Die kleine Springspinne hat acht hochspezialisierte Augen, die für die Fraunhofer-Forscher als ein Vorbild für ihre künstlichen Augen dienten. Foto: Opoterser, Wikipedia, CC3-Lizenz
Fraunhofer-Optiker in Jena experimentieren mit künstlichen Spinnen-Augen für Mini-Kameras
Jena/Dresden, 27. Oktober 2015. Damit Smartphones künftig noch dünner gebaut werden können und Mini-Kameras sogar unauffällig in Chipkarten integriert werden können, haben Fraunhofer-Optiker aus Jena künstliche Insektenaugen entwickelt. Diese besonders flachen Sensoren ähneln den Mehrfach-Augen der Springspinne und anderer Winzlinge, brauchen also keine speziellen Objektive. Der Physiker Prof. Norbert Kaiser vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena zeigte sich bei einem Vortrag in Dresden regelrecht begeistert davon, was sich die Optikkonstrukteure von den Insekten technologisch noch alles abschauen können: „Die Natur ist uns da meilenweit voraus“, sagte er.
Prof. Norbert Kaiser vom Fraunhofer-IOF Jena stellte in einem Vortrag im Kleinen Haus in Dresden Konzepte vor, wie Optiker vom den Insekten lernen können. Foto: hw
Augen sind flacher und billiger
Die Fraunhofer-Forscher selbst nennen ihre Optiken „Facet-Vision„. Diese künstlichen Augen sind dünner als ein 1-Cent-Stück. Sie können mit ähnlichen Verfahren wie Computerchips massenhaft auf Scheiben produziert werden. Die Augen sind dadurch laut Professor Kaiser zu geringeren Kosten herstellbar als klassische Mikroobjektive aus Kunststofflinsen, wie sie derzeit in den meisten Smartphone-Kameras eingebaut werden. Denkbar sei dadurch sogar eine Massenproduktion „am Standort Deutschland zu wettbewerbsfähigen Kosten“, sind die Fraunhofer-Forscher überzeugt. „Die Bildauflösung ist allerdings noch etwas niedrig“, räumte Norbert Kaiser ein. Bis zum Einsatz in Smartphones müssen die Fraunhofer-Forscher ihre künstlichen Spinnenaugen also wohl noch ein ganzes Stück verbessern. Erste Einsatzfelder sehen die Jenaer daher zunächst einmal als Überwachungs-Kameras im öffentlichen Nahverkehr, für Autos und für Industrieprozesse.
Demonstrator eines ultra-dünnen mikrooptischen Abbildungssystems. Das künstliche Auge selbst ist dünner als ein Cent-Stück – ist hier allerdings bereits in einem Chip verbaut. Foto: Fraunhofer IOF Jena
Vorbild Springspinne: acht einfache, aber hochspezialisierte Augen
Vorbild für die Jenaer Konstruktion sind Mehrfachaugen wie die der Springspinne, die acht Augen hat, die jeweils paarweise spezialisiert sind: Zwei der Spinnenaugen beispielsweise erkennen potenzielle Beute, zwei weitere messen die Distanz zum Opfer aus, bevor die Spinne zum Sprung ansetzt. Keines der Spinnenaugen selbst ist auch nur annähernd so komplex aufgebaut und leistungsfähig wie etwa das menschliche Auge. Aber jedes einzelne besteht aus Hunderten bis Zehntausenden kleinen Linsen. Die liefern im Zusammenspiel genug Informationen für die Spinne um zu jagen und zu überleben, ohne das kleine Gehirn des Insekts mit einer Bilddaten-Flut zu überfordern, wie sie das menschliche Gehirn verarbeitet.
Info-Video von Fraunhofer:
Natur legte Lichtschalter im Kambrium um
Letztlich haben die Jenaer Fraunhofer-Experten weit zurück in die Erdgeschichte geschaut, um sich auf solche einfach gestrickten Optikprinzipien der Natur zu besinnen. Nach Überzeugung vieler Forscher waren bis zum Zeitalter „Kambrium“ vor 550 Millionen Jahren wahrscheinlich alle Lebewesen blind – weil es auf unserem damals sehr düsteren Planeten einfach kaum etwas zu sehen gab. Erst als die Atmosphäre der Erde aufklarte und „Sehen“ zu einem Evolutionsvorteil wurde, bildeten die ersten Tiere zunächst sehr simple „Sensoren“ aus. Die konnten – laut gängigen Theorien – zunächst nur „hell“ und „dunkel“ entscheiden. Mit der Zeit bündelten dann verschiedene Spezies diese natürlichen Hell-Dunkel-„Sensoren“ zu immer komplexeren Strukturen wie Insekten-Facettenaugen und – Millionen Jahre später – Augen mit einer Leistungsfähigkeit, die dem Menschen deutliche evolutionäre Vorteile gegenüber anderen Spezies verschaffte.
Der Oxforder Zoologe Andrew Parker stellte im Jahr 2003 gar die „Lichtschalter“-These auf: Demnach sei die massenhafte Entstehung neuer Arten im Kambrium („Kambrische Explosion“ genannt) erst ab dem Moment ins Rollen gekommen, als die ersten Lebewesen Licht zu sehen begannen. Diese Theorie ist allerdings umstritten. Sie zeigt aber, wie hoch viele Forscher inzwischen die Rolle optischer Systeme in der Natur bewerten. Autor: Heiko Weckbrodt
-> Der Vortrag „Die Augen der Insekten – ein Vorbild für miniaturisierte optische Systeme“ von Prof. Norbert Kaiser gestern Abend im Kleinen Haus in Dresden war Teil der Veranstaltungsreihe „Wissenschaft im Theater“. Veranstalter dieser populärwissenschaftlichen Reihe sind das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme Dresden, die Landeshauptstadt Dresden und die TU Dresden.
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