Ameisen in der bionik

AMEISEN IN DER

BIONIK “Die Ameise ist nicht nur mit der Empfindlichkeit der

Sinne ausgestattet, sondern mit Intelligenz, Vernunft

und Erinnerung” Ciceron.

Klausuräquivalente Leistung

vorgelegt beim Fachbereich Biomechatronik

Fach: Technische Biologie und Bionik

der Technischen Universität Ilmenau

von

Karla Carballo Valderrabano

Studiengang: Mechatronik

Matrikel: 55850

Austauschprogramm: Mexikanische

Jüngingeneure

Ilmenau

11.03.2016

Ameisen in der Bionik

Technische Universität Ilmenau Karla Carballo Valderrabano 1

INHALTSVERZEICHNIS

1. Einleitung ................................................................................. 2

2. Biologisches Vorbild ................................................................. 3

3. Abstraktion des Prinzips ........................................................... 4

3.1 Programmierung der Ameisen ................................................................................................................ 4 3.2 Ameisenstaaten als “Superorganismus” ................................................................................................ 4 3.3 Geruchssinn der Ameisen ....................................................................................................................... 5 3.4 Kommunikations und Verhalten ............................................................................................................. 6

4. Technische Umsetzungen ......................................................... 6

4.1 BionicANTS .............................................................................................................................................. 6 4.2 Ameisenalgorithmus ............................................................................................................................... 7 4.3 Schwarmintelligenz in Unternehmen ..................................................................................................... 8

5. Quellenangabe ......................................................................... 9

5.1 Literatur ................................................................................................................................................... 9 5.2 Internetquellen ........................................................................................................................................ 9 5.3 Video ...................................................................................................................................................... 10 5.4 Zeitschriften und Zeitungen .................................................................................................................. 10 5.5 Elektronische Dokumente ..................................................................................................................... 10 5.6 Bildnachweis .......................................................................................................................................... 10



1. Einleitung Insgesamt leben zehntausend Billionen - Ameisen auf der Erde. Sie wiegen mehr als die

gesamte Weltbevölkerung und machen ungefähr 15 Prozent der gesamten tierischen

Biomasse auf dem Planeten aus.

Ameisen sind ein beliebtes Untersuchungsobjekt von Forschern, weil es über 30.000

verschiedene Arten von ihnen zu geben scheint, sie faszinierende Insekten sind und eine

Vielfalt von positiven und überraschenden Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel:

Ihre enorme Kraft: Sie können das Hundertfache ihres eigenen Körpergewichts

tragen.

Das Festhalten an glatten Oberflächen: Die Ameisen können, trotz 200-facher

entgegenwirkender Schwerkraft, an einer glatten Oberfläche haften.

Gesellschaftsvertrag: Die Ameisen bilden großen Staaten, in welchen Arbeitsteilung

herrscht mit einer klaren Rangordnung und festen Regeln.

„Polizei des Waldes“: Sie hindern andere Insekten am Beschädigen der Bäume,

verteilen die Samen der Wildpflanzen, beseitigen Kadaver und befreien einige Vögel

von Milben.

In dieser Abhandlung werden die Gesellschaft der Ameisen genauer betrachtet. Die

Herangehensweise orientiert sich dabei an dem Prinzip der Bionik als Wissenschaft (siehe

Abbildung 1) nach den Punkten:

1. Grundlagenforschung des biologischen Vorbildes

2. Abstraktion des Prinzips

3. Technische Umsetzungen

Abbildung 1 Bionischer Denk- und Handlungsprozess



2. Biologisches Vorbild Mehr als 30.000 verschiedene Spezies der Insektenfamilie Formicidae haben Zoologen bis

heute identifiziert. Alle leben in Kolonien, denn einzelne Ameisen können nicht überleben.

Manchmal sind es nur kleine Verbände mit gerade mal einem Dutzend Mitgliedern, andere

Spezies bilden Megagesellschaften.

Ameisen sind ein Erfolgsmodell der Evolution: Die Insekten leben in perfekt organisierten

Gemeinschaften, in der fast alles um die Königin sich dreht. Sie ist in der Regel das einzige

vermehrungsfähige Weibchen und größer als alle anderen Mitglieder der Kolonie.

Nachdem im Frühsommer eine geflügelte Jungkönigin geschlüpft ist, entschwebt sie zum

Hochzeitsflug. Dabei begattet sie die ebenfalls geflügelten Ameisenmänner aus anderen

Nestern. Die Spermien ihrer Freier lagert die Insektenfrau in einer "Samenbank" im

Hinterleib, sie müssen für ihr restliches Leben reichen (das kann bis 28 Jahren dauert). Nach

der Rückkehr zur Erde stößt die Begattete ihre Schwingen ab, gräbt eine Höhle und beginnt,

Eier zu legen.

Nur bis zu ein paar Tausend Männchen sind nötig fürs Volk. Wenn sie, wenige Wochen alt,

im Sommer zum Hochzeitsflug ausschwärmen, ist ihr Dasein besiegelt. Danach sterben die

Ameisenmänner innerhalb von Stunden. Aus befruchteten Eiern werden Weibchen, sie sind

die Arbeiterinnen, deren Lebensdauer ist nur ein bis drei Jahre. Die Horde der

Ameisenfrauen erledigt eine Fülle von Jobs (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 Arbeitsteilung der Ameisen

Ameisenstaaten sind ständig wechselnden Einflüssen unterworfen, auf die sie reagieren

müssen. Dafür werden bestimmten Arbeitern je nach Situation und sich plötzlich ergebenen

Problemen bestimmte Aufgaben übertragen. Diese Zuweisung von Aufgaben ist ein Prozess

ständiger Anpassung, der ohne jede zentrale oder hierarchische Kontrolle abläuft. Eine

Ameisenkönigin ist aber keine 'Autoritätsperson'. Sie legt Eier und wird von den

Jobs

Außendienst

Vom Bau ausschwärmen und Fressbares sammeln.

Mit ihrem Duftstoff bei größtem Andrang den Stau kontrollieren.

Holzstückchen klauben.

Das Ameisenheim ausstaffieren.

In der Sonne sich aufheizen und die Wärme ins Heim bringen.

Den Eingang zur AmeisenWG kontrollieren (mit dem Geruch des Ankommenden).

Innendienst

Abfall und die Leichen entfernen.

Die Nahrung zerkleinern und verstauen.

Eier, Larven und Puppen schleppen und den Nachwuchs füttern.

Die Königin pflegen und ernähren



Arbeiterinnen gehegt und gepflegt. Aber sie entscheidet nicht, was eine Arbeiterin tun oder

lassen soll.

Abbildung 3 Ameisenstaat

3. Abstraktion des Prinzips Die Sozialität der Ameisen ermöglicht eine effektive Nutzung vorhandener Ressourcen:

durch Koopertation und Kommunikation können sie ihre Umwelt in hohem Maße

kontrollieren und verändern.

3.1 Programmierung der Ameisen

In einem Ameisenstaat weiß jedes Tier, welche Aufgaben es zu erfüllen gibt. Diese

Arbeitsteilung kann überhaupt nicht ganz auf physischer, gestalticher und physiologischer

Grundlage erklären werden. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass das

Ameisenindividuum seine Aufgaben weiß, zu einem Großteil wegen der vielerlei Arten ihrer

Gene, die entstehen, vor allem wenn die Königin von mehreren Männchen befruchtet

wurde. "Bei einigen Arten ist es etwa als Jungtier auf Innendienst und als älteres auf

Außendienst programmiert", erklärt der Regensburger Forscher Jürgen Heinze.

Abbildung 4 Feuerameisenkönigin und Arbeiterinnen auf einem Teil ihres genetischen

Codes

3.2 Ameisenstaaten als “Superorganismus”

Der Organisationsgrad der Ameisenstaaten verblüfft umso mehr, wenn man weiß, dass

Ameisen eigentlich nur über recht dürftig Sinnesorgane verfügen. Außerdem ist ihr

Nervensystem schwach ausgebildet und kann nur eine begrenzte Zahl von Reizen

verarbeiten; ihr Erinnerungsvermögen reicht wenige Stunden in die Vergangenheit zurück.



Die Schlichtheit der Ameisensprache und die relative Schlichtheit dieser Tiere selbst ist für

den Ameisenstaat nicht von Nachteil. Computerprogrammierer wissen: Beim Aufbau eines

Systems dürfen die einzelnen Teile nicht zu kompliziert sein. Ein dicht geknüpftes Netz

bestehend aus einfachen Einzelteilen ist in dieser Hinsicht sehr vorteilhaft. Die 'Seele' des

Ameisenstaats ist dezentralisiert als kollektive Intelligenz über die Gesamtheit der

Gruppenmitglieder verteilt. Ameisenstaaten machen einen “Superorganismus”, der als

einem riesigen Parallelprozessor arbeitet, er gleicht einem virtuellen Großhirn, in dem

unzählige Miniaturgehirne drahtlos zusammengeschlossen sind.

3.3 Geruchssinn der Ameisen

Die Ameisen besitzen nachweislich Geruchs-, Gesichts-, Geschmacks- und Tastsinn. Der

Geruchssinn spielt weitaus die Hauptrolle im Leben der Ameise. Er hat seinen Sitz in den

Antennen, und zwar in den Endglidern bzw. den Porenplatten, Geruchskolben usw. Nach

Miß Fieldes Untersuchungen scheinen sich die einzelnen Glieder bezüglich der

Geruchsrezeption verschieden zu verhalten, das heißt es soll jedes Glied auf die

Wahrnehmung nur eines ganz bestimmten Geruches abgestimmt sein.

Ameisen haben mehr als zehn verschiedene Duftdrüsen an Kopf, Brust und Hinterleib, die

jeweils nicht nur einen, sondern eine Mischung von chemischen Signalstoffen produzieren

(siehe Abbildung 5). Ein Beispiel ist ihre Dufour-Drüse. Es ist eine kleine zwiebelförmige

Drüse am Hinterende der Ameise. Der Ausgang sitzt nahe der Giftdrüse. Pheromone, die

dort freigesetzt werden, dienen zur Alarmierung, Rekrutierung und zur sexuellen

Attraktion.

Abbildung 5 Geruchssinn der Ameisen



3.4 Kommunikations und Verhalten

Ameisen verfügen innerhalb und außerhalb des Staates über ein aufwändiges und

kompliziertes chemisches Kommunikationssystem. Ihre wichtigsten Sinnesorgane sind die

Fühler, über die sie unzählige Informationen in Form von Duftstoffen, den Pheromonen,

aufnehmen. Diese Pheromone sind Hormone, die nicht nur im Körper der einzelnen Ameise

produziert werden und bestimmte Verhaltensweisen auslösen. Sie werden über die Drüsen

abgesondert und bewirken, dass sich andere Ameisen, die sie aufnehmen, genauso

verhalten wie die absondernde Ameise. Außerdem dienen diese Pheromone als

Markierungsflüssigkeit - für Nahrungsquellen und gefährliche Orte oder als Hinweisschilder

auf den berühmten Ameisenstraßen. Je nach Funktion dieser Stoffe bezeichnet man sie als

Alarmpheromone (Alarmstoffe), Spur-Pheromone usw.

Abbildung 6 Kommunikation der Ameisen durch Pheromone

Das Verhalten der Ameisen beruht auf einigen wenigen einfachen Regeln, denn die

Weiterverarbeitung einer riesigen Informationsmenge wahrgenommener Gerüche und

Geschmäcker erfolgt in einem Gehirn, das nicht größer als ein Salzkorn ist. Deshalb zeigen

die Ameisen eine fast automatische Verhaltensreaktion auf eine festgelegte Auswahl

chemischer Verbindungen und scheinen die meisten der zahlreichen anderen Gerüche, die

der Mensch wahrnimmt, völlig zu ignorieren.

4. Technische Umsetzungen

4.1 BionicANTS

Das kooperative Verhalten der Ameisen hat Festo genauer unter die Lupe genommen und

auf die BionicANTs übertragen. Die BionicANTs arbeiten nach klaren Regeln zusammen, sie

kommunizieren miteinander und stimmen ihre Handlungen und Bewegungen aufeinander

ab. Jede einzelne Ameise trifft ihre Entscheidungen autonom, ordnet sich dabei aber immer

dem gemeinsamen Ziel unter und trägt so ihren Teil zur Lösung der anstehenden Aufgabe

bei.

Allen Aktionen liegt ein verteiltes Regelwerk zu Grunde, das vorab über eine mathematische

Modellbildung und Simulationen erarbeitet wurde und auf jeder Ameise hinterlegt ist. Die

Regelungsstrategie sieht ein Multiagentensystem vor, bei dem die Teilnehmer nicht

hierarchisch geordnet sind. Vielmehr beteiligen sich durch die verteilte Intelligenz alle



BionicANTs gemeinsam am Lösungsprozess. Der dazu nötige Informationsaustausch

zwischen den Ameisen findet über das Funkmodul im Rumpf statt.

Mithilfe eine 3D-Stereokamera im Kopf und der optische Sensor am Bauch, kennt jede

Ameise ihre Position, selbst wenn ihre Sicht temporär beeinträchtigt ist, und kann

Greifobjekts erkennen.

Auch in Design und konstruktivem Aufbau kommen die BionicANTs ihrem natürlichen

Vorlblid sehr nahe. Sogar das Mundwekzeug zum Greifen der Gegenstände ist detailgetreu

nachgebildet. Für die Zangenbewegung sorgen zwei piezokeramische Biegewandler, die als

Aktoren im Kiefer integriert sind. Werden die Plättchen mit Spannung belegt, verformen sie

sich und geben die Bewegungsrichtung mechanisch an die Greifzangen weiter.

Abbildung 7 Struktur eines BionicANT

4.2 Ameisenalgorithmus

Ameisen kommunizieren mittels Pheromonen, und diese Duftstoffe haften auf der

Oberfläche, über welche sich die Tiere bewegen. Angenommen zwei Ameisen begeben sich

von Nest zur Futterquelle. In der Ausgangssituation ist der kürzeste Weg noch nicht

bekannt. Somit geht Ameise 1 den Weg A, während Ameise 2 den Weg B um das Hindernis

herum wählt. Da Ameise 1 aber schneller wieder im Nest ist, da der Weg kürzer ist, kann sie

in einem definierten Zeitabschnitt öfter Futter zum Nest bringen als Ameise 2. Dadurch

steigt auch die Intensität der Pheromonspur auf Weg A. Würde nun eine Ameise 3 aus dem

Nest kommen, würde sie daher aufgrund der stärkeren Pheromonspur von Weg A, diesen

dem Weg B vorziehen. Im Verlauf der Zeit würden somit alle Ameisen nur mehr Weg A

wählen.



Dieses skizzierte Verhalten der Ameisen bei der Futtersuche wird in der Logistik zur Lösung

von kombinatorischen Optimierungsproblemen verwendet, beispielweise bei

Projektplannungsproblemen, dem Quadratischen Zuordnungsproblem, aber vor allem bei

der Routenoptimierung.

Abbildung 8 Funktionsweise des Ameisenalgorithmus

4.3 Schwarmintelligenz in Unternehmen

Statische und fest gefügte Unternehmen gehören der Vergangenheit an. Es werden

»Unternehmungen« als Ansammlung hoch spezialisierter Einheiten entstehen, die sich in

ihren Interessen gegenseitig ergänzen und sich ausweiten, zusammenarbeiten und

verändern, um sich der Marktdynamik bestmöglich anzupassen.

Das Ziel ist die Schaffung einer Infrastruktur zur Unterstützung von selbstorganisierten und

schnellen Bildung entscheidungs- und handlungsfähiger Teams. Wesentliches Kennzeichen

einer Schwärmenden Organisation ist der Wegfall der zentralen Lenkung. Gestärkt

hingegen wird die direkte Kommunikation zwischen den Individuen, die mehr Freiheit

erhalten, statt an exakten Anweisungen richten sie ihr Tun an Aufgaben aus.

Schwarmpower erschließt im Unternehmen ein zusätzliches Leistungspotenzial. Neuartige

Führungstechniken machen permanente Innovation zur Kernaufgabe aller Beschäftigten.

Die Alltagsarbeit wird intelligenter erledigt, Spitzenleistungen entstehen.

Abbildung 9 Schwarmintelligenz im Unternehmen



Ein Beispiel ist Wikipedia, bei der sich hunderttausend Menschen via Internet zusammen

finden und verfassen die größte Online-Bibliothek. Die Masse wirkt hier als Korrektiv.

Schreibt einer etwas Falsches, wird sein Eintrag von anderen schnell korrigiert. Ähnlich

agiert die "Open Source-Gemeinde" im Internet, der übrigends auch Joomla! angehört, der

Software, mit der auch diese Seite programmiert ist. Ein anderes Beispiel ist Linux als

Alternative zum Beispiel zu den kommerziellen Produkten von Microsoft.

5. Quellenangabe

5.1 Literatur

Platner, C. (2006). Ameisen als Schlüsseltiere in einem Grasland. Göttingen.

Universitätsverlag Göttingen. S. 1-3.

Goetsch, W. (1937). Die Staaten der Ameisen. Berlin. Verlag von Julius Springer. S.

17-23, 88-90, 134.

Hölldobler, B. & Wilson, E. (1995). Ameisen Die Entdeckung einer faszinierenden

Welt. Basel. Springer Basel AG.

Escherich, K. (1917). Die Ameise Schilderung ihrer Lebensweise. Braunschweig.

friedr. Vieweg & Sohn

Zsifkovits, H. & Altendorfer, S. (2013). Logistics Systems Engineering 1.

Wissenschaftlicher Industrielogistik-Dialog in Leoben. München. Reiner Hampp

Verlag. S. 22-23.

5.2 Internetquellen

Overath, S. (2013). Ameisen: die Kleinen mit den Superkräften. Von

http://suite101.de/article/ameisen-die-kleinen-mit-den-superkraeften-

a107298#.VsutxfnhDIV am 23.02.2016 erhalten

Mayr, G. Ameisen, die Könige des Regenwaldes. Von

http://sciencev1.orf.at/science/news/47465 am 23.02.2016 erhalten

Bargs-Stahl, E., Luck-Haller, E. (2008) Der Geruchssinn. Insekten. Von

https://www.planet-schule.de/wissenspool/total-phaenomenal-

sinne/inhalt/hintergrund/der-geruchssinn/insekten.html am 09. 03.2016 erhalten.

Festo (2015). BionicANTs Kooperatives Verhalten nach natürlichem Vorbild. Von

https://www.festo.com/PDF_Flip/corp/Festo_BionicANTs/de/#5/z am erhalten

Wohn-vision-2020. Der Ameisenstaat als Modell der Schwarmintelligenz. Von

http://www.hs-owl.de/wohn-vision-

2020/index.php?option=com_content&view=article&id=103:ameisen&catid=83

am 08. 03.2016 erhalten.

Jochen May Human Resources Consulting. Schwarmpower im Arbeitsalltag. Von

http://www.jmayconsulting.de/Schwarmintelligenz/schwarmintelligenz.htm am

09.03.2016 erhalten

Wohn-vision-2020. Erste Ansätze kollektive Intelligenz in Wissenschaft und

Wirtschaft zu nutzen. Von http://www.hs-owl.de/wohn-vision-



2020/index.php?option=com_content&view=article&id=105:erste-

ansaetze&catid=85 am 09.03.2016 erhalten.

Wohn-vision-2020. Zukunftsweisende Nutzung kollektiver Intelligenz in

Unternehmensverbünden. Von http://www.hs-owl.de/wohn-vision-

2020/index.php?option=com_content&view=article&id=106:zukunft&catid=86 am

09.03.2016 erhalten.

5.3 Video

Doku Regen. (2015, 24. März) Xenius - Bionik Zukunftsvisionen aus der Natur. Von

https://www.youtube.com/watch?v=UKMT_Pqp5W8&index=1&list=PLktSBtlFca7i

qjl4XRYwcYg9XOAr_6Me1 am 27.02.2016 erhalten.

5.4 Zeitschriften und Zeitungen

Güntheroth, H. (2008, 15. September). Ameisenvölker. Die Kraft des Kollektivs.

Stern. Von http://www.stern.de/panorama/wissen/natur/ameisenvoelker-die-

kraft-des-kollektivs-3761890.html am 23.02.2016 erhalten.

LEXIKON DER BIOLOGIE Ameisen. (1999). Spektrum der Wissenschaft. Von

http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/ameisen/2698 am 09.03.2016

erhalten.

Groß, M. (2012, Oktober). Wie sich Ameisen in der Wüste orientieren. Nachrichten

aus der Chemie Volume 60. Von

http://www.degruyter.com/view/j/nachrchem.2012.60.10/nachrchem.2012.60.10.

1007/nachrchem.2012.60.10.1007.xml?format=INT am erhalten

5.5 Elektronische Dokumente

Festo (2015). BionicANTs Kooperatives Verhalten nach natürlichem Vorbild. Von

https://www.festo.com/group/de/cms/10157.htm am erhalten.

Schulzki-Haddouti, C. (2008). Kooperative Technologien in Arbeit, Ausbildung und

Zivilgesellschaft. Von https://www.researchgate.net/publication/257928756 am

28.02.2016 erhalten.

5.6 Bildnachweis

Alle Bilder und Darstellungen die keinen Quellenverweis besitzen wurden von Karla Carballo

erstellt. Dazu wurden teilweise auch Lizenzfreie Bilder verwendet, die zur Veränderung und

Weitergabe ohne Quellenangabe gekennzeichnet sind.

Abbildung 1 Bionischer Denk- und Handlungsprozess .......................................................... 2

http://www.ibl.fh-muenster.de/kitewiki/index.php/Datei:Prinzip_der_Bionik.jpg

Abbildung 2 Arbeitteilung der Ameisen ................................................................................. 3

Abbildung 3 Ameisenstaat ...................................................................................................... 4

http://bilder.buecher.de/zusatz/29/29997/29997902_scre_4.jpg



Abbildung 4 Feuerameisenkönigin und Arbeiterinnen auf einem Teil ihres genetischen

Codes ...................................................................................................................................... 4

http://science.orf.at/stories/1711142/

Abbildung 5 Geruchssinn der Ameisen .................................................................................. 5

http://www.faz.net/aktuell/wissen/natur/ameisen-zoff-im-amazonenstaat-

1198034/geruchstier-ameise-1199721.html

Abbildung 6 Kommunikation der Ameisen durch Pheromone .............................................. 6

http://worldofants.de.tl/Ameisen-allgemein.htm

Abbildung 7 Struktur eines BionicANT ................................................................................... 7

https://www.festo.com/group/de/cms/10157.htm

Abbildung 8 Funktionsweise des Ameisenalgorithmus .......................................................... 8

Zsifkovits, H. & Altendorfer, S. (2013). Logistics Systems Engineering 1. Wissenschaftlicher

Industrielogistik-Dialog in Leoben. München. Reiner Hampp Verlag. S. 22-23.

Abbildung 9 Schwarmintelligenz im Unternehmen ............................................................... 8

http://www.jmayconsulting.de/Schwarmintelligenz/schwarmintelligenz.htm

Ameisen in der bionik

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