Свой среди чужих

Как роботы уживаются с пчелами, тараканами и рыбами

Изображение: Voronchihina Mariya / Фотодом / Shuttertock
Изображение: Voronchihina Mariya / Фотодом / Shuttertock

Роботов вокруг нас становится больше, и они все сложнее. Футурологи любят предупреждать, что скоро они могут лишить нас работы или стать доминирующей формой жизни на Земле. Пока этого еще не случилось, но мы можем посмотреть, как роботы внедряются в популяции тараканов, пчел и рыб и влияют на их решения.

Австрийский этолог Карл фон Фриш всю жизнь наблюдал за пчелами. Вместе с учениками он выяснил, что пчелы-разведчицы умеют с помощью языка танца рассказывать своим сородичам о близлежащих источниках еды. Когда разведчица обследует окрестности вокруг улья и находит там подходящую пищу, например цветы сирени, она собирает с них образцы пахучих веществ и возвращается с этой добычей на базу. Там разведчица выделяет специфические феромоны, привлекающие внимание других пчел, и после этого исполняет перед собравшейся публикой причудливый танец.

Насекомое ползает по поверхности сот и выводит множество переплетенных «восьмерок». Параметры этого танца (его продолжительность, темп, характер виляний брюшком и т.д.) кодируют точное положение источника пищи. Кроме того, разведчица во время своих пируэтов периодически выпускает собранные образцы запахов, и постепенно другие пчелы понимают не только где, но и что именно им следует искать. Выглядит это так:

Эта схема подтверждалась и уточнялась десятками разных исследований, а в 1973-м Фриш даже получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, но для полной уверенности ученым нужны были все-таки не наблюдения, а контролируемый эксперимент, для которого и пригодились биоподобные роботы.

Работа с робопчелами вышла в 1990 году, а ее первыми авторами стали датские ученые из города Оденсе. Искусственные пчелы только отдаленно напоминали настоящих — они были сделаны из латуни и покрыты воском. Российский этолог Жанна Резникова вспоминает, что они были гораздо шире настоящих пчел — выглядели «примерно как борцы сумо среди обычных японцев». Зато роботы-пчелы умели выводить те же самые «восьмерки», но только параметрами их танца можно было управлять с помощью компьютера.

Для эксперимента искусственных насекомых сначала подселяли в улей как минимум на 12 часов, чтобы они пропитались запахов живых пчел. После этого роботы начинали свой танец, в котором было закодировано положение разных источников пищи — контейнеров, размещенных учеными вокруг улья. Также искусственные пчелы периодически выделяли ароматизированный сироп, запах которого подсказывал, какую еду стоит искать. В результате сразу 80% проинструктированных пчел справлялись с заданием и находили контейнеры. Так ученые не только показали, что насекомые могут «прислушиваться» к информации роботов, имитирующих их поведение, но и подтвердили, что пчелы-разведчицы кодируют положение пищи именно с помощью языка танцев.

Повлиять на мнение тараканьего сообщества

Эксперимент датчан сложно интерпретировать однозначно: с одной стороны, пчелы действительно могли принять роботов за своих сородичей, а с другой — могли посчитать их этакими всевидящими и всесильными агентами, указывающими оптимальный путь до еды. Что именно было в реальности, непонятно. В сознание пчел заглянуть невозможно, а роботы никак не меняли свое поведение под действием живых сородичей, и поэтому полноценным общением происходившее между датскими роботами и пчелами назвать сложно.

Гораздо интереснее результаты швейцарских, бельгийских и французских ученых, которые в 2007 году попытались внедрить роботов в сообщество тараканов.

Их агенты тоже не сильно напоминали настоящих насекомых и выглядели как белые коробочки на колесиках, в центре которых красовались вычислительные платы классического зеленого цвета. Зато эти конструкции передвигались со средней скоростью тараканов, были близки к ним по размерам и пахли так же, как их будущие сородичи: для этого экспериментаторы сначала смывали феромоны с тараканов, а потом аккуратно наносили их на конструкции, чтобы поверхностная концентрация пахучих веществ на роботах была такой же, как у живых тараканов.

Источник: J. Halloy et al., 2007

Кроме того, у роботараканов были сенсоры, с помощью которых они определяли освещенность, чувствовали стены, других роботов и живых тараканов.

По данным работ, на которые ссылаются исследователи, перемещение тараканов в ограниченном пространстве в простейшем виде описывается только двумя правилами. Во-первых, они хаотично бегают и ищут самые темные места, где насекомые остаются тем дольше, чем меньше его освещенность. А во-вторых, вероятность покинуть темноту у тараканов тем меньше, чем больше сородичей вместе с ними скрывается в этом убежище.

Для начала экспериментаторы заложили в своих роботов эти правила и собрали две группы испытуемых: в одной было 16 живых тараканов, а в другой — 12 тараканов и четыре искусственных агента. После того как эти популяции выпускали на арену с двумя одинаковыми укрытиями, они начинали беспорядочно бегать и в конце концов все вместе собирались под одним из укрытий. При этом как естественная популяция, так и популяция с роботами в серии испытаний вели себя абсолютно одинаково — случайным образом выбирали одно из укрытий. То есть роботы никак не меняли поведение всей популяции и умело подстраивались под общественное мнение.

После этого ученые изменили условия: во-первых, они сделали одно укрытие более темным, а во-вторых, перепрошили роботов, так чтобы они предпочитали более светлые убежища.

В результате поведение обеих групп сильно поменялось. Популяция из 16 живых тараканов предпочитала темное укрытие в 73% случаев, а вот популяция с четырьмя роботами останавливалась в темном укрытии только в 39% случаев, а в 61% испытаний предпочитала более светлое убежище. Меньшинство, представляемое искусственными агентами, повело за собой большинство.

Правда, ученые отмечают, что в 39% случаев четко запрограммированые роботы все-таки следовали за своими сородичами, а значит, не только определяли их поведение, как датские пчелы, но и сами находились под влиянием общественного поведения. Поэтому в заключении статьи, вместо ожидаемых слов о практической важности новых методов борьбы с вредителями, исследователи пишут слова совершенно другие: «Сообщества животных могут стать одними из первых биологических систем, где живые агенты кооперируются для решения различных задач с искусственными артефактами».

Разобраться в жизни рыб

Датчане знали о роли танца в жизни пчел, создатели роботов-тараканов отталкивались от работ других авторов, но чаще ученые точно не знают, что именно управляет поведением животных. И здесь исследования с роботами тоже могут быть очень полезны.

К примеру, в одной работе 2016 года исследователи во главе с итальянцем Чезаре Стефанини (Cesare Stefanini) изучали электрических рыб мормир руме (Mormyrus rume) из рода слонорылов. Для этого они сделали робота, который, против обыкновения, внешне был весьма похож на природный прототип. У него были те же размеры и форма, тот же хвост, двигавшийся с характерной для живых раб частотой и амплитудой, и, главное, робот умел испускать электрические сигналы, которые слонорылы используют для общения и ориентации в пространстве.

Всего в эксперименте поучаствовало 44 живые рыбы и один робот. В каждом из испытаний 11 слонорылов выпускали вместе с роботом в вытянутый бассейн, разбитый на три зоны: в первом из них было много тенистых укрытий, затем шло открытое пространство, заканчивающееся перегородкой с отверстием, через которое могла проплыть рыба, и еще дальше, за перегородкой, было также открытое пространство.

12 рыб одновременно выпускали в первую часть бассейна, и после этого роборыба начинала медленно плыть в сторону перегородки, а ученые следили, сколько живых слонорылов последует за ней. В первой части испытаний робот не издавал электрических сигналов и результаты были скромными: в среднем за искусственным сородичем устремлялась всего лишь одна рыба и параметры движения хвоста никак не влияли на это число.

Зато после того, как роботу «включили» электричество, его загадочные призывы увлекали за собой в среднем уже сразу шесть рыб, исходя из чего авторы сделали вывод, что координация движения в косяках слонорылов происходит прежде всего за счет их электрического чувства.

С другими рыбами все может быть иначе. В 2013 году ученые из Политехнического института Нью-Йоркского университета опубликовали исследование золотистых синцов (Notemigonus crysoleucas), где к рыбам опять подсаживали очень похожего на них робота. В каждом испытании здесь участвовали одна рыба и один робот. Их выпускали в бассейн и следили, на какой глубине относительно друг друга они будут плавать.

Золотистый синец (снизу) и робот, имитирующий его движения. Источник: Giovanni Polverino et al., 2013

С точки зрения гидродинамики рыбам в этих испытаниях выгодней всего было находиться на одной глубине с роботами, но это было возможно, только если синцам искусственные чужаки казались если не сородичами, то хотя бы чем-то знакомым и не опасным. В результате оказалось, что больше всего на «спокойствие» живых рыб влияет окраска роботов (они лучше кооперировались с серыми роботами, чем с красными) и характер движения хвоста (синцы доверяли роботам, чей хвост двигался с такой же частотой, что и у них).

Подсмотреть за пингвинами

Иногда ученым нужно даже не поучаствовать в жизни животных, а только понаблюдать за ней, и здесь роботы тоже могут стать полезными помощниками. Например, императорские пингвины, хоть и обладают вполне приличными размерами упитанного первоклассника (их рост около 120 сантиметров, а вес от 22 до 45 килограммов), очень боятся людей. При приближении человека их пульс вырастает иногда на 50 ударов в минуту, а сами пингвины пытаются скрыться подальше, так что наблюдать их поведение в «естественной» среде очень непросто.

Поэтому ученые во главе с Ивоном Ле Мао (Yvon Le Maho) в 2014 году разработали робота-пингвиненка. Выглядел он как радиоуправляемая платформа на четырех колесах, сверху которой была установлена вполне правдоподобная игрушка с серым мехом, черными крыльями и прочими атрибутами пингвина (а также встроенной камерой и микрофоном).

Потом ученые решили проверить, насколько их новация поможет в наблюдении за пугливыми птицами. Они надели устройства для дистанционной регистрации пульса на 34 взрослых пингвинов и стали подпускать к ним робота-пингвиненка. Пугались его, действительно, меньше: если с приближением человека на расстояние около семи метров пульс императорских пингвинов вырастал в среднем на 20 ударов в секунду, то с приближением робота — только на 10. Кроме того, пингвины с приближением робота почти не меняли свое положение и вообще вели себя спокойно и заинтересованно.

Конечно, опрометчиво считать, что пингвины, рыбы или тараканы всерьез приняли искусственных агентов за своих сородичей. Скорей всего, это не так — животные не так наивны, как нам иногда кажется. Но кое-что можно сказать точно: роботы вполне могут взаимодействовать с живыми существами.

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: