Ein künstliches visu olfaktorisches bionisches Facettenauge in Insektengröße

Roboteraugen und -nasen in einem winzigen Paket

Stellen Sie sich ein Roboterinsekt vor, das nicht nur sieht, wohin es fliegt, sondern auch gefährliche Gase in der Luft „riechen“ kann — und das alles mit einem Gerät, das nicht größer ist als das Auge einer echten Fliege. In diesem Artikel wird genau eine solche Entwicklung beschrieben: ein winziges künstliches Facettenauge, das Seh- und Geruchssinn in einem einzigen, ultraleichten Sensor vereint. Indem die Forschenden Tricks von Fruchtfliegen und anderen Insekten übernehmen, zeigen sie, wie künftige Drohnen und kleine Roboter sich schnell und sicher in unübersichtlichen, gefährlichen Umgebungen zurechtfinden könnten, bei sehr geringem Energieverbrauch.

Was die Natur den Ingenieuren beibrachte

Insekten wie Fruchtfliegen nutzen Facettenaugen — Kuppeln, die mit Hunderten winziger Linsen bestückt sind — um Bewegungen über ein weites Sichtfeld zu erkennen, was ihnen hilft, Fressfeinden und Hindernissen auszuweichen. Gleichzeitig liefern ihre Antennen einen scharfen Geruchssinn, mit dem sie Nahrung, Partner oder Gefahren in der Luft aufspüren können. Beide Informationsströme werden im Insektengehirn kombiniert, um schnelle Entscheidungen zu treffen. Die Autorinnen und Autoren setzten sich zum Ziel, diesen Doppelsinn in Hardware nachzubilden: ein einzelnes, insektengroßes Gerät, das das Auge der Fliege für Weitwinkel-Bewegungserkennung imitiert und eine chemische „Nase“ zur Analyse der Umgebungsluft integriert, um beide Signale zu einer schlaueren Steuerung zu verschmelzen.

Ein winziges, gekrümmtes Auge bauen, das wirklich funktioniert

Das Team baute ein zylindrisches künstliches Auge in etwa der Größe eines kleinen Insektenkopfes und packte 1.027 winzige Linsen in ein Quadrat von nur 1,5 Millimetern Kantenlänge. Mit einer ultrapräzisen 3D-Drucktechnik druckten sie direkt ein gekrümmtes Mikrolinsen-Array auf eine flexible Schicht organischer Lichtdetektoren. Jede Linse stimmt mit einem einzelnen Detektor überein und bildet ein individuelles „Pixel“, das in seine eigene Richtung blickt — ähnlich einem Ommatidium bei Insekten. Die Linsen sind mit einem engen Akzeptanzwinkel gestaltet, sodass Licht aus einer Richtung nicht in benachbarte Pixel streut und so die natürliche optische Isolation echter Facettenaugen nachahmt. Um mit Nebel und Feuchtigkeit zurechtzukommen, ergänzten die Forschenden mikroskopisch feine, haarähnliche Strukturen zwischen den Linsen, die Kondensation von Tropfen auf der Oberfläche verhindern helfen — ähnlich den selbstreinigenden Härchen rund um echte Insektenaugen.

Bewegung sehen und Luft in Echtzeit messen

Unter den Linsen liegt eine speziell entwickelte lichtempfindliche Schicht aus einer Mischung organischer Halbleiter und Bleisulfid-Quantenpunkten. Diese Kombination ermöglicht es dem Gerät, Licht von ultraviolett über sichtbares bis in den nahinfraroten Bereich zu detektieren und reagiert in etwa einem Zehntausendstel einer Sekunde — schnell genug für eine Flimmerfusion von rund 1.000 Bildern pro Sekunde. Anstatt scharfe, detailreiche Bilder zu erzeugen, zeichnet das Gerät sich verändernde Lichtflecken über sein weites Sichtfeld auf, die ein einfaches mathematisches Modell in Informationen darüber umwandelt, wo Objekte sind, wie weit sie entfernt sein könnten und wie sie sich bewegen. Parallel dazu fungiert ein im Tintenstrahlverfahren gedrucktes kolorimetrisches Array wie eine künstliche Nase: winzige Punkte mit Metallkomplexen und pH-empfindlichen Farbstoffen verändern ihre Farbe bei Kontakt mit bestimmten gefährlichen Gasen. Ein leichtgewichtiges, von Fliegen inspiriertes Hashing-Algorithmus wandelt diese Farbänderungen in Gasidentität und grobe Konzentration um, mit etwa 93 % Genauigkeit bei zehn gängigen toxischen Dämpfen.

Vom Labortisch zu rollenden Robotern und Drohnen

Um zu zeigen, dass dieses insektengroße „Auge-und-Nase“-System auch außerhalb des Labors nützlich ist, montierten die Forschenden es auf zwei kleinen unbemannten Plattformen. Auf einem omnidirektionalen Radroboter erlaubte das gekrümmte Auge dem System, ein 180-Grad-Horizontalfeld zu überwachen und Bewegungen schnell genug zu erkennen, um herannahenden Hindernissen auszuweichen — selbst bei nebligen Bedingungen. Einfache, hardwareimplementierte Regeln — wiederum inspiriert von Insekten-Fluchtverhalten — ließen den Roboter vor eintreffenden Objekten zurückweichen oder an ihnen vorbeisteuern, während er fuhr. Auf einer kleinen Drohne verfolgte dasselbe Gerät die Position bewegter Lichtquellen in drei Dimensionen und leitete zusammen mit dem Gassensor die autonome Erkundung einer Testumgebung mit Lichtquellen und Gasfahnen. Bild- und Geruchsinformationen wurden kombiniert, sodass die Drohne sowohl Zielen folgen als auch gefährliche Gase räumlich kartieren konnte.

Warum das für künftige kleine Maschinen wichtig ist

Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, sowohl Weitwinkel- und Hochgeschwindigkeits-Sehen als auch chemische Sensorik in einem Sensor unterzubringen, der ungefähr so groß ist wie das Auge eines echten Insekts. Das Gerät opfert feine Bilddetails zugunsten von Bewegungsempfindlichkeit, breiter spektraler Abdeckung und Energieeffizienz — genau die Kompromisse, die für winzige Drohnen und Roboter mit begrenzter Energie und Rechenkapazität wichtig sind. Indem „Augen“ und „Nase“ in einem kompakten System vereint und Fusionsstrategien aus Insektengehirnen übernommen werden, weist die Studie den Weg zu künftigen Schwärmen kleiner, kostengünstiger autonomer Maschinen, die Hindernissen ausweichen, riskante Gase erkennen und komplexe Umgebungen mit der Wendigkeit fliegender Insekten erkunden können.

Zitation: Wang, J., Wei, S., Qin, N. et al. An insect-scale artificial visual-olfactory bionic compound eye. Nat Commun 17, 2259 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68940-0

Schlüsselwörter: bionisches Facettenauge, bioinspirierte Robotik, multimodale Sensorik, Mikro-Visionssysteme, Erkennung gefährlicher Gase