動物の感覚に関する新しい理論を開発 – ロボティクスに応用可能

すべての動物、昆虫から人間まで、生存のために最も重要なツールの1つとして感覚に頼っています。目、耳、鼻などの感覚器官は、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、感覚器官の実際の位置と向きは、直感的ではなく、現在使用されている理論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、動物が重要なもの、例えば食物を探している場合にその動きを予測できます。

この研究は、9月22日にeLife誌に掲載されました。

エネルギー制約プロポーショナルベッティング

新しく開発された理論、エネルギー制約プロポーショナルベッティングは、4種類の動物に適用され、3つの異なる感覚、視覚や嗅覚を含みました。チームは、この理論が各動物の観察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ことができます。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ことができます。

マルコム・A・マクライバーがこの有望な研究を主導しました。彼はノースウェスタン大学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、ワインバーグ芸術科学大学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営む」とマクライバーは述べた。「食物や交尾相手を見つけたり、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、どのように賭けているかについての洞察を提供します。」

新しい理論は、感覚器官のさまざまな動きを明らかにし、生成されたアルゴリズムはシミュレートされた感覚器官の動きを生成しました。これらの生成された動きは、魚、哺乳動物、昆虫から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の研究所の博士課程の学生であり、最初の著者です。また、トッド・D・マーフィー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。

エネルギーの賭け

運動は動物にとって多くのエネルギーを消費し、動物は情報を得るためにエネルギーを費やします。動物が情報を得るために移動する場所の価値が期待される値に比例するだけのエネルギーを費やすことができます。

「ほとんどの理論は、動物がすでに何かがどこにあるか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、つまり生活と生存に重要な状況の予測です」とマーフィーは述べました。

研究は、南アメリカのジムノチド電気魚を中心に行われ、マクライバーの研究所で実験が行われました。しかし、新しいデータだけではありませんでした。チームは、盲目のアメリカモグラ、アメリカコックローチ、ハミングバードホークモスに関する過去の公開データセットを利用しました。

焦点が当てられた3つの感覚は、電気魚の電気感覚、モスの視覚、モグラとコックローチの嗅覚です。

新しく開発された理論は、情報を収集するために動き回る際に、より多くのエネルギーと時間を節約することにつながります。同時に、追跡や探索行動などのガイドに十分な情報が得られます。

「猫の耳を見ると、耳がさまざまな空間の位置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」とマクライバーは述べた。「これは、動物が感覚器官を環境から情報を吸収するために配置している方法の例です。耳や目や鼻などの感覚器官の動きの下には、多くのことが起こっています。」