Биологи и инженеры объединили усилия для создания нового робота-летучей мыши, который поможет нам понять, как настоящие летучие мыши используют эхолокацию для поиска пищи. Создав робота, способного определять местоположение с помощью эхолокации, команда ученых имитировала траекторию полета летучей мыши и объяснила, как летучие мыши могут быстро определить, находится ли их добыча на листе. Этот новый взгляд летучих мышей подробно описан в исследовании, недавно опубликованном в Journal of Experimental Biology
Исследованием частично руководила специалист по летучим мышам и научный сотрудник Смитсоновского института тропических исследований Инга Гейпель. Фактически, работа робота в значительной степени подтвердила гипотезу Гейпеля о реальных летучих мышах. Несмотря на то, что она ожидала таких результатов, она все равно находила их приятными не столько для себя, сколько для своих пушистых подопечных.
“Я всегда командная летучая мышь”, — рассказывает Гайпель в интервью Popular Science. ”Они всегда обманывают меня, они всегда перехитряют меня».
Эхолокация помогает людям, которые спешат.
Летучие мыши используют эхолокацию, чтобы находить дорогу и охотиться за добычей. Крылатые млекопитающие издают ртом быстрые щелкающие звуки и прислушиваются к эху, поскольку эти звуки отражаются от близлежащих предметов, среди которых может быть и потенциальная пища. Интерпретируя время и силу возвращающегося эха, летучие мыши могут составить подробную акустическую картину своего окружения.
Этот процесс восприятия, основанный на гидролокаторе, в чем-то схож с тем, как автономные транспортные средства используют лидарные датчики для создания мини-карты окружающего мира. Но в то время как самоуправляемые автомобили полагаются на десятки камер и датчиков, работающих согласованно, летучие мыши выполняют ту же задачу интуитивно, имея всего два уха и рот.
Хотя ученым давно известно, что летучие мыши используют эхолокацию, до сих пор оставалось неясным, как именно они используют ее в реальном мире, особенно в густонаселенных джунглях и тропических лесах, где практически неограниченное количество пустых листьев соперничает за внимание голодной летучей мыши.
Кристиан Зиглер.
Погружение в мир летучей мыши
Чтобы попасть в мир летучих мышей, команда использовала результаты почти 20-летних исследований Гайпель. Она говорит, что ее восхищение началось, когда она увидела, как одно из летающих млекопитающих ловко порхает в ночном небе без света. Будучи давней поклонницей музыки и звуков, Гайпель была очарована идеей о том, что эти существа могут использовать свои органы чувств, чтобы “видеть” способами, недоступными пониманию людей. Она надеялась, что ее будущая работа прольет свет на этот интеллектуальный мрак.
“Восприятие мира с помощью звука — это чуждая нам сенсорная система”, — сказал Гейпель. “Я нахожу очень интересным, что летучие мыши могут летать в полной темноте”.
Новое исследование роботов-летучих мышей — это своего рода духовное “продолжение” докторских исследований Гейпеля по поиску пищи летучими мышами. Эта более ранняя работа показала, что ушастые летучие мыши (Micronycteris microtis) изначально приближаются к листьям под определенным углом, чтобы их щелчки сонара отражались от гладких лесных листьев подобно эхолокационному зеркалу. Листья с находящимися на них предметами, такими как насекомые, рассеивают сигнал сонара, в результате чего летучая мышь получает более сильный ответный импульс. С точки зрения летучей мыши, более сильное эхо может означать вкусный обед.
Но хотя эта базовая теория имеет интуитивный смысл, она также представляет собой практическую проблему. Чтобы предлагаемая система работала, летучим мышам, по-видимому, необходимо знать ориентацию и положение каждого листа, мимо которого они пролетают, независимо от того, находится ли на нем потенциальная добыча или нет. В лесу голодная летучая мышь была бы подавлена необходимостью постоянно анализировать какофонию эхо-сигналов от бесчисленных листьев, мешающих ее сонару. Летучая мышь, по сути, тратила бы все свое время на то, чтобы определить правильный угол приближения.
“Поведенческие эксперименты уже показали, как эти летучие мыши могут решить проблему поиска листьев, занятых добычей, но мы хотели знать, действительно ли этого объяснения достаточно для того, чтобы поведение сработало”, — сказал соавтор статьи и доцент кафедры биологии, машиностроения и электротехники Университета Цинциннати Дитер Вандерелст в заявлении.
Вот тут-то и возникла идея создания робота. Робот-летучая мышь был разработан таким образом, чтобы функционировать как механический дублер настоящей летучей мыши, позволяя исследователям анализировать, как крылатые млекопитающие приближаются к листьям с добычей или без нее. Для этого команда объединила специалистов как в области биологии, так и в области инженерии, преследуя общую цель — междисциплинарное сотрудничество, которое встречается не так уж часто. Гайпель говорит, что команда использовала объединенные знания таких биологов, как она сама, и инженеров, способных моделировать физический мир с помощью робототехники.
“Внедрив гипотетическую стратегию поиска пищи летучей мыши в робота и протестировав ее в реальном мире, мы могли бы задаться вопросом, может ли простое и элегантное решение быть успешным в сложных акустических условиях”, — добавил Вандерелст.
Разработка робота-летучей мыши
При разработке робота команда стремилась к созданию системы, которая бы точно имитировала естественные методы поиска пищи летучими мышами, не добавляя ненужных сложностей. В получившемся роботе-летучей мыши ”приоритет отдается функциям, а не форме. Он состоит из роботизированной руки со встроенным гидроакустическим излучателем, который имитирует звуки, издаваемые летучей мышью. На конце руки расположены бинауральные микрофоны, которые служат роботу-летучей мыши “ушами”.
Весь аппарат установлен на линейной направляющей длиной 9,8 фута (или три метра), которая выполняет функцию сильно уплотненной траектории полета. Дорожка настолько компактна, что помещается в помещении, напоминающем небольшой офис.
Робот выполняет задачи, необходимые для сбора важнейших исследовательских данных, но это, конечно, никого не обманет, заставив думать, что он настоящий двойник своего биологического вдохновителя. Лично Гайпель, по ее словам, предпочла бы добавить глаза Google, но в конечном итоге они отказались от этой идеи из соображений профессионализма.
“Листьями” в данном случае был картон, напечатанный на 3D-принтере. К центру некоторых из них была прикреплена картонная стрекоза длиной примерно 3,5 дюйма (девять сантиметров), напечатанная на 3D-принтере, чтобы обозначить потенциальную добычу. Во время эксперимента робот двигался по дорожке, испуская последовательные гидроакустические импульсы с задержкой примерно в 0,5 секунды между ними. Полученные данные сформировали то, что исследователи называют “огибающей эха”, которая затем была отправлена по беспроводной сети обратно на компьютер, управляющий манипулятором робота.
Робот-летучая мышьРоботизированная рука, оснащенная сонарной головкой, ищет и находит искусственную стрекозу на искусственных листьях. Лазер указывает, куда смотрит сонарная головка. АВТОР: Дитер Вандерелст, Университет Цинциннати.
В общей сложности команда провела более 45 испытаний робота-летучей мыши, пролетающей мимо листьев различной конфигурации, как с добычей, так и без нее. Система работала на удивление хорошо. Робот успешно обнаруживал листья с прикрепленной к ним стрекозой в 98 процентах случаев и ошибочно идентифицировал добычу по пустым листьям только в 18 процентах случаев.
Важно отметить, что робот bat добился этих результатов без предварительной оценки ориентации или угла наклона листьев, что было одним из основных вопросов, на которые стремились ответить исследователи. Оказалось, что bat следовал простой схеме: отслеживал сильные, стабильные эхо-сигналы, превышающие определенный порог, и игнорировал те, которые ему не соответствовали.
Хотя в данной работе особое внимание уделяется ушастым летучим мышам (Micronycteris microtis), исследователи надеются, что они смогут применить это к другим видам.
Роботы, вдохновленные летучими мышами, бывают разных форм и размеров
В прошлых исследованиях летучие мыши вдохновляли других роботов. В 2017 году инженеры Тель-Авивского университета разработали робота Robat — первое в своем роде автономное устройство на колесах, которое перемещается и исследует окружающую среду исключительно с помощью эхолокации. Несмотря на то, что робот не мог летать, он был оснащен ультразвуковым динамиком, который каждые 30 секунд издавал звуки, похожие на стрекотание летучей мыши. Робот обрабатывал возвращающееся эхо с помощью встроенной модели машинного обучения, которая позволяла ему распознавать препятствия и объезжать их в режиме реального времени.
До этого исследователи из Калифорнийского технологического института и Университета Иллинойса в Урбана–Шампейн разработали Bat Bot — робота в стиле летучей мыши с мягкими шарнирными крыльями, который весил всего 3,2 унции (93 грамма). Главным новшеством стало создание синтетических крыльев, способных менять форму при взмахе, как у настоящей летучей мыши. Команда достигла этого, разработав на заказ ультратонкую силиконовую мембрану для крыльев.
Усовершенствованная роботизированная летучая мышь может летать как настоящая.Робот, которого Гейпель и ее коллеги помогли создать, напротив, может быть менее впечатляющим визуально, чем эти два предыдущих примера. Однако его функция, возможно, предоставляет исследователям более обширные данные, позволяющие лучше понять, как работают настоящие живые и дышащие летучие мыши.
Заглядывая в будущее, Гайпель говорит, что она и ее команда надеются расширить исследования, включив в них более широкий спектр видов летучих мышей, и посмотреть, смогут ли они более четко понять, как летучие мыши различают различные виды возможной добычи, цепляющейся за листья. Когда дело доходит до более широкого изучения летучих мышей, добавляет она, нам еще многое предстоит выяснить.
“Здесь мы только начинаем изучать поверхность”, — говорит Гайпель.
