Forskare utvecklar ny teori om djurs sinnesuppfattning som kan användas inom robotik

Alla djur, från insekter till människor, förlitar sig på sina sinnen som några av de viktigaste verktygen för överlevnad. Sinnesorgan som ögon, öron och näsor används medan de söker efter mat eller upptäcker hot. Men den faktiska positionen och riktningen av sinnesorganen är inte intuitiv, och de teorier som för närvarande används kan inte förutsäga position och riktning. 

Detta ändras nu med nya utvecklingar från Northwestern University. Ett team av forskare har tagit fram en ny teori som faktiskt kan förutsäga rörelsen av ett djurs sinnesorgan, specifikt när djuret söker efter något viktigt som mat. 

Forskningen publicerades den 22 september i tidskriften eLife. 

Energi-begränsad proportionell betting

Den nyligen utvecklade teorin, som kallas energi-begränsad proportionell betting, tillämpades på fyra olika arter av djur, och den omfattade tre olika sinnen, inklusive syn och luktsinne. Teamet visade hur teorin kunde förutsäga det observerade sinnesbeteendet hos varje djur.

Denna nya teori kan ha implikationer inom området robotik, möjligtvis förbättra robotprestanda när det gäller att samla in information. Den kan också göra en skillnad i utvecklingen av autonoma fordon, specifikt förbättra deras reaktion på osäkerhet. 

Malcolm A. Maclver ledde den lovande forskningen. Han är också professor i biomedicinsk och mekanisk ingenjörsvetenskap vid Northwesterns McCormick School of Engineering, samt professor i neurobiologi vid Weinberg College of Arts and Sciences. 

“Djur försörjer sig genom rörelse”, sa Maclver. “För att hitta mat och partners och för att identifiera hot, måste de röra sig. Vår teori ger insikt i hur djur chansar på hur mycket energi de ska lägga ut för att få den användbara informationen de behöver.”

Den nya teorin kastar ljus över de olika rörelserna av sinnesorgan, och den resulterande algoritmen genererade simulerade rörelser av sinnesorgan. Dessa genererade rörelser överensstämde med de verkliga rörelserna av sinnesorgan från fiskar, däggdjur och insekter. 

Chen Chen är en doktorand i Maclvers lab och den första författaren, medan Todd D. Murphey, professor i mekanisk ingenjörsvetenskap vid McCormick, är en medförfattare. 

Chansande energi

Rörelse kostar mycket energi för djur, och de lägger ut den energin medan de chansar på att de platser de rör sig till kommer att vara informativa. Mängden mat-energi som de är villiga att lägga ut är proportionell mot den förväntade värdet av dessa platser, enligt forskarna.

“Medan de flesta teorier förutsäger hur ett djur kommer att bete sig när det till stor del redan vet var något är, är vår en förutsägelse för när djuret vet mycket lite — en situation i livet och avgörande för överlevnad”, säger Murphey. 

Forskningen fokuserade på den elektriska fisken från Sydamerika, och experimenten utfördes i Maclvers lab. Det var dock inte all ny data, eftersom teamet använde tidigare publicerade datamängder om den blinda östamerikanska mullen, den amerikanska kackerlackan och humleflugan. 

De tre sinnen som fokuserades på inkluderade elektrosinne med den elektriska fisken, syn med flugan och luktsinne med mullen och kackerlackan.

Den nyligen utvecklade teorin leder till att mer energi och tid sparas när man rör sig runt för att samla in information. Samtidigt finns det tillräckligt med information för att vägleda spårning och andra utforskande beteenden som är vanliga bland djur. 

“När du tittar på en katts öron, ser du ofta att de snurrar för att prova olika platser i rummet”, sa Maclver. “Detta är ett exempel på hur djur ständigt positionerar sina sinnesorgan för att hjälpa dem att absorbera information från miljön. Det visar sig att det finns mycket som händer under ytan i rörelsen av sinnesorgan som öron och ögon och näsor.”