動物の感覚に関する新しい理論が開発され、ロボティクスに応用される可能性がある

すべての動物は、昆虫から人間まで、生存のために最も重要なツールとして感覚を頼りにしています。感覚器官のような目、耳、鼻は、食物を探したり脅威を検知したりする際に使用されます。しかし、実際の感覚器官の位置と向きは、直感的ではなく、現在の理論では位置と向きについて予測することができません。

しかし、ノースウェスタン大学からの新しい開発により、状況が変わりつつあります。研究者チームは、実際に動物の感覚器官の動きを予測できる新しい理論を開発しました。特に、食物のような重要なものを探している動物の場合に適用されます。

この研究は9月22日にeLife誌に掲載されました。

エネルギー制約付き比例ベット

新しく開発された理論は、エネルギー制約付き比例ベットと呼ばれ、4種類の動物に適用され、3つの感覚、つまり視覚と嗅覚を含みます。研究チームは、この理論が各動物の観測された感覚行動を予測できることを実証しました。

この新しい理論は、ロボティクス分野に影響を与える可能性があり、ロボットの情報収集性能を向上させる可能性があります。また、自律走行車の開発にも影響を与え、不確実性への対応を改善する可能性があります。

マルコム・A・マクライバー教授が率いる研究チームは、この研究を主導しました。マクライバー教授は、ノースウェスタン大学のマコーミック工学部の生物医学工学と機械工学の教授であり、ワインバーグ大学の芸術科学部の神経生物学の教授でもあります。

「動物は運動によって生活を維持しています。食物や相手を見つけるために、また脅威を特定するために、動物は運動する必要があります。私たちの理論は、動物が有用な情報を得るためにどれだけのエネルギーを費やすかについての洞察を提供します」とマクライバー教授は述べました。

新しい理論は、感覚器官のさまざまな動きを明らかにし、アルゴリズムによって生成されたシミュレートされた感覚器官の動きは、魚、哺乳類、昆虫の実際の感覚器官の動きと一致しました。

チェン・チェンはマクライバー教授の研究室の博士課程の学生であり、最初の著者です。トッド・D・マーフィー教授は、マコーミック工学部の機械工学の教授であり、共同著者です。

ギャンブルエネルギー

運動は動物にとって多大なエネルギーを必要とし、動物は情報を得るためにエネルギーを費やすことをギャンブルとしています。研究者によると、動物が得ることができるエネルギーの量は、場所の期待値に比例します。

「ほとんどの理論は、動物がすでに何かを探している場所を知っている場合にどのように行動するかを予測しますが、私たちの理論は、動物がほとんど何も知らない場合、つまり生命維持に重要な状況における予測です」とマーフィー教授は述べました。

この研究は、南アメリカのジムノチド電気魚を対象に行われ、マクライバー教授の研究室で実験が行われました。ただし、新しいデータのみではありませんでした。チームは、すでに公開されているデータセット、つまり盲目の東アメリカモール、米国コックローチ、ハミングバードホークモスについても利用しました。

焦点となった3つの感覚は、電気魚の電気感覚、モスの視覚、モールとコックローチの嗅覚でした。

新しく開発された理論により、情報を収集するために動き回る際にエネルギーと時間が節約され、同時に追跡や探索行動の指針となる十分な情報が得られます。

「猫の耳を見ると、空間のさまざまな場所をサンプリングするために回転していることがよく見られます。これは、動物が環境から情報を吸収するために感覚器官を常に配置しているという例です。感覚器官の動きには、表面下で多くのことが起こっているようです」とマクライバー教授は述べました。