Forskere utvikler ny teori om dyrs sansning som kan brukes i robotikk

Alle dyr, fra insekter til mennesker, avhenger av sansene som noen av de viktigste verktøyene for overlevelse. Sanser som øyne, ører og nese brukes når de leter etter mat eller oppdager trusler. Imidlertid er den faktiske posisjonen og orienteringen av sansene ikke intuitiv, og de nåværende teoriene kan ikke forutsi posisjonen og orienteringen.

Dette er nå i ferd med å endre seg med nye utviklinger fra Northwestern University. Et team av forskere har kommet frem til en ny teori som faktisk kan forutsi bevegelsen av et dyr sitt sanser, spesielt når dyret leter etter noe viktig som mat.

Forskningen ble publisert 22. september i tidsskriftet eLife.

Energi-begrenset proporsjonal betting

Den nylig utviklede teorien, betegnet energi-begrenset proporsjonal betting, ble brukt på fire forskjellige arter av dyr, og det inkluderte tre forskjellige sanser, inkludert syn og luktesans. Teamet viste hvordan teorien kunne forutsi det observerte sansningsatferdet til hvert dyr.

Denne nye teorien kan ha implikasjoner innen robotikkfeltet, muligens forbedre robotytelsen når det gjelder å samle informasjon. Den kan også gjøre en forskjell i utviklingen av autonome kjøretøy, spesielt forbedre deres respons på usikkerhet.

Malcolm A. Maclver ledet det løftende forskningsarbeidet. Han er også professor i biomedisinsk og mekanisk ingeniørvidenskab ved Northwesterns McCormick School of Engineering, samt professor i nevrobiologi ved Weinberg College of Arts and Sciences.

“Dyr tjener til livets opphold gjennom bevegelse,” sa Maclver. “For å finne mat og partnere og for å identifisere trusler, må de bevege seg. Vår teori gir innsikt i hvordan dyr gambler med hvor mye energi de skal bruke for å få den nyttige informasjonen de trenger.”

Den nye teorien kaster lys over de forskjellige bevegelsene til sanser, og den resulterende algoritmen genererte simuleringsbevegelser av sanser. Disse genererte bevegelsene stemte overens med de virkelige sanserbevegelsene fra fisk, pattedyr og insekter.

Chen Chen er en ph.d.-student i Maclvers laboratorium og den første forfatteren, mens Todd D. Murphey, professor i mekanisk ingeniørvidenskab ved McCormick, er en medforfatter.

Gambling energi

Bevegelse koster mye energi for dyr, og de bruker denne energien mens de gambler med at de plassene de beveger seg til vil være informativt. Mengden mat-avledede energi de er villige til å bruke, er proporsjonal med den forventede verdien av disse plassene, ifølge forskerne.

“Mens de fleste teorier forutsier hvordan et dyr vil oppføre seg når det allerede vet hvor noe er, er vår en forutsigelse for når dyret vet svært lite — en situasjon i livet og kritisk for overlevelse,” sier Murphey.

Forskningen fokuserte på den elektriske fisken fra Sør-Amerika, og eksperimenter ble utført i Maclvers laboratorium. Det var imidlertid ikke all ny data, da teamet brukte tidligere publiserte datasett om den blinde øst-amerikanske moldvarpen, den amerikanske kakerlakken og humlehonningen.

De tre sansene som ble fokusert på, inkluderte elektrosans med den elektriske fisken, syn med møllen og luktesans med moldvarpen og kakerlakken.

Den nylig utviklede teorien fører til at mer energi og tid blir spart når det gjelder å bevege seg rundt for å samle informasjon. Samtidig er det nok informasjon til å guide sporings- og andre utforskende atferd som er vanlig blant dyr.

“Når du ser på en katts ører, vil du ofte se dem svinge for å prøve ulike plasser i rommet,” sa Maclver. “Dette er et eksempel på hvordan dyr hele tiden posisjonerer sansene sine for å hjelpe dem å absorbere informasjon fra miljøet. Det viser seg at det skjer mye under overflaten i bevegelsen av sanser som ører, øyne og nese.”