Vernetzte Tiere Wie Schwarmintelligenz die Wissenschaft herausfordert

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

DMB Technics AG

Effizienter im Schwarm: Tiere in großen Verbänden ermöglicht es im Gegensatz zum einzelnen Individuum, Probleme zu lösen. Das Verhalten lässt sich auch auf uns Menschen übertragen.

Es grenzt an ein Wunder, dass zehntausende Stare in einem Schwarm nicht kollidieren, sondern sich wie ein einziger Organismus organisieren. Während namhafte Forscher vor Jahren noch von Telepathie oder Gedankenübertragung sprachen, ist heute klar, dass es nur drei einfache Regeln braucht, damit der Schwarm funktioniert: zusammenbleiben, gleichen Abstand halten, in die gleiche Richtung fliegen [1, 2, 3].

Das scheinbar spontan koordinierte Schwarmverhalten großer Tierverbände fasziniert nicht nur Biologen. Auch in der Literatur werden sie zu Protagonisten phantastischer Geschichten, wie in der kürzlich ausgestrahlten Verfilmung des Bestsellers „Der Schwarm“ von Frank Schätzing oder dem Techno-Thriller „Kill Decision“ von Daniel Suarez [22]. Und gerade die Schwarmrobotik hat in den letzten Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Es wird erwartet, dass sich dieser Ansatz aufgrund der steigenden Nachfrage nach autonomen Roboteranwendungen aus unterschiedlichen Branchen zu einem der wichtigsten Innovationstreiber in der Robotik entwickeln wird [23]. Obwohl wir bereits viel über Schwärme und Schwarmintelligenz gelernt haben, gibt es noch viel zu erforschen.

Ein Schwarm von Tieren kennt keinen einzelnen Anführer

Neben den drei bereits genannten Grundregeln ist bekannt, dass es in einem Schwarm von Tieren keinen einzelnen Anführer gibt, der den Schwarm steuert. Vielmehr wird die Richtung und Geschwindigkeit des Schwarms durch das Verhalten einiger weniger, wechselnder Individuen bestimmt. Viele Eindrücke sind notwendig, damit der Schwarm eine Entscheidung trifft [2]. Dieses Verhalten wurde auch in Experimenten mit Roboterfischen bestätigt: Hier entscheidet die Größe des Schwarms, ob ein Fisch die anderen anführt.

Interessant auch: Fische folgen dem Mehrheitsprinzip – und das, obwohl sie selbst nicht zählen können. Das heißt: Wenn fünf Fische in die eine Richtung schwimmen und sieben in die andere, folgt der Schwarm in den meisten Fällen der größeren Gruppe [3, 4].

Der Schwarm ist mehr als die Summe der Einzelnen

Die Bildung von Gruppen in der Luft, auf dem Land oder im Wasser ist eine Frage des Überlebens. Der Zusammenschluss bringt viele Vorteile, von der Nahrungssuche bis zum Schutz vor Gefahren. Treten viele Kleine als ein großes Ganzes auf, kann das einen Fressfeind abschrecken. Greift der Räuber dennoch an, kann er in der Menge nur schwer ein einzelnes Tier ins Visier nehmen [1, 2]. Zudem sehen viele Augenpaare mehr als eines. Die Wahrscheinlichkeit, einen Angreifer zu entdecken, steigt von 55 bis 60 Prozent bei einem einzelnen Tier auf 85 bis 90 Prozent im Schwarm [5, 6].

Das Leben in der Gruppe ermöglicht es den Tieren, Probleme zu lösen, die ein einzelnes Tier nicht lösen könnte; dieses Phänomen wird Emergenz genannt. Man spricht daher auch von Schwarmintelligenz oder kollektiver Intelligenz [7]. Im Allgemeinen ist die Intelligenz des einzelnen Tieres nicht ausschlaggebend für die Intelligenz der Masse. Einige Fische gelten als intelligent, weil sie in der Lage sind, Probleme zu lösen. Heuschrecken zum Beispiel können das nicht. Trotzdem verhalten sich Heuschreckenschwärme intelligent [1].

Aber auch das Verhalten der einzelnen Individuen verändert sich im Schwarm: Fische beispielsweise passen ihr Sozialverhalten und ihre Risikobereitschaft an die Schwarmgröße an [3]. Auch für die Gruppendynamik in Tierschwärmen haben Forscher nachgewiesen, dass individuelle Charaktereigenschaften eine wesentliche Rolle spielen [8].

Vögel sparen Energie mit dem Schwarmflug

Es ist seit langem bekannt, dass Zugvögel, die in Schwärmen mit dem Kompass im Auge ziehen, in V-Formation fliegen, um beim kräftezehrenden Flug Energie zu sparen [21]. Das bedeutet, dass die Vögel immer versetzt hinter dem Vordermann fliegen. So fliegen die Nachzügler in der Wirbelschleppe, dem Sog, den der Leitvogel durch seinen Flügelschlag erzeugt [9]. Das gilt auch für Fischschwärme. Das haben Wissenschaftler mit Hilfe von Roboterfischen herausgefunden. Das Geheimnis des Energiesparens liegt hier in der Synchronisation der Flossenschläge. Der am Ende schwimmende Fisch muss den Schlag seiner Schwanzflosse an den des vor ihm schwimmenden Tieres anpassen. Dabei entsteht – je nach Abstand zum Vordermann – eine optimale Phasenverschiebung [10, 19, 20].

Jedes Individuum hat nur wenige Informationen über seine Umwelt und interagiert nur mit einer begrenzten Anzahl von Artgenossen. Durch das Leben in der Gruppe erwirbt der Schwarm ein kollektives Wissen über seine Umwelt und kann darauf reagieren. Und er trifft als Ganzes koordinierte und sinnvolle Entscheidungen. Forscher haben herausgefunden, dass die Gruppenentscheidung durch Rückkopplung entsteht, indem jedes Individuum sein Verhalten an das seiner Nachbarn anpasst und diese wiederum in ihrem Verhalten beeinflusst. Das Verhalten der Individuen ähnelt dabei den Strukturen in neuronalen Netzen, zum Beispiel im Gehirn.

Auch der Schwarmforscher Prof. Ian Couzin vom Max-Planck-Institut vergleicht Neuronen im Gehirn mit einzelnen Tieren im Schwarm: „Wenn wir verstehen, wie Kollektive funktionieren, verstehen wir auch, wie unser Gehirn funktioniert. Neuronen sind relativ einfach, aber wenn sie zusammenarbeiten, leisten sie Erstaunliches.“ [10, 11, 12]

Besonders faszinierend ist: Ein Schwarm kann sich an Dinge erinnern, die ein bestimmtes Tier vielleicht gar nicht selbst erlebt hat, sie besitzen ein sog. kollektives Gedächtnis. Weiterhin verarbeitet nicht nur das Gehirn der einzelnen Fische Informationen, sondern auch der Schwarm als Ganzes [10]. Doch wie können wir die Weisheit des Schwarms für uns nutzen?

Wie wir von der Schwarmintelligenz profitieren können

Menschen können von der Schwarmintelligenz profitieren – auch wenn Menschen im Schwarm nicht immer die besseren Entscheidungen treffen, siehe Corona Rebellen oder Sturm auf den Reichstag. Denn gerade beim Menschen ist es entscheidend, dass die einzelnen Individuen nicht alle Informationen haben oder nicht wissen, wie die anderen entscheiden [5]. Experimente haben gezeigt, dass sich Menschenmassen wie ein Schwarm führen lassen, wenn nur fünf bis zehn Prozent die Richtung vorgeben. Das zeigte ein Experiment zur Schwarmintelligenz mit 200 Teilnehmern in einer Messehalle. Zwanzig von ihnen bekamen die Aufgabe, sich zu einem vorgegebenen Ziel zu bewegen. Die anderen 180 Personen sollten einfach in Bewegung bleiben. Jegliche Kommunikation, weder durch Sprache noch durch Gesten, war verboten.

Das Ergebnis: Innerhalb kürzester Zeit kamen alle am gleichen Ziel an und das, obwohl weder die 20 Personen untereinander wussten, dass sie dem gleichen Ziel folgten, noch die anderen 180 Personen wussten, dass es überhaupt ein Ziel gab [6, 13]. Dieses Wissen kann beispielsweise bei Großveranstaltungen von Nutzen sein. Wenige „Wächter“ müssen den Weg kennen und führen. Alle anderen halten eine Armlänge Abstand und bewegen sich. So können Menschenmassen reibungslos evakuiert und Massenpaniken vermieden werden [1].

Was wir von Ameisen und Bienen lernen können

Ameisen finden mithilfe von Pheromonen die kürzeste Route zum Transport von Futter. Dazu markieren die Ameisen auf Futtersuche ihren Weg mit flüchtigen Duftstoffen – zum einen, um den Rückweg wiederzufinden, zum anderen, damit weitere Ameisen bei einer Erfolgsmeldung ihren Weg zum Futter folgen können. Findet nun eine andere Ameise einen kürzeren Weg zwischen Futterstelle und Ameisenhaufen, sind die Duftstoffe auf deren Route entsprechend intensiver – also orientieren sich nachfolgende Ameisen an diesem Pfad, was die Duftspur zusätzlich verstärkt. Ist der ursprüngliche Weg plötzlich blockiert, kann anhand der zurückkehrenden Ameisen und der Intensität derer Duftspuren wieder innerhalb kurzer Zeit der schnellste Weg ermittelt und für alle nachvollziehbar kommuniziert werden – und das ohne eine übergeordnete Koordination.

Der darauf basierende „Ameisenalgorithmus“ kommt heute in vielen Szenarien zum Einsatz: in der Routenoptimierung in der Produktion und Intralogistik, der Schaltung von Kommunikationskanälen wie Telefon und Internet (hier ist die Signalstärke ein Hinweis auf die Schnelligkeit der Datenpakete) oder dem Transportmanagement in der Logistik (virtuelle Ameisen lösen das „Problem des Handlungsreisenden“ effizient, wodurch sich Unternehmen erhebliche Transportkosten können). Auch Verkehrssysteme profitieren vom Ameisenalgorithmus: Mathematische Berechnungen imitieren die Schwarmintelligenz bereits und sorgen für intelligente Verkehrsleitsysteme. Die ermöglichen eine Abstimmung von Ampelanlagen untereinander, die wiederum für einen idealen Verkehrsfluss sorgen [2, 7, 14, 15].

Wie sich die Schwarmintelligenz in Unternehmen einsetzen lässt

Gruppen in Unternehmen arbeiten besonders effizient, wenn sie nach dem Honigbienen-Prinzip arbeiten. Die Bienen teilen sich die Aufgaben nach den Stärken des Einzelnen ein und nutzen so die Wissens-Vielfalt optimal [1]. Wichtig bei Meetings im Unternehmen: Die Masse trifft nur dann schlaue Entscheidungen, wenn alle unabhängig voneinander Einzelmeinungen abgeben können und so unterschiedliche Meinungen gefördert werden. Werden die Gruppenmitglieder zu ähnlich, stockt der Innovationsprozess, das Ergebnis sind Mittelwerte, also Mittelmaß [7].

Und auch die Unternehmensführung kann von Bienen lernen. Selbst wenn die Hierarchie stimmt und die richtigen Leute ihre Stärken am besten Arbeitsplatz ausspielen können, kann es zu Problemen in der Zielerreichung kommen. Menschen brauchen Kontakt zu Gleichgestellten und unbedingt auch mit den Vorgesetzten. Hier sind jedoch keine riesigen Townhall Meetings gemeint, sondern der authentische, direkte Kontakt. „Was vom Einzelnen erwartet wird, muss begriffen, gesehen und gefühlt werden und nicht nur verstanden. Menschen zeichnen sich zwar durch eine besondere Intelligenz und die Fähigkeit aus, mit dem Verstand abstrakte Inhalte verarbeiten zu können, aber Menschen sind, wie Tiere, immer noch wesentlich vom Unterbewusstsein gelenkt. Dieses Unterbewusstsein wird durch die Sinne und die Gefühle gefüttert“, schreibt Dieter Schürer in „Das Bienenstock-Prinzip“ [16].

Der Kontakt sei daher zentral in der Übermittlung von Ideen, Zielen und Aufträgen. Bei Bienen sind Pheromone die wichtigsten Botenstoffe im Bienenstock und bestimmen das Verhalten und das Leben der Empfänger. Die Bienenkönigin kann verschiedene Pheromone erzeugen und gibt sie laufen an ihren Hofstatt ab, so verteilen sie sich auf das ganze Volk. Kommt es zu einem Pheromonmangel, wird die Königin nicht mehr voll anerkannt. Ähnlich ist es bei uns Menschen. Fehlt der direkte Kontakt zur Unternehmensführung (vergleichbar mit einem Pheromonmangel), sind die Mitarbeiter unzufrieden. Es ist somit für das Management – egal auf welcher Stufe – entscheidend, sich direkt mit den Mitarbeitenden auszutauschen und deren Bedürfnisse, Nöte und Ideen zu erfahren – und wo auch der emotionale Aspekt der zwischenmenschlichen Beziehung berücksichtigt wird. Nur so kann laut Schürer das nötige Vertrauensverhältnis aufgebaut werden, das es für eine natürlich Anerkennung der Führung braucht [16].

Drohnenschwärme und Schwarmintelligenz in Quantennetzwerken

Dr. Dmitriy Shutin, Schwarm-Robotiker am DLR, will die Welt mit einem Schwarm Drohnen erkunden. Die autonom fliegenden Drohnen sollen Gefahrstoffe detektieren und deren Position exakt bestimmen. Dabei kommuniziert jede Drohne in Echtzeit an mindestens fünf Satelliten, welche die Bewegung ständig abgleichen. So kennt jede Drohne – blind – jederzeit ihren Standort auf ein bis zwei Dezimeter genau. Mittels chemischer Sensoren erspürt jede Drohne kleinste Bestandteile der Gase; diese Daten tauschen die Drohnen permanent aus. In einem Versuchen dauert es nur wenige Minuten, bis der Drohnenschwarm die Quelle entdeckt. In Zukunft will Shutin seine Drohnen für den Katastrophenschutz einsetzen [2].

Auch in der Quantenforschung wird die Schwarmintelligenz erforscht. Wissenschaftler der Nanyang Technological University in Singapur haben herausgefunden, dass mehrere schlecht trainierte Quantennetzwerke (der „Schwarm“) zusammen mehr leisten als ein einziges gut trainiertes (der „Experte“). Eine der zu lösenden Aufgaben war die Erkennung von Verschränkungen. Dazu nutzten die Forscher so genannte Ensemble-Methoden aus der klassischen Informatik. Die Idee des Ensemble-Lernens ist, dass eine Kombination verschiedener Lernalgorithmen besser sein kann als ein Algorithmus allein.

Für ihre Experimente nutzten die Forscher neuronale Quantennetzwerke – das sind künstliche neuronale Netze mit Quantensystemen als Knoten. Um die Systeme vergleichen zu können, legten die Wissenschaftler fest, dass die Gesamtzahl der Trainingsläufe für beide Systeme gleich sein muss. Das kollektive Ergebnis des „Schwarms“ war etwas besser als das des „Experten“. Durch Vergrößerung des Schwarms konnten die Forscher die Fehlerrate sogar noch weiter senken. Die Forscher gehen davon aus, dass sich ihre Ergebnisse auf viele typische Quantenarchitekturen und Aufgaben des maschinellen Lernens mit Quanten verallgemeinern lassen. Dies wiederum wäre ein wichtiger Schritt, um maschinelles Lernen zuverlässig in realen Anwendungen einsetzen zu können [17, 18].

Bisher in der Serie erschienen

Elektrische Rekorde der Natur

Zitteraal und Hammerhai – dem Elektrosinn auf der Spur

Elektrische Rekorde der Natur

Mit dem Kompass im Auge um die ganze Welt

Elektrische Rekorde der Natur

Die wundersamen Magnetfelder unserer Planeten

Elektrische Rekorde der Natur

Wenn sich der Tintenfisch elektrisch unsichtbar macht

Weiterführende Links und Referenzen

[1] Schwarm-Intelligenz: So clever arbeiten Tiere zusammen

[2] Schlaue Schwärme – Geheimnisvolle Sprachen. ZDF.

[3] Schlaue Schwärme – Rätselhafte Kräfte. ZDF.

[4] Warum Tiere auf Schwärme fliegen von Klaus Wilhelm, Max Planck Forschung. PDF.

[5] Die Weisheit der Vielen. Deutschlandfunk Kultur.

[6] Warum stoßen Tiere im Schwarm nicht zusammen? Pädagogische Hochschule Thurgau. PDF.

[7] Schwarmintelligenz: Sind wir gemeinsam wirklich klüger?

[8] Individualität bestimmt das Gruppenverhalten von Fischschwärmen. Max-Planck-Gesellschaft.

[9] Zugvögel und die Keilformation. Planet Wissen.

[10] Geregeltes Durcheinander. Max-Planck-Forschung.

[11] Kollektive Intelligenz. Wikipedia.

[12] Howard Rheingold: Smart Mobs: The Next Social Revolution, 2002

[13] Schwarmintelligenz am Menschen erforscht. Welt.de.

[14] Ameisenalgorithmus. Ameisen Wiki.

[15] Forschung und Schwarmintelligenz: Läuft einer bei Rot, laufen alle los. Tagesspiegel.

[16] Das Bienenstock-Prinzip: Was wir von Bienen für die Unternehmensführung lernen können, Dieter Schürer, 1. Auflage, Haufe Verlag.

[17] T. Krisnanda et al.: Wisdom of Crowds in Quantum Machine Learning, Phys. Rev. Applied 19, 034010 – Published 3 March 2023.

[18] Quantennetzwerke zeigen Schwarmintelligenz. Spektrum.de.

[19] Im Schwarm schwimmen spart Energie. Deutschlandfunk Nova.

[20] Fische sparen im Schwarm Energie.Max-Planck-Gesellschaft.

[21] Mit dem Kompass im Auge um die ganze Welt. ELEKTRONIKPRAXIS.

[22] Fliegende, autonome Killer-Drohnen bedrohen die Menschheit. ELEKTRONIKPRAXIS.

[23] Von Ameisen und Bienen zu Swarm Robotics. ELEKTRONIKPRAXIS.

(ID:49523220)