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Glasfasern aus der Optoelektronik in der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Foto: Universität Paderborn

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Glasfasern aus der Optoelektronik in der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Foto: Universität Paderborn

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flora robotica: Roboterschwärme als Baumeister nachhaltiger Pflanzenarchitektur – Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen an 3,6 Mio. Euro-Projekt beteiligt

Die Kommunikation zwischen Menschen, Pflanzen und Maschinen ermöglichen und dabei Städte neugestalten: Seit 2015 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Nationen unter der Leitung der Universität Paderborn im Projekt "flora robotica" an intelligenten Pflanzen. An dem von der EU geförderten Forschungsprojekt sind Informatiker, Robotiker, Zoologen, Zellbiologen, Mechatroniker und Architekten aus Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen beteiligt. Insgesamt wird das Projekt mit rund 3,6 Mio. Euro gefördert.

"Diese "intelligenten" Pflanzen sollen künftig - von Roboterschwärmen angeleitet - unsere Städte architektonisch beleben: Von der kontrolliert begrünten Wand bis hin zu ganzen Häusern aus lebender Biomasse", erläutert Juniorprofessor Dr. Heiko Hamann vom Heinz Nixdorf Institut und Institut für Informatik der Universität Paderborn das Projekt. Um dies zu erreichen, entwickelt das internationale Forscherteam sogenannte "biohybride Gesellschaften" aus Roboterschwärmen und Pflanzen. Neuartige im Projekt entwickelte Technologien machen es erstmals möglich, dass Menschen, Pflanzen und Roboter miteinander auf hohem Niveau kommunizieren und gemeinsame Ziele erreichen können.

Eine der großen Herausforderungen im Forschungsprojekt "flora robotica" ist der Aufbau eines Kommunikationsnetzwerkes zwischen Pflanzen, Menschen und Robotern. Dazu haben die Wissenschaftler völlig neuartige Kommunikationskanäle entwickelt, die sowohl das kurzfristige wie auch das langfristige Wachstum der Pflanzen beeinflussen können: "Die Roboter können den Pflanzen mitteilen, in welche Richtung sie wachsen sollen und die Pflanzen können den Robotern bekannt geben, was sie dafür brauchen, z. B. Wasser oder Licht", so Hamann.

Roboter als Dolmetscher zwischen Mensch- und Pflanzenwelt

Die Roboter kommunizieren aber nicht nur mit den Pflanzen, sie werden auch zu Vermittlern und Dolmetschern zwischen der Menschen- und der Pflanzenwelt. "Wir Menschen können somit erstmals strukturiert, gezielt und geplant an einer völlig neuartigen Pflanzenarchitektur arbeiten", verdeutlicht Juniorprofessor Dr. Heiko Hamann. Forscher erhalten erstmals durch die Roboter in "Echtzeit" Informationen über den Zustand der Pflanzen, wie z. B. Nährstoffmangel. Sie können so darauf reagieren, bevor negative Auswirkungen auf die Pflanze entstehen können. Umgekehrt können auch die Forscher über die Roboter Pflanzen Informationen zukommen lassen. Etwa ob die Pflanze gerade die jeweilige gewünschte architektonische Form bildet oder ihr Wachstum anders ausrichten muss.

Intelligente Pflanzen bauen nachhaltige lebenswerte Umwelten

Bereits jetzt werden Roboter immer wieder eingesetzt, um Pflanzenwachstum zu beeinflussen, etwa in automatisierten Gewächshäusern. In flora robotica gehen die Wissenschaftler einen entscheidenden Schritt weiter: Ihr Ziel ist es, das Pflanzenwachstum durchgehend zu beeinflussen und auf diese Weise innovative neue architektonische Gebilde entstehen zu lassen. Die Roboter werden zu einer Art "Baumeister" einer völlig neuartigen Pflanzenarchitektur. Die intelligenten Pflanzen sollen künftig dabei helfen, nachhaltige Städte und Lebenswelten aufzubauen, von "lebendigen Mauern" über Möbel bis hin zu ganzen Häusern. Im Projekt flora robotica nimmt aber auch architektonische Ästhetik einen wichtigen Platz ein und es entstehen neue, sich permanent ändernde, ressourcenschonende, architektonische Systeme.

Technologie, die "das Sprechen" mit Pflanzen möglich macht

Technisch ermöglicht die Kombination einer Vielzahl von Sensoren die Kommunikation zwischen Robotern und Pflanzen. Diese Sensoren funktionieren auf der Basis von verfügbarer Technologie, wie einfachen Abstandssensoren und anderen optischen Sensoren. Zusätzlich hat das Forscherteam aber auch neue Technologien entwickelt: wie Biomassesensoren, die auf der Verzerrung von elektromagnetischen Feldern basieren, oder auch Transpirationssensoren und Sensoren, die den Saftfluss (Xylemsaftfluss) messen.

Manche der symbiotischen Roboter sind stationär, andere wiederum bewegen sich langsam fort, um mit dem Pflanzenwachstum Schritt zu halten. Schnell hingegen funktionieren die Kontrollmechanismen der Roboter, welche die Pflanzen durch Hochintensitäts-LEDs und Vibrationsmotoren beeinflussen. Weiterhin benutzen die Forscher blaues Licht, um die Pflanzen über sogenannten "Phototropismus" zu steuern, indem ihre Wachstumsspitze von der Lichtquelle angelockt wird. Eingesetzt wird aber auch Licht im sogenannten "far-red"-Bereich (zwischen dem Spektrum von sichtbarem und infrarotem Licht), um auf Pflanzen gezielt abstoßend zu wirken. Gleichzeitig werden Vibrationsmotoren eingesetzt, um das Wachstum auf bestimmte Teilbereiche zu beschränken.

In den bisherigen Experimenten wurde das Zusammenspiel zwischen Robotern und einer Vielzahl von verschiedenen Pflanzenarten, wie zum Beispiel Bambus, Bohnen, Bananen oder Tomaten bereits erfolgreich getestet.

 

Weitere Informationen:

Das flora robotica Team:

  • Universität Paderborn (Heinz Nixdorf Institut, Institut für Informatik, Schwarmintelligenz)
  • Adam Mickiewicz Universität, Polen (Fakultät für Molekular- und Zellbiologie)
  • Centre for Information Technology and Architecture, Dänemark- Cybertronica Research, Deutschland
  • IT University of Copenhagen, Dänemark (Robotics, Evolution and Art Lab)
  • Karl-Franzens-Universität Graz, Österreich (Fakultät für Zoologie, Artificial Life Lab)

Das Projekt wird durch das Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter der FET Fördervereinbarung Nr. 640959 gefördert.

Homepage: http://www.florarobotica.eu/
Offizielles Projekt-Video: https://youtu.be/Byo55asQUwM
Twitter: @florarobotica https://twitter.com/florarobotica
Instagram: https://www.instagram.com/florarobotica/
Youtube channel: https://www.youtube.com/channel/UCkQPj4HB-1IxZJ9AXB-cVxA

The University for the Information Society