Глаз мухи: учёные раскрыли секреты зрения для быстрого управления полётом
Исследователи из Университета штата Пенсильвания изучили, как плодовые мушки используют движения глаз для улучшения управления полётом с поразительно высокой скоростью реакции — примерно в 30 раз быстрее, чем моргание человеческого глаза. Это позволило создать основу для воспроизведения такой способности в робототехнике.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные описали движения мух, закреплённых в симуляторе виртуальной реальности для полёта, созданном с помощью светодиодов и записанном высокоскоростными камерами.
«Если вы можете изучать мух, делающих то, что они умеют лучше всего — летать, — вы найдёте невероятные инженерные решения, которые уже существуют в биологии», — сказал Бенджамин Селини, докторант, изучающий машиностроение и первый автор статьи.
Селини и его научный руководитель Жан-Мишель Монго, доцент кафедры машиностроения и директор лаборатории Bio-Motion Systems Lab, смогли определить, как плодовые мушки используют движения глаз для быстрой координации крыльев в ответ на увиденное. Поскольку глаза мух зафиксированы на голове, исследователи отслеживали движения головы, чтобы определить направление взгляда.
Стабилизация взгляда — обычное явление для большинства живых существ. Например, мы плавно двигаем глазами, головой и/или телом, чтобы осмотреть комнату.
«Но это сложная комплексная проблема для понимания: как мы и другие животные способны делать это так хорошо?» — сказал Монго. — «Моя лаборатория интересуется активным сенсорным восприятием — областью инженерии и биологии, изучающей, как движение сенсоров, например, сканирование комнаты глазами, может улучшить само восприятие».
В то время как большая часть предыдущих исследований в этой области была сосредоточена на движениях крыльев, понимание того, как животные, такие как мухи, используют активные движения глаз для управления полётом, может значительно улучшить робототехнику. В настоящее время у большинства роботов датчики стационарны, что разделяет восприятие и движение. Однако, лучше имитируя глаза и мозг за счёт координации визуальных датчиков, способных двигаться на корпусе, управление полётом роботов можно значительно улучшить.
В подтверждение этой теории исследователи установили, что глаза плодовой мушки способны реагировать в четыре раза быстрее, чем её тело или крылья. Эти реакции также были тесно связаны, что демонстрирует: мухи в значительной степени полагаются на движения глаз для координации движений крыльев.
«Мы показали, что их глаза могут контролировать и стабилизировать зрение лучше, чем мы изначально думали, уменьшая размытость движения», — сказал Селини. — «Как в спорте: бейсболистов учат следить за мячом глазами, чтобы уменьшить размытие и повысить результативность удара».
Кроме того, они обнаружили, что когда мухам аккуратно наносили клей на головы и затем записывали их в симуляторе виртуальной реальности, ограничение движений головы драматически влияло на качество полёта.
«Важный принцип, который мы здесь обнаружили, заключается в том, что глаза мух замедляют визуальное движение, поступающее в мозг, и этот процесс улучшает их лётное поведение», — сказал Монго.
Продемонстрировав это в работе, исследователи полагают, что раскрытие секретов биологического мира может иметь широкие последствия для технологий.
«В инженерии вас учат применять принципы математики и физики для решения проблем», — сказал Селини. — «Если вы хотите построить робота для полёта на Марс, вы можете использовать инженерные концепции. Но нам не всегда нужно разрабатывать идеи с нуля; мы также можем искать вдохновение в природе».