Наука

Роботы-биомиметики: что это такое и как их используют для изучения поведения животных?

Медоносные пчелы танцуют, чтобы направить товарищей по улью к новому источнику пищи. Гуппи договариваются о лидерстве со своими сородичами. Стаи почтовых голубей уклоняются от атаки сокола. Социальное поведение животных давно является предметом научных исследований, но теперь в появился новый поворот: здесь одно из действующих лиц — настоящее животное, а робот, имитирующий животное. Такие роботы (и любые другие модели, имитирующие природу для целей человека) называются биомиметиками. Под контролем исследователей есть возможности по-новому взглянуть на особенности социального взаимодействия животных.

Достижения в области робототехники позволяют создать роботов, достаточно реалистичных, чтобы животные принимали их за «своих». И у роботов есть одно большое преимущество перед животными: они делают то, что им говорят исследователи, точно так же раз за разом. Это дает ученым такую степень контроля над своими экспериментами, которую трудно или невозможно достичь каким-либо другим способом. Например, можно многократно подвергать животных действию одного и того же раздражителя, ускоряя экспериментальный процесс.

Вот пять биомиметических роботов, которых исследователи уже используют для изучения и контроля социальной жизни животных.

Робопчела в улье

Сигнальный танец медоносных пчел, в котором насекомое возвращается в улей и сигнализирует о местонахождении источника пищи, известен ученым уже более 60 лет. Но они до сих пор не знают точно, как другие пчелы расшифровывают его сообщение. В Свободном университете Берлина создали приблизительную копию пчелы в натуральную величину с механической системой приводов, которая позволяет ей двигаться как в реальной жизни. В ходе экспериментов обнаружилось, что робопчела может что направлять настоящих пчел к источнику пищи, даже к тому, который они никогда раньше не использовали. Однако данные исследований пока недостаточно надежны, ведутся разработки еще более точной копии пчелы для внедрения её в улей.

Роботизированный сокол на охоте

Как отреагирует стая голубей на нападение сокола? Классическая теория — часто называемая гипотезой «эгоистичного стада» — предполагает, что каждый голубь просто пытается попасть в середину стаи, чтобы хищник схватил другую несчастную птицу. Но эту идею нелегко проверить, потому что много нюансов могут повлиять на реакцию голубей. Поэтому Дэниел Санки, поведенческий эколог из Университета Эксетера в Великобритании, обратился к роботу — точной копии сокола, кроме, конечно, пропеллера.

В каждом из серии экспериментов робот постоянно держался на расстоянии 20 м позади стаи, чтобы исключить влияние расстояния и траектории.

Во время исследований выяснилось, что нет закономерностей между положением голубей в стае и нападением хищника. Голуби перемещались внутрь стаи не чаще, чем они делали это, когда их никто не преследовал. Когда «сокол» нападал на голубей, они в основном пытались летать в том же направлении, что и их товарищи, так что стая уклонялась в унисон, не оставляя хищнику отставших.

Роборыба в стае

Большинство исследований показывает, что более крупная рыба, как правило, ведет за собой весь косяк. Но есть проблема: большие рыбы нередко также старше и опытнее, и они могут действовать иначе, чем их более мелкие сородичи. Так что же важнее для лидерства: размер или опыт? Это сложно проверить на настоящей рыбе. Поэтому ученые из Берлинского университета имени Гумбольдта разработали Robofish, напечатанную на 3D-принтере копию гуппи, которую приводит в движение моторчик под аквариумом. Две видеокамеры, подключенные к компьютерам, позволяют Robofish реагировать на движения сородичей в режиме реального времени.

Размеры рыбки-робота менялись, а детали поведения оставались неизменными, чтобы разделить два эти фактора. Выяснилось, что для гуппи основную роль играет все-таки размер, а не какое-то особо мудрое поведение лидера. Кроме того, оказалось, что гуппи ценят вежливость и личное пространство. Если рыба-робот слишком близко подплывала к гуппи, те шарахались в сторону и не следовали за лидером. Тогда как соблюдение дистанции помогало стайке сплотиться.

Роботы-термиты в рое

В предыдущих исследованиях использовались роботы, чтобы проникнуть в реальные группы животных и спровоцировать ответную реакцию. Но есть другой способ использовать роботов для понимания поведения животных: запрограммировать рой действовать в соответствии с правилами, которые, как вы думаете, соблюдают настоящие животные, и посмотреть, имитирует ли результат их действия. По этому пути пошли исследователи из Гарварда. Они соорудили рой роботизированных термитов, которые могли нести и бросать цветные блоки на плоскую поверхность. Каждый «термит» имел датчик влажности и был запрограммирован так, чтобы нести блоки при высокой влажности и сбрасывать их при её понижении. Так проверяется теория, как окружающая среда влияет на постройку термитника.

Робот-окунь против рыб-москитов

Маленькие рыбы-москиты, родом с юге США, — это известный во всем мире инвазивный вид рыб, наносящий большой ущерб биоразнообразию в разных странах, в частности, в Австралии. Джованни Полверино, поведенческий эколог из Университета Австралии, создал робота в виде австралийского окуня (хищная рыба) и запрограммировал его так, чтобы робот агрессивно гонялся за рыбами-москитами в аквариуме. Выяснилось, что за 15 минут таких гонок от преследователя рыбы-москиты терять жир, используя больше энергии для побега, а значит, им остается меньше энергии для размножения. Идея состоит в том, чтобы выпустить таких роботов в реки и «запугивать» инвазивные виды, не затрагивая при этом аборигенные австралийские виды рыб.

По материалам Smithsonian Magazine

В Китае создали робота-таракана

Вокруг Света