Биология и робототехника.

Как учатся у мух-ктырей перехвату целей в полёте

Мухи-ктыри — настоящие летающие акробаты, способные замечать свою добычу, уворачиваться от препятствий и ловить более мелких насекомых в полёте на высокой скорости. Ученые давно интересуются, как они справляются с этим, несмотря на то, что их мозг размером с песчинку.

Согласно новой статье, опубликованной в «Журнале экспериментальной биологии», мухи-ктыри сочетают в себе две разные стратегии навигации, основанные на обратной связи: одна включает перехват добычи, когда обзор ясный, а другая позволяет мухам обходить любые препятствия в полете.

Одной из проблем робототехники является создание роботов, способных перемещаться в среде с множеством препятствий — то, что люди и животные инстинктивно делают каждый день. По словам авторов, многие роботизированные системы полагаются на методику планирование пути: при помощи звука (сонара) или лазеров, они отправляют сигналы, а затем фиксируют отражения. Затем по этим данным строится карта препятствий.

Однако такой подход является крайне энергозатратным. Людям и животным не нужны сложные карты или специальные методики для понимания местоположения объекта, его размеров, скорости и других деталей. Мы просто реагируем на любые соответствующие раздражители в нашем окружении в режиме реального времени. Таким образом, разработка навигационных поведенческих алгоритмов на основе биологических систем представляет для робототехников большой интерес.

Прошлые исследования были сосредоточены на способности различных видов, включая плодовых мушек и голубей, преодолевать загроможденную территорию. «Однако в этих случаях единственной целью было уклонение от препятствий», — пишут авторы. «Навигация вокруг препятствий более сложна, когда конкретное место выступает в качестве цели, потому что уклонение от препятствий должно быть уравновешено навигационной целью».

Вот почему биоинженер Сэмюэл Фабиан из Имперского колледжа в Лондоне и трое сотрудников из Университета Миннесоты решили провести свои собственные эксперименты, используя в качестве подопытного один из видов хищной мухи Holocephala fusca. Этот вид был выбран из-за очень предсказуемой траектории перехвата добычи. Кроме того, его небольшой размер и быстрое движение (большинство полетов длятся менее секунды) явно требуют быстрой реакции с минимальными вычислительными затратами.

Охотничье поведение мухи-ктыря сходно с поведением соколов, ястребов и тактикой применения современных управляемых ракет. Ктыри обычно охотятся, садясь где-нибудь, откуда им хорошо видно небо. Как только муха замечает потенциальную добычу и начинает преследование, муха должна ориентироваться, чтобы перехватить добычу и избежать любых препятствий на пути, таких как, например, ветки.

Мухам давали движущуюся мишень в виде маленькой светоотражающей бусины серебристого цвета, которую тянули по прозрачной леске. «Мухи действительно не понимали, что это не настоящая добыча, даже находясь очень близко», — сказал Фабиан. «Если это было что-то достаточно маленькое, они обычно принимают это за еду».

На раме также было препятствие: полоска из ацетата, окрашенная черной акриловой краской, тонкая (2,5 см) или толстая (5 см), расположенная чуть ниже пути мишени. Точное размещение полоски и начальная траектория мухи определяли, стал ли объект препятствием на траектории полета и заслонил ли он цель.

Исследователи записали все полеты мух в полевых условиях, чтобы получить максимально естественное поведение. Затем они воспроизвели в цифровом виде 26 полетов мух-ктырей, преследующих движущуюся бусину при наличии препятствия. Результаты оказались следующими.
При отсутствии препятствий мухи сохраняли одну и ту же траекторию на протяжении всего своего полёта, чтобы перехватить и поймать бусину. Когда тонкая или толстая черная полоса частично закрывала их обзор на короткие периоды (менее 0,1 секунды), мухи предпринимали маневры уклонения, чтобы обойти препятствие, прежде чем вернуться на курс перехвата. Иногда муха отклонялась в сторону, реагируя на черную полосу, даже если полоса не закрывала их прямой видимости. И когда исследователи закрывали линию обзора мух более чем на 0,1 секунды, мухи полностью отказывались от перехвата.

Фабиан и др. пришли к выводу, что мухи-ктыри использовали простую стратегию уклонения от препятствий в сочетании со своей стандартной стратегией перехвата, которую они назвали комбинированным наведением. Чем быстрее препятствие становилось больше в их поле зрения, тем резче они уворачиваются от него. Мухи возвращались на траекторию перехвата, как только указанное препятствие исчезало из поля зрения. Они обращали внимание на свое окружение, даже когда сосредоточены на цели.

Это «демонстрирует, что уклонение от препятствий может быть результатом простых законов обратной связи, которые не требуют абсолютного знания расстояния, размера или скорости», — пишут авторы в соответствии с предыдущей работой, показывающей, что простые законы обратной связи также могут объяснить стратегию перехвата ктырей. Конечно, пока это основано на ограниченном количестве полевых испытаний, но команда надеется продолжить свои исследования в будущем.