Forscher entwickeln neue Theorie über Tierwahrnehmung, die in der Robotik eingesetzt werden könnte

Alle Tiere, von Insekten bis hin zu Menschen, verlassen sich auf ihre Sinne als wichtigste Werkzeuge für das Überleben. Sinnesorgane wie Augen, Ohren und Nasen werden verwendet, wenn sie nach Nahrung suchen oder Bedrohungen erkennen. Allerdings sind die tatsächliche Position und Ausrichtung der Sinnesorgane nicht intuitiv, und die derzeit eingesetzten Theorien können keine Vorhersagen über die Position und Ausrichtung treffen.

Das ändert sich nun mit neuen Entwicklungen aus der Northwestern University. Ein Team von Forschern hat eine neue Theorie entwickelt, die tatsächlich in der Lage ist, die Bewegung der Sinnesorgane eines Tieres vorherzusagen, insbesondere wenn das Tier nach etwas Wichtigem wie Nahrung sucht.

Die Forschung wurde am 22. September in der Zeitschrift eLife veröffentlicht.

Energie-beschränktes proportionales Wetten

Die neu entwickelte Theorie, die als energie-beschränktes proportionales Wetten bezeichnet wird, wurde auf vier verschiedene Tierarten angewendet und umfasste drei verschiedene Sinne, einschließlich Sehen und Riechen. Das Team demonstrierte, wie die Theorie das beobachtete Wahrnehmungsverhalten jedes Tieres vorhersagen kann.

Diese neue Theorie könnte Auswirkungen auf das Gebiet der Robotik haben, möglicherweise die Leistung von Robotern verbessern, wenn es darum geht, Informationen zu sammeln. Sie könnte auch einen Unterschied in der Entwicklung autonomer Fahrzeuge machen, insbesondere ihre Reaktion auf Unsicherheit verbessern.

Malcolm A. Maclver leitete die vielversprechende Forschung. Er ist auch Professor für Biomedizinische und Mechanische Ingenieurwissenschaften an der McCormick School of Engineering der Northwestern University sowie Professor für Neurobiologie am Weinberg College of Arts and Sciences.

“Tiere verdienen ihr Geld durch Bewegung”, sagte Maclver. “Um Nahrung und Partner zu finden und Bedrohungen zu identifizieren, müssen sie sich bewegen. Unsere Theorie gibt Einblicke in die Art und Weise, wie Tiere wetten, wie viel Energie sie aufwenden, um die nützlichen Informationen zu erhalten, die sie benötigen.”

Die neue Theorie wirft Licht auf die verschiedenen Bewegungen der Sinnesorgane, und der resultierende Algorithmus generierte simulierte Bewegungen der Sinnesorgane. Diese generierten Bewegungen stimmten mit den realen Bewegungen der Sinnesorgane von Fischen, Säugetieren und Insekten überein.

Chen Chen ist ein Doktorand in Maclvers Labor und der erste Autor, während Todd D. Murphey, Professor für Mechanische Ingenieurwissenschaften an der McCormick School of Engineering, ein Co-Autor ist.

Gamble mit Energie

Bewegung kostet Tiere viel Energie, und sie geben diese Energie aus, während sie wetten, dass die Orte, zu denen sie sich bewegen, informativ sein werden. Die Menge an Nahrung, die sie bereit sind, auszugeben, ist proportional zum erwarteten Wert dieser Orte, so die Forscher.

“Während die meisten Theorien vorhersagen, wie ein Tier sich verhalten wird, wenn es bereits weiß, wo etwas ist, ist unsere Theorie eine Vorhersage für den Fall, in dem das Tier sehr wenig weiß – eine Situation, die im Leben und für das Überleben kritisch ist”, sagt Murphey.

Die Forschung konzentrierte sich auf den Gymnotiden-Elektrischen Fisch aus Südamerika, und Experimente wurden in Maclvers Labor durchgeführt. Es handelte sich jedoch nicht um neue Daten, da das Team bereits veröffentlichte Datensätze über den blinden östlichen amerikanischen Maulwurf, den amerikanischen Käfer und den Kolibrischmetterling nutzte.

Die drei Sinne, auf die sich die Forschung konzentrierte, umfassen Elektrosinn mit dem elektrischen Fisch, Sehen mit dem Schmetterling und Riechen mit dem Maulwurf und dem Käfer.

Die neu entwickelte Theorie führt zu mehr Energie- und Zeitersparnis, wenn Tiere sich bewegen, um Informationen zu sammeln. Gleichzeitig gibt es genug Informationen, um die Führung und andere exploratorische Verhaltensweisen zu leiten, die bei Tieren häufig vorkommen.

“Wenn man auf die Ohren einer Katze schaut, sieht man oft, wie sie sich drehen, um verschiedene Orte im Raum zu sampeln”, sagte Maclver. “Dies ist ein Beispiel dafür, wie Tiere ständig ihre Sinnesorgane positionieren, um Informationen aus der Umgebung aufzunehmen. Es stellt sich heraus, dass unter der Oberfläche viel mehr passiert, als man denkt, in der Bewegung der Sinnesorgane wie Ohren, Augen und Nasen.”