Flohbotschaft vom Roboter

Der Biologe Ronald Thenius revolutioniert mit biohybriden Robotern die Unterwasserforschung.

Ronald Thenius’ Mitarbeiter tauchen gern mal ab. Berufsbedingt, versteht sich. Der Biologe am Artificial Lab an der Universität Graz und Leiter des EU-Projekts Robocoenosis hat biohybride Roboter geschaffen, die Gewässer erforschen. Und zwar auf ganz besondere Weise: Diese kleinen Roboter arbeiten mit Muscheln, Krebsen und Algen zusammen und schicken regelmässig Informa­tionen an die Oberfläche. Eine neu­ar­tige Methode, die wissenschaftlich gerade im Trend liegt und ungeahnte Möglichkeiten eröffnet. Wie man damit die ­Artenvielfalt steigern, die Wasserqualität verbessern und sogar dem ­Klimawandel entgegenwirken kann, ­erklärt der Steirer im Science Talk. 

Dr. Thenius, was hat sich heute bei Ihren biohybriden Robotern unter Wasser so getan?
Prinzipiell muss ich sagen, dass ich als Projektkoordinator fungiere. Sprich, mei­ne Mitarbeiter haben im Blick, was sich unter Wasser tut. Ich werde nur ­informiert, wenn sich gerade was besonders Spannendes ereignet hat. Wenn etwa Muscheln beginnen, sich aussergewöhnlich zu verhalten. Oder wenn Flöhe plötzlich rot werden oder im Kreis schwimmen. Das passiert nur, wenn sie Stress haben. 

Genau diese Zusammenarbeit mit Lebewesen macht biohybride Roboter so einzigartig. Wie darf man sich das vorstellen?
Vereinfacht gesagt machen sich biohy­bride Roboter die Eigenschaft bestimmter Lebewesen zunutze, sie verwenden sie als Sensoren. Sie klinken sich ins Ökosystem ein, beobachten Lebewesen und werten deren Verhalten als Sensor für bestimmte Parameter wie Sauerstoff- und Salzgehalt, Lichtverhältnisse etc. Ich messe also nicht etwa den Sauerstoffgehalt in einem Gewässer und rechne dann retour, was das für das Ökosystem bedeutet, sondern beobachte sensible Wasserbewohner und leite davon Daten zum Sauerstoffgehalt ab. 

Was sagt uns das, wenn Flöhe auf einmal rot oder Muscheln verhaltensauffällig werden?
Das kann bedeuten, dass die Wasser­güte nicht in Ordnung ist. Das sind für uns Indikatoren, genauer hinzusehen. Aus Laborsituationen wissen wir, dass derartiges Verhalten auf Stress, schlechte Wasserqualität, unzureichende Sauerstoffversorgung etc. zurückzuführen ist. Im Freiland sieht das alles natürlich anders aus. Da kann auch einfach ein Tier in der Nähe die Flöhe stressen, oder manchmal haben Muscheln auch einfach schlechte Laune und schliessen sich. Man muss also genau hinsehen – wenn alle Lebewesen Alarm schlagen, dürfte es ein allgemeines Problem geben. Wenn nur einzelne Lebewesen sich aussergewöhnlich verhalten, kann es auch nur eine Laune sein.

Teamwork? Wie bringt man Muscheln und Co. dazu, mit einem Roboter zusammenzuarbeiten?
Natürlich müssen sich die ­Lebewesen wohlfühlen. Schliesslich soll die Zusam­menarbeit ja für ein bis fünf Jahre lang funktionieren. Man muss daher etwa die Muscheln ganz vorsichtig auf dem Roboter befestigen und auch so positionieren, dass sie sich nicht gestresst fühlen. Es muss so natürlich wie möglich ablaufen. Das ist eines unserer wichtigsten Credos. Sonst funktioniert die Messung ja auch nicht, weil ich sonst den Stress, der aus dem Versuch resultiert und nicht den aus der Umwelt messe.

Wie kamen Sie auf die Idee, mit natürlichen Sensoren zu arbeiten?
Das hat sich bei einem Projekt in Vene­dig am Istituto delle Scienze ­Marine (ISMAR) durch Zufall ergeben. Wir ­haben dort seinerzeit in der Lagune mit Robotern Wasseruntersuchungen gemacht, hatten jedoch zu der Zeit gewisse Probleme mit den Sauerstoffsensoren der Roboter, was uns alle ziemlich frustriert hat. Ein Kollege meinte dann lapidar, dass ich für die Messung des Sauerstoffgehalts doch einfach nur auf die Muscheln achten muss. Die zeigen mir ja deutlich mit ihrem Verhalten, ob genügend Sauerstoff vorhanden ist oder nicht. Für mich war das ein Aha-Moment. Ich habe sofort einen Roboter mit einer Kamera versehen und zu den Muscheln abtauchen lassen. Und es hat funktioniert. Das war der Beginn einer Idee, die sich mittlerweile zu einem wunderbaren Projekt entwickelt hat, das auch von der EU gefördert wird. Wir haben die Freiheit, Methoden aus­zuprobieren und Grundlagenforschung zu betreiben. Unser Ziel ist, aufzuzeigen, was mit biohybriden Robotern möglich ist.

Was heisst das genau? Welche Vorteile bieten sie gegenüber herkömmlichen Forschungsrobotern?
Unsere biohybriden Roboter sind mittlerweile an unterschiedlichen Standorten in Österreich stationiert – am Grund des Millstätter, Hallstätter und Neusiedler Sees. Dort leisten sie sehr gute Arbeit. Sie arbeiten autonom und kostengünstig. Während sonst ein Mitarbeiter einen Roboter unter Wasser bringen, ihn regelmässig warten, kalibrieren müsste etc., läuft das System des biohybriden Roboters eigenständig und energieeffizient. Wir arbeiten momentan auch daran, dass die Energieversorgung durch Mikroorganismen im Schlamm, die ganz kleine Mengen Strom erzeugen, sogenannte «Micro­bial Fuel Cells», funktioniert. Das ist eine Methode, die auch in anderen ­Bereichen, wo etwa kein Licht, aber Wasser vorhanden ist, sehr interessant sein könnte. Wenn sie funktioniert – und danach sieht es gerade aus. 

Und wie verlässlich sind die Daten, die Ihre biohybriden Roboter liefern?
Natürlich haben die Daten, die unsere biologischen Sensoren wie Muscheln oder Algen liefern, eine andere Qualität als diejenigen aus herkömmlichen Methoden. Damit muss man umgehen. Wenn jetzt eine Muschel an einem Tag «unglücklich» ist, hat das wenig Aussagekraft. Wenn das über ein Jahr so bleibt, ist es ein eindeutiger Hinweis. Daher lohnt es sich auf jeden Fall, diese Kombination von Lebewesen als Sensor und autonomer Freilandrobotik in unterschiedlichen Forschungsfeldern einzusetzen. Und auch für die Industrie, beispielsweise im Bereich Agrarwasser, könnten die Roboter hilfreich sein.

Welchen Beitrag leisten Ihre biohybriden Forscher zum Schutz unserer Umwelt?
Einen sehr grossen! Gewässer sind ein guter Indikator, um etwa zu zeigen, wie sich Artenvielfalt, Wasserqualität und auch Klimaerwärmung entwickeln. Unsere Systeme liefern dazu eindeutige Daten, auf die man frühzeitig rea­gieren kann. Gerade an so sensiblen Systemen wie etwa dem Neusiedlersee sieht man, dass der Klimawandelprozess voll im Gang ist. Das ist offensichtlich und ­unleugbar. Das zeigt sich ganz plakativ auch daran, dass etwa Arten, die eigent­lich in mediterranen Gefilden heimisch sind, mittlerweile hier leben. Mit unseren Methoden können wir wertvolle Ergebnisse liefern, die frühzeitig Veränderungen in Gewässern ­anzeigen. Und im Idealfall zu einem Umdenken anregen – zu einer Balance von Wirtschaft und Umwelt.

Seen sind ein wichtiger Faktor für den heimischen Tourismus. Ist es hier einfacher, Verbündete für den Umweltschutz zu finden?
Gerade was die Seen betrifft, achten die Touristiker sehr genau darauf, dass die Wasserqualität erhalten bleibt. Das war nicht immer so. Vor einigen Jahrzehnten hatten die Kärntner Seen ein Abwasserproblem, das wurde aber seinerzeit sehr gut gelöst, und heute haben sie Trinkwasserqualität. 

Gilt Ihr nachhaltiger Zugang auch für die Konstruktion der Roboter?
Auf jeden Fall! Jeder Biologe am ­Artifi­cial Life Lab an der Uni Graz ist ­gleichzeitig auch technisch versiert, kann löten, einen Roboter bauen und programmie­ren. Wir arbeiten da intensiv mit Technikern zusammen – die bringen unser biologisches Wissen dann meist noch besser technisch in Form, während sie von uns tiefe Einblicke in die Lösungsansätze der Natur bekommen. Die inter­disziplinäre Zusam­menarbeit ist jedoch ganz wesentlich, das biologische Verständnis. Das reicht bei uns bis zur Auswahl der Materialien. Die sind zu einem grossen Teil nachhaltig.

Roboter nachhaltig konstruieren? Wie funktioniert das?
Ziel des gesamten Projekts ist es ja, Möglichkeiten und Methoden zu testen. Grundlagenforschung zu betreiben, um zu sehen, was wirklich möglich ist. Das gilt auch für den Bau der Roboter. Für den fixen technischen Teil braucht man natürlich vorgegebene Materialien. Für das Drumherum – etwa die Gewichte oder die Halterungen für die Muscheln – kann man durchaus mit abbaubaren, natürlichen Materialien arbeiten. Holz und Stein kommen beispielsweise hier zum Einsatz. Die können einfach entsorgt werden, sobald der Roboter nach ein paar Jahren seinen Dienst ­getan hat. 

Was ist Ihr persönlicher Antrieb als Forscher?
Ich wollte schon als Kind Biologe werden und bin im Burgenland mit Kescher und Lupe am Bach unterwegs gewesen. Plan B war Raumschiffpilot – das habe ich dann im Alter von sieben Jahren verworfen. Wobei die Arbeit am Arti­ficial Life Lab auch manchmal etwas von Science-Fiction hat – wir haben die Möglichkeit, fantastische Ideen zu realisieren. Wie eben auch Roboter, die mit Muscheln und Co. zusammenarbeiten und dabei mit Schlamm gefüttert werden.

Vielen Dank für das Gespräch!