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

2
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

3
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

4
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.

5
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

6
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

7
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.

8
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

9
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-

10
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

11
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

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Mehr von Karla Carballo Valderrábano

Mehr von Karla Carballo Valderrábano (20)

Ameisen in der bionik