Eigentlich müsste sie vom Himmel fallen, die Erdhummel. Zu schwer ist der dicke Leib, zu klein sind die zerbrechlich wirkenden Flügelchen, als dass ihr Flug mit den traditionellen Gesetzen der Aerodynamik in Einklang stände.

Doch »Bombus terrestris« (so der wissenschaftliche Name des Insekts) hebt mit verblüffender Leichtigkeit ab. Auch andere Insekten zeigen erstaunliche Flugmanöver. Zielgenau finden Mücken zu verborgenen Körperstellen und lassen sich selbst von rotierenden Menschenarmen kaum verdrießen. Mühelos schlagen Fliegen Salti in der Luft, um anschließend rücklings an der Zimmerdecke zu landen. Auf bis zu 145 Stundenkilometer beschleunigen manche Bremsen auf ihrem rasanten Hochzeitsflug.

Insekten haben es beim Fliegen zur Meisterschaft gebracht. Wie es den geflügelten Gliedertieren gelingt, derart virtuos durch die Lüfte zu brausen, war lange ein Rätsel. Nun beginnen Forscher, den Flug der summenden Kunstflieger im Detail zu entschlüsseln. Und mehr noch: Mit neuer Mikrotechnik wollen sie die Insekten im Labor nachbauen, um deren Flugtechnik für den Menschen nutzbar zu machen.

»Insekten sind die raffiniertesten Flugapparate, die auf der Erde existieren«, schwärmt Michael Dickinson, Biologe an der University of California in Berkeley. »Etwas derart Komplexes nachzubauen wäre ein außergewöhnlich großer Schritt nach vorn.«

Dickinson gehört zu einer kleinen Schar von Forschern, die sich der Enträtselung des Insektenflugs verschrieben haben. Zusammen mit dem Ingenieur Ron Fearing hat der Biologe den Ehrgeiz, in Berkeley das erste Roboterinsekt der Welt in die Luft steigen zu lassen. Aus hauchdünnem Stahl und Mylarfolie wollen die Wissenschaftler einen solargetriebenen Flugroboter von der Größe einer Haselnuss und der Spannweite einer Büroklammer bauen.

Noch schwirrt das Insekt vor allem in den Köpfen der Forscher herum. Nur kleine, mit einer Frequenz von 100 Schlägen pro Sekunde vibrierende Flügel können Dickinson und Fearing bereits vorführen. Doch die Wissenschaftler sind zuversichtlich. »Mit jedem Entwicklungsschritt betreten wir technisches Neuland«, umreißt Dickinson die Herausforderung. »Ich bin überrascht, dass wir überhaupt schon etwas vorzuweisen haben.«

Lange erschien der Flug der Insekten als komplettes Wunder. Niemand konnte sich erklären, wie es den Tieren gelingt, überhaupt zu fliegen - geschweige denn, wie sie es schaffen, bei Wind oder mit zusätzlicher Last an Bord virtuos zu manövrieren. »Bisherige Analysen führten zu der Einsicht, dass die Flügel der Insekten nicht genug Auftrieb erzeugen, um die Tiere in der Luft zu halten«, sagt Dickinson.

Heute jedoch wissen die Forscher: In der Mikrowelt der Insekten gelten ganz andere aerodynamische Gesetze. Einem »Flug in Öl« gleiche der luftige Ritt der chitinbewehrten Piloten, erläutert Dickinson, da sich Luft aus der Liliputaner-Perspektive gleichsam in eine zähe Flüssigkeit verwandele. »Anders als Flugzeuge mit ihren festen Flügeln fliegen Insekten in einem See aus Wirbeln, den sie selbst erzeugen«, sagt der Biologe. Dass die Tierchen vom selbst erzeugten Ministurm getragen werden, liegt allein an ihrer ausgeklügelten Flugtechnik: Die Flügel eines Insekts flattern nicht nur hin und her. Jeweils am Scheitelpunkt eines jeden Flügelschlags rotieren die Miniaturschwingen der Tiere zudem um die eigene Längsachse, so dass sich die Tiere gleichsam durch die Luft schaufeln. (siehe Grafik).

Erst ein Versuch, den Dickinson zusammen mit dem Würzburger Biologen Fritz-Olaf Lehmann ersann, enthüllte die ganze Virtuosität dieses Vorgangs. Die Forscher konstruierten »Robofly": ein überdimensionales Insektenflügelmodell, dessen zwei paddelförmige Plexiglas-Schwingen die Wissenschaftler statt durch Luft durch einen Tank voller Öl gleiten ließen. Die raffinierte Testmaschine erlaubte es erstmals, jene Kräfte gleichsam in Zeitlupe sichtbar zu machen, die Fliegen abheben lassen.

Mit außergewöhnlich steilem Anstellwinkel, so die Beobachtung der Forscher, bewegt sich der Insektenflügel durch die Luft. Bei Flugzeugen führt eine solche Flügelstellung fast zuverlässig zum Absturz, weil die Strömung an der Flügeloberseite abreißt. Bei Insekten jedoch verzögern kleine Wirbel an der Vorderkante der Flügel den Strömungsabriss. Der Clou: Diese Wirbel saugen die Flügel zusätzlich nach oben und erhöhen so den Auftrieb.

Vor allem aber hält die rasante Drehung der Minischwingen um die eigene Längsachse die Tiere in der Luft. Wie bei einem unterschnittenen Tischtennisball entsteht dabei ein Drall, der dem Insekt zusätzlichen Auftrieb verleiht.

Mit diesen Tricks gelingt es den Insekten, zwei- bis dreimal mehr Auftrieb zu erzeugen, als ihre Flügel nach den Gesetzen der traditionellen Aerodynamik hergeben dürften. Was die Forscher am fein orchestrierten Flügelsurren besonders fasziniert, ist die Unverwüstlichkeit des Mechanismus. Kaum etwas ist schwieriger, als ein Insekt zum Absturz zu bringen. Dickinson: »Man kann ihnen ein Stück der Flügel abschneiden, ein Bein entfernen, die Tiere blenden oder ihren Hinterkörper mit Wachs beschweren - und trotzdem bleiben sie in der Luft.« Zudem ermöglichen schon winzige Änderungen der Flügelstellung - etwa ein früheres Drehen eines der Flügel - spektakuläre Luftmanöver.

So vermag eine normale Stubenfliege zehnmal schneller um ein Hindernis herumzufliegen, als Menschen mit dem Auge blinzeln können. Bis zu 4600 Kilometer weit fliegt ein nordamerikanischer Monarch-Falter (Gewicht: 0,5 Gramm) auf der Wanderung in seine Überwinterungsgebiete. Über 1000-mal pro Sekunde schlagen Bartmücken der Gattung »Forcipomyia« ihre Flügel auf und ab.

Was für Muskeln versetzen die Flügel der Tiere in derart hochfrequente Schwingungen? Wie nur ist es möglich, dass ein paar winzige Nervenknoten einen derart komplexen Flugapparat steuern? Und wie können Sinneswahrnehmungen so schnell in Flugbefehle umgesetzt werden, dass die Fliege doch oft der Klatsche entgeht?

Seine ganze Karriere hat Dickinson solchen Fragen verschrieben. Mit Hochgeschwindigkeitskameras rückt der Wissenschaftler den »Kampfjets der Tierwelt« (Fearing) zu Leibe. Filigrane Hindernisparcours hat er für seine Fruchtfliegen entwickelt, um zu lernen, wie die Tiere navigieren und Informationen verarbeiten.

Zwar ist die Ausbeute solcher Versuche bislang bescheiden. Doch lässt sich bereits erahnen, welches Panoptikum an Flatterwesen künftig den Labors entfleuchen könnte. So ist es dem Ingenieur Robert Michelson vom amerikanischen Georgia Institute of Technology gelungen, ein »Entomopter« getauftes Gerät zu bauen, dessen Flügel durch einen chemisch betriebenen Kunstmuskel zum Vibrieren gebracht werden. Adam Cox von der Vanderbilt University in Nashville schickt Hightech-Insekten mit externer Energieversorgung ins Rennen, die bereits verblüffend an wild herumflatternde Motten erinnern.

Dass solcherlei Getier künftig den Luftraum beleben könnte, ist dabei nicht nur der Traum der Wissenschaftler. Dickinson und seine Kollegen arbeiten unter anderem mit Geldern der amerikanischen »Defense Advanced Research Projects Agency«. Die Militärs hoffen, die Roboterinsekten als unauffällige und wendige Aufklärungsflieger hinter feindlichen Linien einsetzen zu können. Selbst die US-Raumfahrtagentur Nasa hat bereits Interesse signalisiert: Die Himmelsforscher wollen gleich ganze Schwärme der mechanischen Flattertiere zur Erkundung ferner Planeten einsetzen.

Noch hat sich allerdings keiner der Flugroboter länger als wenige Sekunden in der Luft gehalten. Auch die Größe der bisherigen Hightech-Brummer erinnert derzeit noch eher an die Fliegenmonster cineastischer Horrorschocker als an die Däumlinge von der Wiese nebenan. Das Hauptproblem der Ingenieure ist die Miniaturisierung. »Konventionelle Technik mit ihren Getrieben, Pleuelstangen und Zahnrädern funktioniert hier nicht«, erläutert Dickinson. »Was wir betreiben müssen, ist eine Art kompliziertes Origami.«

Kleinste Flügel und Antriebsaggregate versuchen die Wissenschaftler zu konstruieren. Dickinson und Fearing etwa fertigen Thorax und Muskeln ihres Kunstinsekts gleichsam aus einem Guss. Um die Schwingen des Miniroboters zu bewegen, setzen sie so genannte Piezo-Kristalle ein, die bei Anlegen einer Spannung ihre Form verändern. Die winzigen Bewegungen der Kristalle werden über eine in den Miniflieger integrierte Faltstruktur verstärkt und lassen die Flügel nicht nur vibrieren, sondern auch noch wie erwünscht im Takt der Flügelschläge rotieren.

Als Nächstes planen die kalifornischen Wissenschaftler nun, ihre Konstruktion mit »Stützrädern« auszurüsten und auf einer Art Zwergenkarussell zu befestigen, um die Auftriebskräfte der Miniflügel zu testen. In drei Jahren wollen Dickinson und Fearing den fliegenden Liliputaner zudem mit Stabilisatoren, einer primitiven Kamera und Solarzellen ausgerüstet haben. Nicht einmal 50 Milligramm soll der fertige Flugroboter schließlich wiegen; seine Steuerungstechnik soll die Größe eines Sesamkorns nicht überschreiten.