Honigbienen sind dafür bekannt, dass sie schwer zu studieren sind. Forschungsinstrumente und -bedingungen und sogar unbekannte Gerüche können das Verhalten eines Bienenvolkes stören. Ein gemeinsames Forschungsteam der Mobile Robotic Systems Group der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken und der Fakultät für Informatik und Kommunikation der EPFL sowie des Hiveopolis-Projekts an der Universität Graz in Österreich hat ein Robotersystem entwickelt, das sich unauffällig in den Rahmen eines klassischen Honigbienenstocks einfügen kann.
Bestehend aus einer Reihe von thermischen Sensoren und Aktoren, misst und moduliert dieses System das Verhalten der Honigbienen durch lokalisierte Temperaturschwankungen.
"Viele Regeln der Bienengesellschaft - von kollektiven und individuellen Interaktionen bis hin zur Aufzucht einer gesunden Brut - werden durch die Temperatur gesteuert. Daher haben wir uns das für diese Studie zunutze gemacht", erklärt Rafael Barmak, Doktorand an der EPFL und Hauptautor eines Artikels über das System, der kürzlich in der Fachzeitschrift Science Robotics erschienen ist. "Die Wärmesensoren erstellen eine Momentaufnahme des kollektiven Verhaltens der Bienen, während die Aktoren es uns ermöglichen, ihre Bewegung durch Modulation der Wärmefelder zu beeinflussen."
"Frühere Studien über das Wärmeverhalten von Honigbienen im Winter beruhten auf der Beobachtung der Bienen oder der Manipulation der Außentemperatur", fügt Martin Stefanec von der Universität Graz hinzu. "Unser Robotersystem ermöglicht es uns, die Temperatur vom Inneren der Traube aus zu verändern, wodurch das thermische Verhalten des Bienenkerns nachgeahmt wird und wir untersuchen können, wie die Wintertraube ihre Temperatur aktiv reguliert."
Ein "biohybrider Superorganismus" soll den Koloniekollaps eindämmen
Bienenvölker sind im Winter schwer zu untersuchen, da sie kälteempfindlich sind und das Öffnen der Bienenstöcke ihnen schaden und ihr Verhalten beeinflussen könnte. Doch dank ihres biokompatiblen Robotersystems konnten die Wissenschaftler drei experimentelle Bienenstöcke des Artificial Life Laboratory der Universität Graz im Winter untersuchen und sie von der EPFL aus fernsteuern. Das System ist mit einem zentralen Prozessor ausgestattet, der die Sensoren koordiniert, Befehle an die Aktoren sendet und die Daten an die Wissenschaftler weiterleitet. Damit demonstriert das System, dass es auch ohne Eindringlinge oder gar eine Kamera zum Studium von Bienen eingesetzt werden kann.
Francesco Mondada, Leiter der Mobile Robotic Systems Group, erklärt, dass einer der wichtigsten Aspekte des Systems - das er als "biohybriden Superorganismus" bezeichnet, da es Robotik und eine Kolonie von Individuen, die wie ein Lebewesen agieren, vereint - seine Fähigkeit ist, das Verhalten der Bienen gleichzeitig zu beobachten und zu beeinflussen.
"Indem wir Daten über die Position der Bienen sammelten und wärmere Bereiche im Bienenstock schufen, konnten wir sie dazu ermutigen, sich auf eine Weise zu bewegen, die sie in der Natur im Winter nie tun würden, wo sie dazu neigen, sich eng aneinander zu schmiegen, um Energie zu sparen. Dadurch können wir im Sinne einer Kolonie handeln, indem wir sie z. B. zu einer Nahrungsquelle führen oder sie davon abhalten, sich in zu kleine Gruppen aufzuteilen, was ihr Überleben gefährden könnte."
Den Wissenschaftlern gelang es, das Überleben eines Bienenvolkes nach dem Tod der Königin zu verlängern, indem sie über die Aktuatoren Wärmeenergie verteilten. Die Fähigkeit des Systems, den Koloniekollaps zu begrenzen, könnte sich auf das Überleben der Bienen auswirken, das aufgrund des weltweiten Rückgangs der Bestäuberpopulationen zu einer wachsenden Sorge um die Umwelt und die Lebensmittelsicherheit geworden ist.
Nie zuvor beobachtete Verhaltensweisen
Neben seinem Potenzial zur Unterstützung von Bienenvölkern hat das System auch bisher nicht beobachtete Verhaltensweisen von Honigbienen ans Licht gebracht und damit neue Wege in der biologischen Forschung eröffnet.
"Die von unserem System lokal erzeugten thermischen Reize haben nie zuvor beobachtete Dynamiken offenbart, die interessante neue Fragen und Hypothesen aufwerfen", sagt Rob Mills, Postdoc-Forscher an der EPFL und Ressourcenautor. "Zum Beispiel gibt es derzeit kein Modell, das erklären kann, warum wir die Bienen dazu ermutigen konnten, bestimmte kalte Temperaturtiefs im Bienenstock zu durchqueren."
Die Wissenschaftler planen nun, das System zur Untersuchung von Bienen im Sommer einzusetzen, einer kritischen Zeit für die Aufzucht junger Bienen. Parallel dazu erforscht die Mobile Robotic Systems Group Systeme, die Vibrationswege nutzen, um mit Honigbienen zu interagieren.
"Die Frage der biologischen Akzeptanz dieser Robotersysteme ist entscheidend: Die Tatsache, dass die Bienen die Integration von Elektronik in den Bienenstock akzeptiert haben, verleiht unserem System ein großes Potenzial für verschiedene wissenschaftliche oder landwirtschaftliche Anwendungen", sagt Francesco Mondada.
Referenzen
R. Barmak and M. Stefanec, D. N. Hofstadler, L. Piotet, S. Schönwetter-Fuchs-Schistek, F. Mondada, T. Schmickl, R. Mills (2023) A robotic honeycomb for interaction with a honeybee colony. Science Robotics, Vol 8, Issue 76. https://doi.org/10.1126/scirobotics.add7385
