Пустынные муравьи научили роботов навигации по Солнцу

by @bionica1
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