Блог компании ua-hosting.company. Современные роботы отличаются от своих предшественников не только улучшенными интеллектуальными способностями, но и маневренностью. Стоит вспомнить видео Boston Dynamics, где инженеры пинают и толкают несчастного робота, демонстрируя его умение сохранять стабильность или восстанавливаться после падения. Но во всех этих роликах робот цел, то есть, как бы мрачно это не звучало, все его конечности на месте.

В дикой природе существуют механизмы восстановления, помогающие различным видам сохранять стабильность движения в случае серьезной травмы. Ученые из университета штата Пенсильвания (США) решили изучить этот вопрос на примере фруктовой мошки, способной летать даже при потере 40% своих крыльев. Как именно мошки сохраняют мобильность после таких травм, какова динамика их движения до и после травмы, и как полученные данные можно применить в робототехнике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Одним из основных аспектов любой биологической системы, будь то животное или растение, является ее умение компенсировать возмущения внутреннего или внешнего происхождения. Возмущения окружающей среды могут иметь серьезные последствия для выживания, в некоторых случаях вызывая травмы, которые ограничивают подвижность. К примеру, у членистоногих повреждения могут возникать в результате дефектов линьки, болезней, хищничества, агрессивного поведения представителей своего же вида и т. д. Исследование природных популяций членистоногих показало, что у 40% определенных видов членистоногих отсутствует по крайней мере один придаток целиком. Следовательно, возмущения могут быть скорее нормой, чем исключением.

Если говорить о летающих насекомых, то для них важнейшим атрибутом являются крылья. С их помощью насекомые могут избежать атаки хищника, быстрее найти партнера или пищу, расширить ареал своего обитания и т. д. Повреждение крыльев напрямую влияет на смертность таких существ, потому они обладают рядом адаптационных механизмов, способных компенсировать травмированные крылья. Насекомые, в отличие от птиц и летучих мышей, не могут восстанавливать повреждения крыльев, потому они столь сильно нуждаются в стратегиях компенсаторного контроля со стороны сопряженных нейронных и механических систем.

Одним из ярких примеров устойчивости к естественным повреждениям крыльев являются мухи. С инженерной точки зрения мухи могут реализовывать контроль над своим полетом при наличии повреждений двумя разными методами: с и без внутренних изменений нервной системы. Оба метода могут работать в сопряжении, но то, как каждый из них реализуется, играет большое значение для целостного понимая концепции адаптации.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые применили теоретическую основу контроля, чтобы показать, как сенсорная обратная связь позволяет мухам компенсировать повреждение крыльев в полете. Чтобы количественно оценить, как повреждение крыла влияет на летные характеристики, ученые количественно оценили моторику мух с неповрежденными и односторонне поврежденными крыльями.

Результаты исследования

Чтобы изучить влияние повреждения крыла на летные характеристики, ученые сначала попытались определить свойства оптомоторного рефлекса рыскания тела у неповрежденных мух посредством визуальных стимулов, направленных на особей, магнитно закрепленных в камере наблюдения (1А).

Изображение №1

Визуальный стимул представлял собой чередующиеся полосы разного цвета (наподобие штрих-кода), на вращающейся вокруг мухи ленте. Частота смены полос увеличивалась логарифмически с 0.1 до 6.5 Гц в течение 20 секунд и демонстрировалась с постоянной амплитудой 15°, представляя пиковые скорости от 9° до 612° в секунду. Данный диапазон скоростей находятся в пределах визуальной полосы пропускания оптомоторного ответа дрозофилы (1B). Проще говоря, мухи были способны визуально фиксировать изменения стимула и реагировать на него.

Этот стимул вызывал оптомоторный ответ на всех частотах, но ответ был прежде всего настроен на низкие частоты (пиковые скорости от 38° до 188° в секунду), представляющие область с самым высоким усилением и когерентностью, а также наименьшую ошибку компенсации (1C-1E). На низких частотах коэффициент усиления с обратной связью был близок к единице, а разность фаз была приблизительно равна нулю, что свидетельствует о высокой эффективности компенсации. Однако по мере увеличения частоты стимула как усиление, так и разность фаз быстро уменьшались, что соответствовало снижению эффективности компенсации.

Выше 4 Гц (пиковая угловая скорость 377 °/с) усиление и когерентность были близки к нулю, а разность фаз становилась чрезвычайно зашумленной. Это позволяет предположить, что мухи почти не реагируют на визуальное движение в этом более высокочастотном диапазоне.

Ниже 0.4 Гц (пиковая угловая скорость 28 °/с) мухи реагировали на каждый шаг отдельных пикселей светодиодной арены. Таким образом, стимул не вызывал плавного движения и в целом имел низкую когерентность, что еще больше указывало на нелинейность (1C). Потому дальнейшие опыты проводились на частотах выше этого порога.

Изображение №2

Далее было проведено изучение того, как одностороннее повреждение крыла может повлиять на работу оптомоторной реакции (хордовый срез левого крыла с диапазоном потери площади от 10 до 40%; 2А).