Исследователи разрабатывают новую теорию о восприятии животных, которую можно использовать в робототехнике

Все животные, от насекомых до человека, полагаются на свои чувства как на одни из наиболее важных инструментов для выживания. Органы чувств, такие как глаза, уши и нос, используются при поиске пищи или обнаружении угроз. Однако фактическое положение и ориентация органов чувств не являются интуитивными, и в настоящее время используемые теории не могут делать прогнозы о положении и ориентации.

Теперь ситуация меняется с учетом новых разработок в Northwestern University. Команда исследователей разработала новую теорию, которая действительно может предсказать движение органов чувств животного, в частности, когда животное ищет что-то важное, например, пищу.

Исследование было опубликовано 22 сентября в журнале eLife. 

Энергетически-ограниченная пропорциональная ставка

Недавно разработанная теория, называемая энергетически-ограниченной пропорциональной ставкой, была применена к четырем различным видам животных и включала три различных чувства, включая зрение и обоняние. Команда продемонстрировала, как теория может предсказать наблюдаемое поведение восприятия каждого животного.

Эта новая теория может иметь последствия в области робототехники, возможно, улучшая производительность роботов при сборе информации. Она также может повлиять на разработку автономных транспортных средств, в частности, улучшить их реакцию на неопределенность.

Malcolm A. Maclver возглавил перспективное исследование. Он также является профессором биомедицинской и механической инженерии в Northwestern’s McCormick School of Engineering, а также профессором нейробиологии в Weinberg College of Arts and Sciences.

“Животные зарабатывают на жизнь, двигаясь”, – сказал Maclver. “Чтобы найти пищу и партнеров, и чтобы определить угрозы, им нужно двигаться. Наша теория дает представление о том, как животные делают ставку на то, сколько энергии тратить, чтобы получить необходимую информацию”.

Новая теория проливает свет на различные движения органов чувств, и полученный алгоритм сгенерировал模拟 движения органов чувств. Эти сгенерированные движения согласуются с реальными движениями органов чувств рыб, млекопитающих и насекомых.

Chen Chen является аспирантом в лаборатории Maclver и первым автором, а Todd D. Murphey, профессор механической инженерии в McCormick, является соавтором.

Ставка на энергию

Движение стоит животным много энергии, и они тратят эту энергию, делая ставку на то, что места, к которым они движутся, будут информативными. Количество энергии, полученной из пищи, которую они готовы потратить, пропорционально ожидаемой ценности этих мест, согласно исследователям.

“Хотя большинство теорий предсказывают, как животное будет вести себя, когда оно уже знает, где что-то находится, наша теория предсказывает, как животное будет вести себя, когда оно знает очень мало – ситуация, которая важна для выживания”, – говорит Murphey.

Исследование было сосредоточено на гимнотидной электрической рыбе из Южной Америки, и эксперименты были проведены в лаборатории Maclver. Однако это не была вся новая информация, поскольку команда использовала ранее опубликованные наборы данных о слепом восточном американском кроте, американском таракане и колибри-моли.

Три чувства, на которых был сосредоточен внимание, включают электровосприятие у электрической рыбы, зрение у моли и обоняние у крота и таракана.

Недавно разработанная теория приводит к сохранению больше энергии и времени при движении для сбора информации. В то же время есть достаточно информации, чтобы направлять отслеживание и другие исследовательские поведения, распространенные среди животных.

“Когда вы смотрите на уши кошки, вы часто видите, как они поворачиваются, чтобы отобрать разные места пространства”, – сказал Maclver. “Это пример того, как животные постоянно позиционируют свои органы чувств, чтобы помочь им поглощать информацию из окружающей среды. Оказывается, что под поверхностью движения органов чувств, таких как уши, глаза и нос, происходит многое.”