Роботизированная летучая мышь проливает новый свет на то, как они охотятся в темноте.
Биологи и инженеры объединили усилия, чтобы создать новую роботизированную летучую мышь, которая помогает нам понять, как настоящие летучие мыши используют эхолокацию для охоты за пищей. Создав робота, способного к эхолокации, команда имитировала полёт летучей мыши и объяснила, как летучие мыши могут быстро определить, находится ли их добыча на листе. Этот новый взгляд с «глазами летучей мыши» подробно описан в исследовании, недавно опубликованном в журнале Journal of Experimental Biology.
Исследование частично проводилось под руководством учёного, изучающего летучих мышей, и научного сотрудника Смитсоновского института тропических исследований Инги Гейпель. Фактически, работа робота во многом подтвердила гипотезу Гейпель о настоящих летучих мышах. Хотя она и ожидала таких результатов, они всё равно её обрадовали, но не столько для себя, сколько для своих пушистых подопечных.
«Я всегда на стороне летучих мышей, — говорит Гейпель Popular Science. — Они всегда меня обманывают, они всегда меня перехитряют».
Эхолокация для спешащих людей
Летучие мыши используют эхолокацию, чтобы найти дорогу и охотиться за добычей. Крылатые млекопитающие издают быстрые щелчки из своего рта и слушают эхо, когда эти звуки отражаются от близлежащих объектов, которыми могут быть потенциальные источники пищи. Интерпретируя время и силу возвращающихся эхо-сигналов, летучие мыши могут построить подробную акустическую картину своего окружения.
Этот процесс восприятия на основе сонара чем-то похож на то, как автономные транспортные средства используют датчики LiDAR для создания мини-карты окружающего мира. Но в то время как беспилотные автомобили полагаются на десятки камер и датчиков, работающих согласованно, летучие мыши выполняют ту же задачу интуитивно, имея всего два уха и рот.
Хотя учёные давно знали, что летучие мыши используют эхолокацию, оставалось неясным, как именно они используют её в реальном мире, особенно в густонаселённых джунглях и тропических лесах, где практически неограниченное количество пустых листьев конкурируют за внимание голодной летучей мыши.
Обыкновенная ушастая летучая мышь (Micronycteris microtis) поедает только что пойманную стрекозу. Изображение: Кристиан Циглер.
Вход в мир летучих мышей
Чтобы проникнуть в мир летучих мышей, команда опиралась на почти 20-летние исследования Гейпель. Она говорит, что её увлечение началось, когда она увидела, как одно из летающих млекопитающих ловко порхает по ночному небу без света. Будучи также поклонником музыки и звука, Гейпель была очарована идеей, что эти существа могут использовать свои чувства, чтобы «видеть» так, как люди не могут себе представить. Она надеялась, что её будущая работа прольёт свет на эту интеллектуальную темноту.
«Видеть мир через звук — это сенсорная система, чуждая нам, — сказала Гейпель. — Мне очень интересно, что летучие мыши могут летать в полной темноте».
Исследование о роботизированной летучей мыши является своего рода духовным «продолжением» докторской диссертации Гейпель об охоте летучих мышей. В этой работе было показано, что большеухие летучие мыши (Micronycteris microtis) сначала подлетают к листьям под определённым углом, чтобы их сонарные щелчки отражались от гладких лесных листьев, как от эхолокационного зеркала. Листья с объектами на них, такими как насекомые, рассеивают сонар, в результате чего летучая мышь получает более сильный обратный импульс. С точки зрения летучей мыши, более сильные эхо-сигналы могут означать вкусный обед.
Самые крупные в мире плотоядные летучие мыши — большие мямли
Пушистый робот-антилопа следит за своими органическими собратьями
РОБОТ-СОБАКА ЛЭССИ МОЖЕТ СОПРОВОЖДАТЬ АСТРОНАВТОВ НА МАРСЕ
Как летучие мыши избегают столкновения друг с другом
Но хотя эта базовая теория имеет интуитивный смысл, она также представляет собой практическую проблему. Чтобы предлагаемая система работала, летучим мышам, по-видимому, нужно было бы знать ориентацию и положение каждого листа, который они проходят, независимо от того, есть ли на нём потенциальная добыча. В лесу голодная летучая мышь была бы перегружена необходимостью постоянно анализировать какофонию эхо-сигналов от бесчисленных листьев, загрязняющих её сонар. Летучая мышь, по сути, тратила бы всё своё время на размышления о правильном угле подхода.
«Поведенческие эксперименты уже показали, как эти летучие мыши могут решить проблему поиска листьев с добычей, но мы хотели знать, достаточно ли этого объяснения, чтобы поведение работало», — сказал в заявлении соавтор статьи и доцент кафедры биологии, машиностроения и электротехники Университета Цинциннати Дитер Вандерельст.
Именно здесь возникла идея создания робота. Робо-летучая мышь была разработана как механический заменитель настоящего животного, что позволило исследователям проанализировать, как крылатые млекопитающие приближаются к листьям с добычей и без неё. Чтобы сделать это, команда объединила экспертов как из биологии, так и из инженерии в погоне за общей целью — междисциплинарное сотрудничество, которое не так уж и распространено. Гейпель говорит, что команда опиралась на объединённые знания биологов, таких как она сама, и инженеров, способных моделировать физический мир с помощью робототехники.
«Создав гипотетическую стратегию поиска пищи летучей мыши в роботе и протестировав её в физическом мире, мы могли бы спросить, может ли простое, элегантное решение преуспеть в сложных акустических условиях», — добавил Вандерельст.
Проектирование робота-летучей мыши
При проектировании робота команда хотела систему, которая точно моделировала бы естественную технику поиска пищи летучей мыши, не добавляя ненужной сложности. В результате «роботизированная летучая мышь» ставит функцию выше формы. Она состоит из роботизированной руки со встроенным излучателем сонара, предназначенным для имитации щебетания, которое производит летучая мышь. На конце руки расположены бинауральные микрофоны, которые служат «ушами» роботизированной летучей мыши.
Весь аппарат установлен на линейной дорожке длиной 9,8 фута (или трёх метров), которая функционирует как сильно уплотнённая траектория полёта. Путь настолько уплотнён, что помещается в помещении, похожем на небольшой офис.
Обыкновенная ушастая летучая мышь (Micronycteris microtis) приближается к катидиду, отдыхающему на листе. Изображение: Инга Гейпель, Смитсоновский институт тропических исследований.
Робот выполняет задачи, необходимые для сбора важнейших данных для исследований, но, конечно, никто не ошибётся, приняв его за настоящего двойника своего биологического вдохновителя. Лично Гейпель говорит, что она бы предпочла добавить глаза-приколы, но в конечном итоге они отказались от этой идеи ради профессионализма.
«Листья» в этом случае были изготовлены из 3D-печатного картона. Некоторые из них имели картонную стрекозу длиной примерно 3,5 дюйма (девять сантиметров), прикреплённую к их центру, чтобы представить потенциальную добычу.
Во время эксперимента робот двигался по дорожке, испуская последовательные сонарные импульсы с задержкой примерно в 0,5 секунды между ними. Полученные данные сигнала сформировали то, что исследователи называют «огибающей эха», которая затем была беспроводным образом отправлена обратно на компьютер, управляющий роботизированной рукой.
В общей сложности команда провела более 45 испытаний роботизированной летучей мыши, пролетающей мимо различных конфигураций листьев, как с добычей, так и без неё. Система показала себя удивительно хорошо. Робот успешно обнаружил листья с закреплённой стрекозой в 98 процентах случаев и ложно идентифицировал добычу на пустых листьях только в 18 процентах случаев.
Критически важно, что летучая мышь-робот достигла этих результатов, не оценивая сначала ориентацию или угол листьев, что было одним из основных вопросов, на которые исследователи стремились ответить. Летучая мышь, по-видимому, следовала простой схеме: отслеживать сильные, стабильные эхо-сигналы выше определённого порога и игнорировать те, которые ему не соответствуют.
Хотя это исследование специально посвящено большеухим летучим мышам (Micronycteris microtis), исследователи надеются, что смогут применить его к другим видам.
Роботы, вдохновлённые летучими мышами, бывают разных форм и размеров
Летучие мыши вдохновили на создание других роботов в прошлых исследованиях. В 2017 году инженеры из Тель-Авивского университета разработали Robat the Robot, первое в своём роде автономное колёсное устройство, которое ориентировалось и исследовало своё окружение исключительно с помощью эхолокации. Хотя он не мог летать, Robat был оснащён ультразвуковым динамиком, который издавал похожие на летучих мышей щебетания каждые 30 секунд. Он обрабатывал возвращающиеся эхо-сигналы через бортовую модель машинного обучения, которая позволяла ему идентифицировать и избегать препятствий в режиме реального времени.
До этого исследователи из Калифорнийского технологического института и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали Bat Bot, робота, вдохновлённого летучими мышами, с мягкими шарнирно-сочленёнными крыльями, которые весили всего 3,2 унции (93 грамма). Основным нововведением здесь стало создание синтетических крыльев, способных менять форму во время взмаха, как у настоящей летучей мыши. Команда добилась этого, разработав изготовленную на заказ ультратонкую силиконовую мембрану для крыльев.
Робот, созданный Гейпель и её коллегами, напротив, может быть менее визуально впечатляющим, чем эти два более ранних примера. Однако его функции, возможно, предоставляют исследователям более богатые данные, чтобы лучше понять, как действуют настоящие живые и дышащие летучие мыши.
Заглядывая вперёд, Гейпель говорит, что она и её команда надеются расширить исследования, включив в них более широкий круг видов летучих мышей, и посмотреть, смогут ли они более чётко понять, как летучие мыши различают различные виды возможной добычи, цепляющейся за листья. Когда дело доходит до изучения летучих мышей в более широком смысле, она добавляет, что ещё многое предстоит раскрыть.
«Мы только царапаем поверхность здесь», — сказала Гейпель.