Ziel des Vorhabens und Forschungsprogrammatik

Mit dem „Center for Visual Computing of Collectives“ (VCC) plant die Universität Konstanz ein interdisziplinäres Forschungszentrum, in dem tierisches Kollektivverhalten sowie dessen zugrundeliegende Mechanismen und Konsequenzen in der Natur auf der Basis von Analyse und Visualisierung von Massendaten erforscht werden sollen. Das Verständnis der Prinzipien tierischen Gruppenverhaltens ist die Grundlage für weitreichende Anwendungen, von der Vorhersage landwirtschaftlicher Schädlinge (z.B. Heuschreckenplagen) bis zur Steuerung autonomer Roboter (z.B. selbstfahrende Autos), und eröffnet Ansatzpunkte für ein neues Verständnis menschlichen Gruppenverhaltens (z.B. Verhalten bei einer Panik).

Kollektivverhalten ist eine fundamentale Eigenschaft biologischer Systeme. Tiergruppen, wie Insekten-, Fisch- und Vogelschwärme, weisen häufig ein hoch koordiniertes Verhalten auf und stellen so einzigartige Gelegenheiten dar, das Verhalten von Individuen mit dem Funktionieren und der Effizienz dynamischer Gruppeneigenschaften zu verbinden. Eine der bemerkens­wertesten und am wenigsten verstandenen Eigenschaften solcher Gruppen ist ihre Fähigkeit zur kollektiven Wahrnehmung und Entscheidungsfindung. Durch die Erforschung von Tier­gruppen sind Erkenntnisse darüber möglich, wie kollektive Kognition durch die soziale Interaktion von Individuen und ihrer Einzelentscheidungen entsteht. Darüber hinaus lassen sich aus kollektivem Handeln direkt technologische Anwendungen einschließlich neuer Kontroll­prinzipien für autonome Roboter und kollektive Algorithmen zur Interpretation großer und komplexer Datensätze (Partikelschwarmoptimierung) ableiten.

Eine zentrale Herausforderung bei der Untersuchung von Kollektivverhalten ist, dass koordi­niertes Gruppenverhalten bei Lebewesen aus dynamischen Prozessen auf verschiedenen Ebenen – von der sozialen Interaktion der Individuen im Schwarm über die individuellen Ent­scheidungsprozesse bis hin zur dynamischen Verarbeitung des sensorischen Inputs – resultiert. Die meisten Studien haben Gruppen von Individuen analog zu physikalischen Teilchen, die über „soziale Kräfte“ in Wechselwirkung zueinander stehen, betrachtet. Während Analogien zu physikalischen Systemen, wie zu Flüssigkeiten und Gasen, sicher existieren, wird ein solcher Blick auf kollektives Tierverhalten nicht den Informationsverarbeitungsfähigkeiten von Tier­schwär­men, wie beispielsweise der selektiven Wahrnehmung und der Verstärkung von Verhaltensreaktionen, gerecht. Einzelne Organismen sind keine physikalischen Teilchen, sondern treffen Entscheidungen auf der Grundlage des ihnen zur Verfügung stehenden sensorischen Inputs. Darüber hinaus bestand bisher ein großes technisches Problem bei der Erforschung kollektiven Verhaltens in der Untersuchung mobiler Gruppen von Individuen. Um die Wahrnehmung und Entscheidungsfindung einzelner Individuen mit der Gruppenebene in Verbindung setzen zu können, muss die Bewegung aller Individuen innerhalb der Gruppe verfolgt sowie die Körperposition, der Verhaltenszustand und die dem Individuum zur Verfügung ste­­henden sensorischen Informationen berechnet werden – und dies unter natürlichen Umgebungs­­bedingungen und mit hoher Geschwindigkeit. Darüber hinaus ist es wichtig, indivi­duelles Verhalten und Gruppenverhalten systematisch beeinflussen zu können, um konkrete Hypothesen zu testen.

Das VCC wird eine einmalige Infrastruktur bereitstellen, um die Erforschung von Tierkollektiven voranzutreiben. In den geplanten VCC-Speziallaboren „Imaging Hangar“ und „Fish Labs“ werden Tiergruppen in reaktive virtuelle Umgebungen eingebettet.

Durch die aktuellen techno­logischen Entwicklungen im Bereich der Computer-, Sensor- und Projektionstechnik wird dabei erstmals eine quantitative Verhaltensanalyse möglich sein: Zeitlich und räumlich hochauf­lösende Kamera- und 3D-Lichtfeldaufzeichnungssysteme werden die Erfassung aller Individuen in Realzeit ermöglichen, spezialisierte effiziente Signalverarbeitungsalgorithmen werden daraus in Realzeit das Gesichtsfeld der Individuen berechnen und neueste synthetische Landschafts­simulationen aus der Computergrafik gekoppelt mit hochauflösenden 3D-Projektionssystemen werden in Realzeit eine realistische virtuelle Umgebung für das Kollektiv erzeugen, die unmittelbar auf die Entscheidungen der Individuen bzw. des Kollektivs reagiert. Dadurch sind Experimente in einer vollständig kontrollierten Umgebung mit umfassender Erhebung aller relevanten Informationen des Kollektivverhaltens möglich. Die tiefe Analyse der dabei anfallenden sehr großen Datenmengen mit Hilfe des „Powerwall Labs“ wird es ermög­lichen, fundamentale Gesetze tierischen Gruppenverhaltens zu entschlüsseln. Durch diese neuartigen Möglichkeiten der quantitativen Verhaltensanalyse können die Wahrnehmungen der Organismen, ihre individuelle sowie kollektive Entscheidungsfindung und damit das komplexe dynamische Verhalten von Gruppen rekonstruiert und analysiert werden.

Die geplanten Experimente werden sich auf drei Tiergruppen konzentrieren: Heuschrecken-, Fisch- und Vogelschwärme. Die Betrachtung dieser drei Tiergruppen ermöglicht es, Kollektiv­verhalten über mehrere Komplexitätsskalen zu erforschen. Wüstenheuschrecken sind ein wichtiger Ernteschädling, der die Existenzgrundlage eines Zehntel der Weltbevölkerung beeinflusst. Trotz ihres großen humanitären und wirtschaftlichen Einflusses ist wenig darüber bekannt, wie die flugunfähigen Jugendstadien ihr Verhalten koordinieren, und es ist so gut wie nichts über die Verhaltenskoordination von fliegenden adulten Heuschreckenschwärmen bekannt. Fischschwärme stellen ein geeignetes Modell dar, um zu untersuchen, wie im Wirbeltiergehirn kollektive Signale bei der Koordinierung von Verhalten verarbeitet werden. Bisher wurden sie häufig sehr simplifiziert als Automaten angesehen. In den letzten Jahren gibt es aber Hinweise darauf, dass Fische hoch entwickelte kognitive Fähigkeiten besitzen, einschließlich eines Langzeitgedächtnisses. Da ihr motorisches Verhalten relativ einfach und nur durch eine kleine Zahl von Neuronen im Stammhirn gesteuert ist, besteht die Chance, den Zusammenhang zwischen sensorischem Input und motorischer Reaktion zu verstehen. Im Vergleich zu den Fischen zeigen viele Vogelarten ein höheres Maß an Verhaltenskomplexität auf, und ihr Sozialverhalten beruht häufig auf Beziehungen zwischen einzelnen Individuen und teilweise anspruchsvollem sozialen Wissen. Durch die Erforschung von Kollektivverhalten über mehrere Organisationsebenen hinweg kann ein besseres integratives Verständnis erlangt werden, wie Gruppenverhalten funktioniert und welche Faktoren es beeinflussen.

Das VCC gliedert sich in drei synergetische, aufeinander aufbauende und eng verzahnte Forschungsschwerpunkte (FS): In FS1 werden neue Technologien für das Monitoring von Kollektivverhalten in reaktiven 3D-Umgebungen entwickelt, die in FS2 für die Experimente zur Untersuchung des Schwarmverhaltens verwendet werden. Die in FS2 erfassten Daten werden in FS3 mit visuellen Analysemethoden ausgewertet und mit den in freier Wildbahn erfassten Daten abgeglichen, um die Experimente in FS2 entsprechend anzupassen. Die zentralen Einrichtungen des VCC, der Imaging Hangar und die Fish Labs, sind ohne die direkte Zusammenarbeit aller drei Forschungsschwerpunkte nicht funktional: sie benötigen den Input aus FS1, um virtuelle, reaktive Umgebungen zur Einbettung der in FS2 betrachteten Organis­men zu generieren. FS2 führt die Experimente mit Wüstenheuschrecken, Zebrabärb­lingen und Blutschnabelwebern durch. Die interaktive Analyse der in FS2 gesammelten Daten erfolgt in FS3, wodurch die Experimente in FS2 und damit auch die immersiven virtuellen Umgebungen in FS1 beeinflusst werden.

Übersicht der Forschungsschwerpunkte