Heutzutage ist GPS nicht nur ein Werkzeug zur Orientierung. Zahlreiche Geräte, von Smartphones über Fahrzeuge und Drohnen bis hin zu Wearables, funktionieren dank komplexer Berechnungen auf Basis von Standortinformationen. Die Rechenleistung hinter diesen Systemen stützt sich jedoch oft auf Infrastrukturen, die weitaus größer sind als die Geräte selbst. Was wäre, wenn ein Teil dieses Berechnungs- und Entscheidungsprozesses direkt auf dem Gerät mit einem Chip in der Größe eines Samenkorns durchgeführt werden könnte, der nur Mikrowatt an Strom verbraucht? Wissenschaftler suchen die Antwort auf diese Frage bei einem der kleinsten, aber fähigsten Lebewesen der Natur: den Honigbienen.
Inspiration durch Bienen
Forscher des EU-geförderten Projekts InsectNeuroNano arbeiten an der Entwicklung von GPS-ähnlichen Chips mit extrem niedrigem Stromverbrauch, die die außergewöhnliche Energieeffizienz und Navigationsfähigkeit des Bienenhirns nachahmen. Zum Vergleich: Eine Honigbiene verarbeitet Echtzeitdaten während des Fluges im dreidimensionalen Raum, korrigiert ständig ihren Kurs, kommuniziert mit anderen Bienen und findet Nahrungsquellen. All dies geschieht mit einer extrem geringen Leistung von etwa 10 Mikrowatt.
Physisch betrachtet ist eine typische Honigbiene etwa 12,7 Millimeter lang, wiegt zwischen 100 und 200 Milligramm und kann bei der Nahrungssuche Entfernungen zwischen 1,6 und 9,7 Kilometern zurücklegen. Diese Fähigkeit der Bienen, die als „eingebautes GPS“ bezeichnet werden kann, basiert auf der Analyse von Lichtmustern am Himmel im Vergleich zu ihrer eigenen Geschwindigkeit. So können sie den Bienenstock tagsüber mehrmals verlassen und sicher zurückkehren, ohne die Orientierung zu verlieren.
Nach Berechnungen der Forscher kann eine Biene dabei eine Arbeitslast bewältigen, die etwa 10 Billionen Operationen pro Sekunde entspricht, und das in einem Leistungsbereich zwischen 10 Mikrowatt und 0,01 Watt. Im Gegensatz dazu benötigt ein moderner Desktop-Prozessor wie der Intel Core Ultra 285K zwischen 10 und 15 Watt, wenn NPU und SoC zusammenarbeiten, um eine Arbeitslast von 10 TOPS zu bewältigen. Selbst im optimistischsten Szenario zeigt sich, dass die Biene die gleiche Aufgabe mit etwa einer Million Mal weniger Energie erledigt.
Einer der Forscher, die diesen markanten Unterschied untersuchen, ist Anders Mikkelsen von der Universität Lund. Mikkelsen und Wissenschaftler verschiedener europäischer Universitäten arbeiten an der Entwicklung eines von Insekten inspirierten Chips mit extrem niedrigem Stromverbrauch, der die Position ohne externe Verarbeitung bestimmen kann. Das Team konzentriert sich weniger auf klassische KI-Lernmodelle, sondern vielmehr auf Prinzipien der natürlichen Intelligenz und nanophotonische Schaltungen.
Noch am Anfang des Weges
Nanophotonische Schaltungen arbeiten mit Licht statt mit Elektrizität und können Licht in Strukturen im Nanometerbereich lenken. Dieser Ansatz ebnet den Weg für spezialisierte Chips, die eine einzelne Aufgabe hocheffizient erfüllen, anstatt Allzweckprozessoren zu verwenden. Laut den Forschern könnten solche Chips in vielen Bereichen eingesetzt werden, von Umweltsensoren bis hin zu kleinen autonomen Robotern.
Es ist jedoch noch zu früh, um Schwärme von Roboterbienen am Himmel zu sehen. Dem Forschungsteam ist es bereits gelungen, im Labor den ersten Prototyp-Chip herzustellen, der die Grundfunktionen des Insektenhirns imitieren kann. Obwohl das Projekt bis 2026 läuft, gehen Wissenschaftler davon aus, dass es noch etwa 10 Jahre Entwicklungszeit braucht, bis diese Technologie in der realen Welt einsatzbereit ist. Dennoch bewerten Experten den Übergang von einer theoretischen Idee zu einem funktionierenden Prototyp als eine kritische Schwelle in diesem Bereich.
