Координация движений головы, тела и глаз оказалась общей для животного мира

Исследователи из Университета штата Пенсильвания, используя виртуальные авиасимуляторы, обнаружили, что плодовые мушки синхронизируют движения головы и тела для стабилизации зрения и эффективного полёта. По словам учёных, это правило верно и для приматов, а также других животных, что указывает на эволюционное преимущество независимого движения глаз и тела: оно экономит энергию и повышает эффективность. По мнению ведущего исследователя Жан-Мишеля Монго, доцента кафедры машиностроения, это понимание может помочь в разработке продвинутых мобильных роботов.

Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ключевые выводы исследования

• Энергоэффективность: При контроле взгляда мушки минимизируют затраты энергии и повышают эффективность полёта.
• Дополнительность движений: Тело мушки активнее реагирует на медленное визуальное движение, а голова — на быстрое. Их совместная работа стабилизирует полёт в широком диапазоне скоростей.
• Универсальная модель: На основе данных о мухах была создана математическая модель, точно предсказывающая аналогичную синхронизацию у других визуально активных животных.

Методология

Учёные использовали высокоскоростные камеры для записи поведения мухи, помещённой в иммерсивную виртуальную реальность: её окружали LED-экраны, на которые проецировалось видео, имитирующее вид во время полёта. Это заставляло муху действовать, как при свободном полёте. Направление взгляда определялось по движениям головы, так как глаза мухи неподвижны относительно головы.

Эксперимент с обездвиженной головой

Когда голову мухи зафиксировали и повторили визуальные стимулы, мушка не смогла реагировать на быстрое движение. Это подтвердило преимущество совместной работы головы и тела.

Эволюционный и робототехнический контекст

• Эволюция: Модель, построенная на основе данных о мухах, применима к другим животным (насекомым, крысам, птицам). Способ координации движений головы и тела у мух оказался очень похож на координацию движений глаз и головы у приматов, несмотря на сотни миллионов лет эволюционного расхождения.
• Переход к жизни на суше: Независимое движение глаз и головы, требующее меньше энергии из-за меньшей инерции, могло дать существенные эволюционные преимущества при переходе позвоночных из воды на сушу более 350 миллионов лет назад. Исследователи обнаружили «оптимальное соотношение» в пропорциях глаз-голова-тело, предполагая, что инерция могла быть важным ограничивающим фактором в эволюции зрения.
• Робототехника: В современных роботах сенсоры обычно статичны. Биологический принцип подвижности органов зрения (как движущихся глаз) может вдохновить на создание более энергоэффективных роботов с мобильными сенсорами на основе зрения.