Пустынные муравьи научили роботов навигации по Солнцу


Французские инженеры создали робота, который использует для навигации методы муравьев, обитающих в пустынях. Разработчики научили его находить путь домой с помощью подсчета шагов, измерения оптического потока во время ходьбы, а также определять направление по излучению Солнца. Эксперименты показали, что робот способен успешно возвращаться в исходную позицию кратчайшим путем, даже если до этого он двигался случайным образом, говорится в статье, опубликованной в Science Robotics.

Большинство современных устройств и видов транспорта использует для точной навигации сигналы спутниковых систем. Поскольку эти сигналы могут быть недоступны, инженеры разрабатывают системы, способные действовать автономно. К примеру, ракеты, космические аппараты и другие маневренные летающие объекты зачастую оснащаются инерциальной системой навигации, позволяющей рассчитывать пройденный путь и направление по показаниям гироскопов и акселерометров. Кроме того, исследователи продолжают искать, в том числе и у живых организмов, другие способы навигации.

Одни из самых известных животных, обладающих надежной и разносторонней системой навигации — муравьи. Как правило, они используют для поиска пути домой следовые феромоны, оставляемые во время движения. Однако, этот метод работает не во всех условиях. К примеру, в жарких пустынях выделяемые муравьями феромоны просто разрушаются под действием солнечного света и тепла. Вместо маркировки пути веществами муравьи, обитающие в пустынях, такие как Cataglyphis fortis и Melophorus bagoti, используют комбинацию нескольких методов. На больших расстояниях они используют метод интегрирования по траектории, позволяющий рассчитать кратчайший путь домой. Для этого они подсчитывают пройденные шаги, оценивают оптический поток (скорость движения поверхности относительно сетчатки) и рассчитывают направление по высоте Солнца и поляризации рассеянного излучения неба, которая зависит от времени суток. Когда муравей приходит к концу пути с помощью интегрирования по траектории, для поиска входа в муравейник он использует визуальные признаки (наиболее выделяющиеся объекты).


Стефан Виолле (Stephane Viollet) и его коллеги из Университета Экс-Марсель создали робота, который использует для навигации методы, найденные у пустынных муравьев. Он имеет шесть ног, а также множество датчиков, показания которых собираются в одноплатном компьютере Raspberry Pi. В качестве солнечного компаса робот использует пару ультрафиолетовых датчиков, а также поляризаторов, вращение которых позволяет установить распределение поляризации падающего света по небу, а значит, и определить направление движения. Кроме того, в роботе установлен датчик оптического потока. Он состоит из двух рядов по шесть гексагональных пикселей. Благодаря задержке появления изображения на двух соседних пикселях, датчик может рассчитать оптический поток. Также робот способен запоминать количество сделанных шагов.


Компоненты робота

  • Julien Dupeyroux et al. / Sicence Robotics, 2019


В качестве экспериментальной площадки авторы подготовили пол с текстурированной поверхностью, по которой ходил робот. Сначала он двигался по случайной кривой, доходя до края площадки, а затем возвращался в исходную позицию, останавливаясь несколько раз для пересчета направления и расстояния с учетом новых данных. Во время эксперимента инженеры проверили пять различных алгоритмов, использующих один или несколько компонентов муравьиной навигации.

Траектории движения робота под управлением различных алгоритмов

  • Julien Dupeyroux et al. / Sicence Robotics, 2019



Эксперименты показали, что при использовании наиболее полного алгоритма робот успешно возвращался в исходную позицию со средней ошибкой 0,67 процента. Авторы отмечают, что во время экспериментов робот проходил около 14 метров, поэтому результаты экспериментов нельзя назвать полностью повторяющими результаты движения настоящих муравьев. Если учитывать размер, скорость движения и пройденную дистанцию, то в аналогичных условиях робот должен пройти более 30 километров, чтобы сравняться с муравьями, проходящими несколько сотен метров.

В 2016 году немецкие ученые показали, что навигация по количеству шагов и оптическому потоку у муравьев работает независимо друг от друга. Они провели эксперименты с муравьями-фуражирами, переносившими муравьев-рабочих. Если пару муравьев разъединяли, рабочий мог найти обратный путь в муравейник. Если же на глаза этому муравью надевали повязку, он уже не мог найти обратного пути.

February 19, 2019
by @qwertas
0
2

В костях нашли множество скрытых кровеносных сосудов.

Ученые обнаружили каналы, пронизывающие компактное костное вещество длинных костей, и позволяющие клеткам крови проникать от надкостницы к костному мозгу и обратно. Такие каналы, названные транскортикальными сосудами исследователи нашли в берцовых костях мышей, а также у человека. Исследование опубликованов журнале Nature.

До сих пор считалось, что кровь проникает в длинные кости через артерии на конце кости, проходит в костный мозг и выходит на другом конце. Это, однако не объясняло, почему в случае оказания экстренной помощи, вливание препаратов внутрикостно сопровождается быстрой реакцией всего организма. Обнаружить механизмы, позволяющие производить быстрый обмен между костным мозгом и кровеносной системой, долго не удавалось.

Маттиас Гюнцер (Matthias Gunzer ) из университета Дуйсбург-Эссен в Германии изучал меченые флуоресцентным белком клетки крови мышей под микроскопом и заметил, что они проходят через твердую кость. Не найдя этому никакого объяснения, Гюнцер со своими коллегами из Германии и Швейцарии приступил к исследованию этого феномена.

Изучая с помощью световой флуоресцентной и рентгеновской микроскопии большеберцовые кости мышей, обработанные этилциннаматом, делающим кости более прозрачными, исследователи впервые увидели мельчайшие транскортикальные сосуды (TCV), проходящие сквозь костное вещество. Эти тонкие каналы выстланы эндотелием, как обычные кровеносные сосуды. По подсчетам авторов исследования, большеберцовая кость мыши может быть пронизана более чем тысячью таких сосудов. Сквозь эти каналы транспортируется около 80 процентов артериальной и около 60 процентов венозной крови, проходящей через кость. То есть большая часть обмена между костным мозгом и кровеносной системой идет именно через них.

Кроме здоровых и молодых мышей авторы исследовали также старых и больных артритом. Оказалось, что при развитии воспаления новые сосуды появляются за несколько недель. У мышей в возрасте около двух лет количество транскортикальных сосудов было значительно меньше, чем у молодых. Это может быть связано с возрастным уменьшением числа остеокластов — клеток, которые, по всей видимости, играют важную роль в образовании сосудов. Остеокласты могут создавать каналы, которые, по мнению исследователей, могут служить основой для транскортикальных сосудов. Если связь между этими сосудами и воспалительными процессами подтвердится в будущих исследованиях, то это знание может помочь в разработке новых методов лечения. Регулируя кровоток в кости, можно повлиять на старение костей, восстановление после переломов, воспалительные заболевания.

Схема строения транскортикального сосуда, проходящего через компактное вещество длинной кости

 

Исследование анатомии человеческой кости, проведенное с помощью магнитно-резонансной томографии на добровольце (которым был сам руководитель исследования Гюнцер), показало, что структуры, похожие на транскортикальные сосуды, найденные у мышей, есть и в берцовой кости человека. Для понимания их функций будут проводиться дальнейшие исследования.

Исследования движения крови могут помочь отследить нарушения кровообращения. 

February 4, 2019
by @qwertas
0
7

Осьминог с ушами

Глубоководного ушастого осьминога засняли на видео



Команда судна Nautilus, работающая у побережья Калифорнии, сняла на видео редкого осьминога, род которого за характерные «уши» получил прозвище Дамбо в честь слоненка-героя диснеевского мультфильма. Видео с осьминогом опубликовано на официальном YouTube-канале экспедиции.

Осьминоги рода гримпотевтис (Grimpoteuthis) обитают на глубине от 100 метров до пяти километров, обычно плавая у самого дна океана. Как правило, их размер не превышает 20-30 сантиметров, хотя однажды ученые обнаружили представителя этого рода длиной 1,8 метра.

Осьминог Дамбо, которого заснял телеуправляемый необитаемый подводный аппарат Hercules, был достаточно крупным, длиной около 60 сантиметров, и находился на глубине в 3,2 километра. Судно Nautilus сейчас работает в районе потухшего подводного вулкана Дэвидсона в морском заповеднике Монтерей-Бэй у берегов Калифорнии.

Источник https://nplus1.ru

October 29, 2018
by @qwertas
0
12

Личинка стрекозы - "реактивный" чужой.

Стрекоза прожорливый хищник.

Личинка (нимфа) стрекозы - не менее прожорлива. Охотится она весьма необычным способом. У личинок некоторых видов стрекоз есть "маска" - длинная нижняя челюсть.

Мне кажется я знаю с кого "срисовали" чужого!

Такого вы еще не видели ! Маска хватает жертву за сотые доли секунды!


А еще нимфы некоторых стрекоз плавают с помощью реактивной тяги !

October 25, 2018
by @qwertas
0
29

Физика в мире животных: стрекозы и их полет




Стрекоз можно назвать прирожденными летунами. В воздухе эти насекомые проводят очень много времени, причем большинство видов без труда показывают примеры техники высшего пилотажа. К примеру, стрекоза может зависать в воздухе, лететь очень быстро или очень медленно, неожиданно менять направление своего полета в любом направлении. У стрекоз четыре крыла, которые действуют независимо друг от друга. Можно было бы думать, что движения переднего и заднего крыльев синхронизированы таким образом, что оба крыла составляют как бы единое целое, одну плоскость. Но это вовсе не так.

Сразу стоит сказать, что принцип полета стрекозы не уникален, его используют многие насекомые, как двукрылые, так и четырехкрылые. В основе всего — возникновение тяги в том случае, если махи крыльями вниз совершатся быстрее, чем махи вверх. По сравнению с полетным аппаратом большинства насекомых, эта система у стрекоз значительно усложнена. Для чего? Дело в том, что это усложнение позволяет стрекозам выполнять в воздухе приемы, которые большинству других насекомых недоступны. Кроме того, стрекозы могут разгоняться до очень большой скорости в 40 километров в час.

При ближайшем рассмотрении размещения крыльев стрекозы можно видеть, что расстояние между сочленениями передних и задних крыльев гораздо меньше, чем ширина этих крыльев. И даже, если они разведены довольно широко, все равно, при встречных движениях такие крылья должны зацепляться друг за друга. На самом деле, стрекоза не испытывает никаких неудобств в полете. Они старается (хотя «старается» — немного не то слово) совмещать контуры передних и задних крыльев. При полете вперед крылья стрекоз расходятся, а при схождении хлопают друг по другу.

Причем в этом случае плоскости верхних и нижних крыльев вовсе не параллельны. Задние кромки крыльев при движении несколько отстают в своем движении от передних. Так что при взмахах верхние и нижние крылья формируют схлопывающийся клин, вследствие чего назад выбрасывается струя воздуха, создавая реактивную силу, толкающую стрекозу вперед. Специалисты говорят, что компоновка крыльев стрекозы оптимальна для полета.



В результате в большинстве случаев стрекозы летают быстрее, чем их жертвы. Кроме того, эти насекомые могут выполнять практически любые маневры, очень быстро поворачивая в стороны, пикируя вниз или поднимаясь вверх. Мало какие насекомые способны избежать столь быстрого охотника.

Интересно, что раньше ученые считали, что использование столь сложного летательного аппарата требует от стрекоз больших физических затрат. Ученые из Ульмского университета в Германии и Королевского ветеринарного колледжа в Лондоне не так давно решили проверить это утверждение. Для того, чтобы это сделать, специалисты разработали роботизированную стрекозу. Ее поместили в минеральное масло, через которое пропускали газ. Вверх поднимались пузырьки, которые моделировали движения воздуха вокруг крыльев в полете. Механическую стрекозу оснастили датчиками, при помощи которых ученые измеряли ту силу, которая требуется для поднятия или опускания крыла.

Так вот, авторы исследования получили данные, которые ясно показывают: стрекозы используют специальный алгоритм полета, который позволяет увеличить эффективность работы крыльев этих насекомых на 22% по сравнению с летающими насекомыми, у которых два крыла. Дело в том, то при прохождении определенной части пути заднее крыло стрекозы улавливает поток воздуха от движения крыла, которое находится спереди и определенным образом отталкивается от него. Важным моментом является еще и то, что крылья стрекоз изгибаются от оснований к верхушкам. Это позволяет отбрасывать воздух без особых проблем подобно тому, как отбрасывают его крылья птиц. Результаты изучения полета стрекоз этой группой исследователей были опубликованы в издании Journal of the Royal Society Interface.


Что касается боковых маневров, то стрекозы делают это благодаря разбалансу крыльев. Для того, чтобы получить возможность быстро сместиться влево, стрекозе необходимо увеличить амплитуду махов у правой пары крыльев. Опрокидывание стрекозы становится маловероятным, если учесть умение этих насекомых работать с положением брюшка. При полете налево, чтобы не произошло смещение, стрекоза изгибает брюшко вправо. Кстати, для того, чтобы повернуть вправо, стрекозе нужно начать немного схлопывать левую пару крыльев. В результате этого маневра крылья отбросят определенное количество воздуха назад и насекомое повернется вправо.

Кстати, ранее считалось, что утолщения на передней кромке крыла стрекозы предназначены для нивелирования так называемого флаттера. Этот термин обозначает колебания жестких крыльев. Сейчас некоторые ученые полагают, что эти утолщения работают в качестве амортизаторов, облегчающих разведение верхних и нижних крыльев. Если бы не этот фактор, то верхние и нижние крылья могли бы схлопнуться и стрекоза не смогла бы больше нормально летать.


Интересно, что при наборе скорости стрекоза буквально таранит своих жертв. Сила удара при этом очень высокая. Но стрекоза не страдает от столкновений благодаря своему прочному и эластичному хитиновому покрову. А вот жертвам стрекоз везет меньше, они теряют способность двигаться или даже умирают от подобных столкновений.

В целом, стрекозы — идеальная машина для полета и охоты. Организм насекомого состоит из нескольких уникальных элементов, каждый из которых сложен, но эффективен.

October 25, 2018
by @qwertas
0
11

Потерявшиеся муравьи выжили в ядерном бункере без еды и королевы



Международная группа ученых из Польши и Финляндии под руководством Войцеха Чеховского из Польской академии наук обнаружила в заброшенном ядерном бункере времен Холодной войны необычную «колонию» муравьев, состоящую исключительно из рабочих особей. Исследование опубликовано в Journal of Hymenoptera Research.

Муравьиные колонии формируются вокруг одной или нескольких королев — репродуктивных самок. Большую часть населения муравейника составляют бесплодные самки, которые выполняют роль рабочих муравьев. Как правило, колонии, потерявшие королеву, находят новую самку, иногда даже другого вида, или погибают в течение года из-за отсутствия прироста населения. В новой работе исследователи описывают редкий случай, когда группа муравьев не вымерла за несколько лет, несмотря на отсутствие потомства.

Изначально ученые наблюдали за жизнью летучих мышей в заброшенном бункере «Специальный объект 3003 Темплево», который использовался для хранения ядерного оружия с конца 60-х до 1992 года. В 2013 году исследователи обнаружили в одной из комнат бункера большое количество муравьев. Оказалось, что комната соединена с поверхностью посредством прямой вентиляционной шахты. На поверхности исследователи обнаружили муравейник Formica polyctena, расположенный прямо над вентиляционной шахтой. Время от времени рабочие муравьи падали в шахту и, таким образом, сформировали муравьиную семью достаточно большой численности.

  • Муравейник над вентиляционной шахтой бункера


Несмотря на сложные условия, практически полное отсутствие еды, света и постоянную низкую температуру (около 10 градусов Цельсия летом и чуть выше нуля зимой) обнаруженная «колония» за три года наблюдений не только не вымерла, но, напротив, стала больше. На полу в комнате муравьи построили муравейник, население которого, несмотря на отсутствие репродуктивных самок, самцов и потомства, ученые оценили приблизительно в миллион особей. При этом централизованное кладбище, которое устроили муравьи, содержит по приблизительным подсчетам около двух миллионов мертвых особей.

  • На заднем плане виден муравейник, на переднем плане централизованное кладбище.


Как отмечают ученые, такая полностью изолированная от внешнего мира «колония» — уникальное явление. Несмотря на отсутствие матки и потомства, муравьи продолжают следить за порядком в муравейнике и не запечатывают ходы даже на зиму. Исследователям не удалось обнаружить источник пищи, и, хотя муравьи заползают на стены, на потолке в районе вентиляционной шахты ученые муравьев не обнаружили, что указывает на отсутствие связи подземного муравейника с внешним миром. Ученые предполагают, что прирост населения рабочих муравьев через вентиляционную шахту — единственная причина того, что муравейник в бункере не вымирает.Авторы статьи отмечают, что даже если внизу окажется самка, она вряд ли сможет дать жизнеспособное потомство из-за низкой температуры окружающей среды и отсутствия пищи. По словам исследователей, эта группа муравьев представляет собой не организованную колонию, а редкий пример большой группы муравьев-рабочих, выживших в условиях низкой температуры, без еды и света.

October 25, 2018
by @qwertas
0
6
Show more