, ob die Hummeln eine Region des Betriebs bevorzugen und seltener andere Gegenden besuchen“, findet Sawyer Fuller. „Wenn Sie wissen möchten, was in einem bestimmten Bereich passiert, können Sie den Rucksack auch so programmieren, dass er sagt: ͵Hey Hummel, wenn dieser Ort besucht wird, bitte eine Temperaturmessung vornehmen.ʹ“

Nachdem die Hummeln ihren Tag außerhalb des Volkes beendet haben, kehren sie zu ihrem Stock zurück, wo der Rucksack die gesammelten Daten mit einer Methode namens Backscatter auf einen zentralen Datenspeicher hochladen kann.

Im Moment können die Rucksäcke nur etwa 30 Kilobyte an Daten speichern, so dass sie sich auf das Tragen von Sensoren beschränken, die kleine Datenmengen erzeugen. Außerdem können die Rucksäcke nur Daten hochladen, wenn die Hummeln zum Volk zurückkehren. Das Team möchte gerne noch Rucksäcke mit Kameras entwickeln, die den Landwirten Livestream-Informationen über die Pflanzengesundheit geben können.

„Wenn Insekten diese Sensorsysteme tragen, könnte dies für die Bauern von Vorteil sein, da Hummeln Dinge wahrnehmen können, die elektronische Objekte – wie Drohnen – nicht können“, sagt Shyam Gollakota. „Mit einer Drohne fliegt man einfach nach Zufall, während eine Hummel von bestimmten Dingen angezogen wird, wie die Pflanzen, die sie bestäuben möchte. Neben dem Lernen über die Umwelt können Sie auch viel darüber lernen, wie sich Hummeln verhalten.“