Onderzoekers ontwikkelen nieuwe theorie over dierlijke waarneming die gebruikt kan worden in robotica

Alle dieren, van insecten tot mensen, zijn afhankelijk van hun zintuigen als enkele van de belangrijkste tools voor overleving. Zintuiglijke organen zoals ogen, oren en neuzen worden gebruikt tijdens het zoeken naar voedsel of het detecteren van bedreigingen. Echter, de daadwerkelijke positie en oriëntatie van de zintuiglijke organen zijn niet intuïtief, en de momenteel geïmplementeerde theorieën zijn niet in staat om voorspellingen te doen over de positie en oriëntatie.

Dat is nu veranderd met nieuwe ontwikkelingen uit de Northwestern University. Een team van onderzoekers heeft een nieuwe theorie ontwikkeld die in feite in staat is om de beweging van een dierlijk zintuiglijk orgaan te voorspellen, specifiek wanneer dat dier op zoek is naar iets belangrijks zoals voedsel.

Het onderzoek werd gepubliceerd op 22 september in het tijdschrift eLife.

Energie-beperkte proportionele inzet

De nieuw ontwikkelde theorie, genaamd energie-beperkte proportionele inzet, werd toegepast op vier verschillende soorten dieren, en het omvatte drie verschillende zintuigen, waaronder visie en reuk. Het team demonstreerde hoe de theorie de waargenomen waarnemingsgedrag van elk dier kon voorspellen.

Deze nieuwe theorie kan implicaties hebben binnen het veld van robotica, mogelijk verbetering van de prestaties van robots bij het verzamelen van informatie. Het kan ook een verschil maken in de ontwikkeling van autonome voertuigen, specifiek verbetering van hun reactie op onzekerheid.

Malcolm A. Maclver leidde het veelbelovende onderzoek. Hij is ook een professor in biomedische en mechanische techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, evenals een professor in neurobiologie aan de Weinberg College of Arts and Sciences.

“Dieren verdienen hun brood door middel van beweging,” zei Maclver. “Om voedsel en partners te vinden en om bedreigingen te identificeren, moeten ze bewegen. Onze theorie biedt inzicht in hoe dieren inzetten op hoeveel energie ze moeten besteden om de nuttige informatie te krijgen die ze nodig hebben.”

De nieuwe theorie werpt licht op de verschillende bewegingen van zintuiglijke organen, en het resulterende algoritme genereerde gesimuleerde bewegingen van zintuiglijke organen. Deze gegenereerde bewegingen kwamen overeen met de echte bewegingen van zintuiglijke organen van vissen, zoogdieren en insecten.

Chen Chen is een PhD-student in Maclver’s lab en de eerste auteur, terwijl Todd D. Murphey, professor in mechanische techniek aan de McCormick, een co-auteur is.

Gokken met energie

Beweging kost dieren veel energie, en ze besteden die energie door te gokken dat de locaties waar ze naartoe bewegen informatief zullen zijn. Het bedrag aan voedsel-geproduceerde energie dat ze bereid zijn te besteden is evenredig met de verwachte waarde van die locaties, volgens de onderzoekers.

“Terwijl de meeste theorieën voorspellen hoe een dier zal gedragen wanneer het al grotendeels weet waar iets is, is de onze een voorspelling voor wanneer het dier heel weinig weet – een situatie in het leven en kritiek voor overleving,” zegt Murphey.

Het onderzoek richtte zich op de gymnotide elektrische vis uit Zuid-Amerika, en experimenten werden uitgevoerd in Maclver’s lab. Het was echter niet allemaal nieuwe gegevens, aangezien het team gebruik maakte van eerder gepubliceerde datasets over de blinde oost-Amerikaanse mol, de Amerikaanse kakkerlak en de kolibrie-vlinder.

De drie zintuigen die werden gefocust, omvatten electroreceptie met de elektrische vis, visie met de vlinder en reuk met de mol en de kakkerlak.

De nieuw ontwikkelde theorie leidt tot meer energie- en tijdbesparing bij het bewegen om informatie te verzamelen. Tegelijkertijd is er voldoende informatie om tracking en andere exploratieve gedragingen onder dieren te leiden.

“Wanneer je naar de oren van een kat kijkt, zie je ze vaak draaien om verschillende locaties in de ruimte te bemonsteren,” zei Maclver. “Dit is een voorbeeld van hoe dieren constant hun zintuiglijke organen positioneren om informatie uit de omgeving op te nemen. Het blijkt dat er veel gaande is onder de oppervlakte in de beweging van zintuiglijke organen zoals oren, ogen en neuzen.”