Etterligne insekthjerner: et sprang fremover i effektiv robotikk

I den store naturen kommer noen av de mest dyptgripende inspirasjonene fra de minste skapningene. Insekter, ofte oversett på grunn av sin minimale størrelse, er faktisk vidundere av navigasjon og effektivitet. Deres evne til å manøvrere gjennom komplekse miljøer med en hjerne som ikke er større enn et knappenålshode har lenge fascinert både forskere og ingeniører. Ansvaret for å avdekke disse hemmelighetene er fysikeren Elisabetta Chicca, hvis nylig arbeid bygger bro mellom biologisk forståelse og teknologisk innovasjon.

Chicca har begitt seg ut på en reise for å avkode hvordan disse små skapningene oppnår slike bemerkelsesverdige bragder. Arbeidet hennes kaster ikke bare lys over mysteriene til insektnavigasjon, men baner også vei for fremskritt innen energieffektiv databehandling og robotikk.

Låser opp insektnavigering

Insekter, til tross for deres begrensede nevrale ressurser, viser forbløffende navigasjonsferdigheter. De unngår uanstrengt hindringer og beveger seg dyktig gjennom de minste åpningene, en bragd som har forundret forskere i årevis. Kjernen i denne evnen ligger i deres unike oppfatning av verden.

Chicca forklarer i sin forskning at et sentralt aspekt ved insektnavigering er hvordan de oppfatter bevegelse. Det er beslektet med opplevelsen av å sitte på et tog og observere landskapet: trær i nærheten ser ut til å bevege seg raskere enn fjerne hus. Insekter bruker denne differensielle bevegelseshastigheten til å måle avstand og navigere. Denne enkle, men effektive metoden fungerer godt når du beveger deg i en rett linje. Imidlertid er den virkelige verden sjelden så enkel.

Insekter tilpasser seg kompleksiteten i miljøet ved å forenkle atferden deres. De flyr vanligvis i en rett linje, gjør en sving og fortsetter deretter i en annen rett linje. Chiccas observasjoner avslører en viktig lærdom: Begrensninger i ressurser kan oppveies av atferdsmessige justeringer.

Reisen fra biologisk innsikt til robotapplikasjoner er en fortelling om tverrfaglig samarbeid. Thorben Schoepe, en doktorgradsstudent under Chiccas veiledning, utviklet en modell som etterligner nevronaktiviteten til insekter, som deretter ble oversatt til en liten, navigerende robot.

Denne roboten, som legemliggjør prinsippene for insektnavigasjon, var et produkt av nært samarbeid med Martin Egelhaaf, en anerkjent nevrobiolog fra Bielefeld University. Egelhaafs ekspertise på å forstå beregningsprinsippene til insekter var avgjørende for å utvikle en modell som nøyaktig emulerte deres navigasjonsstrategier.

Robotens navigasjonsprestasjoner

Det sanne testamentet til enhver vitenskapelig modell ligger i dens praktiske anvendelse. Når det gjelder Chiccas forskning, viste robotmotstykket til et insekts hjerne frem sine evner i en serie komplekse tester. Det mest slående av disse var robotens navigering gjennom en korridor, veggene prydet med et tilfeldig trykk. Dette oppsettet, designet for å etterligne de varierende visuelle stimuli et insekt møter, var et utfordrende kurs for ethvert navigasjonssystem.

Roboten, utstyrt med Thorben Schoepes modell, demonstrerte en uhyggelig evne til å opprettholde en sentral bane i korridoren, en oppførsel som er bemerkelsesverdig lik insekters. Dette ble oppnådd ved å styre mot områder med minst synlig bevegelse, og etterligne insektets naturlige strategi for å måle avstand og retning. Robotens suksess i dette miljøet var en overbevisende validering av modellen.

Utenfor korridoren ble roboten testet i ulike virtuelle miljøer, som hver presenterte sitt eget sett med utfordringer. Enten den var å navigere rundt hindringer eller finne veien gjennom små åpninger, viste roboten en tilpasningsevne og effektivitet som minner om dens biologiske motstykker. Chicca konkluderte med at modellens evne til å prestere konsekvent på tvers av ulike innstillinger ikke bare var en demonstrasjon av teknisk dyktighet, men en refleksjon av den underliggende effektiviteten og allsidigheten til insektnavigering.

Thorben Schoepes robot i en korridor med tilfeldig trykk. Foto Leoni von Ristok

Effektivitet i robotikk: Et nytt paradigme

Robotverdenen har lenge vært dominert av systemer som lærer og tilpasser seg gjennom omfattende programmering og databehandling. Selv om denne tilnærmingen er effektiv, krever den ofte betydelige beregningsressurser og energi. Chiccas forskning introduserer et paradigmeskifte, og henter inspirasjon fra den naturlige verden hvor effektivitet er nøkkelen.

Insekter, som har vært en fokus på robotikk i lang tid, er født med en medfødt evne til å navigere effektivt fra starten, uten behov for læring eller omfattende programmering. Denne "hardwired" effektiviteten står i sterk kontrast til den tradisjonelle tilnærmingen innen robotikk. Ved å etterligne disse biologiske prinsippene kan roboter oppnå et effektivitetsnivå som for tiden er uoppnåelig med konvensjonelle metoder.

Chicca ser for seg en fremtid der robotikk ikke bare handler om læring og tilpasning, men også om medfødt effektivitet. Denne tilnærmingen kan føre til utvikling av roboter som er mindre, bruker mindre energi og er mer egnet for en rekke miljøer. Det er et perspektiv som utfordrer status quo og åpner for nye muligheter i design og anvendelse av robotsystemer.