วิธีที่นักวิทยาศาสตร์ใช้สัตว์หุ่นยนต์เรียนรู้เกี่ยวกับสัตว์จริง

บอทไบโอมิเมติกสามารถสอนนักวิจัยได้มากมายเกี่ยวกับการที่สิ่งมีชีวิตโต้ตอบกันในโลกธรรมชาติ

ผึ้งเต้นเพื่อชี้นำเพื่อนในรังไปยังแหล่งอาหารใหม่ Guppies เจรจาความเป็นผู้นำกับเพื่อนร่วมโรงเรียน ฝูงนกพิราบประจำบ้านหลบเลี่ยงเมื่อเหยี่ยวโจมตี ตั้งแต่เริ่มต้นของการวิจัยพฤติกรรมสัตว์ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปฏิสัมพันธ์ทางสังคมเช่นนี้ แต่ตอนนี้ ได้มีการค้นคว้าวิจัยในรูปแบบใหม่: ที่นี่ นักแสดงคนหนึ่งไม่ใช่สัตว์จริง แต่เป็นหุ่นยนต์ ภายใต้การควบคุมของนักวิจัย บอทเหล่านี้เข้าสังคมกับสิ่งมีชีวิตที่เป็นเนื้อและเลือดในการทดลองที่นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ เกี่ยวกับความหมายของการเป็นปลาหางนกยูงที่มีความสามารถทางสังคม วิธีที่ผึ้งให้ความรู้เพื่อนในรังและลักษณะอื่นๆ ของชีวิตสังคมของสัตว์

ความคิดไม่แปลกอย่างที่คิด ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหุ่นยนต์และพลังประมวลผลหมายความว่าวิศวกรสามารถสร้างหุ่นยนต์ให้สมจริงได้มากพอที่สัตว์จะตอบสนองต่อพวกมันราวกับว่ามันเป็นของจริง (ความจริงแล้ว “สมจริงพอ” นั้นแตกต่างกันไปตามสัตว์ที่ทำการศึกษา บางครั้งหุ่นยนต์ต้องดูถูก บางครั้งก็ต้องได้กลิ่น และบางครั้งก็ต้องทำแค่ขยับ)

และหุ่นยนต์ก็มีข้อดีอย่างหนึ่งเหนือสัตว์ที่มีชีวิต นั่นคือ พวกมันทำในสิ่งที่นักวิจัยบอกให้ทำ ในลักษณะเดียวกันทุกประการครั้งแล้วครั้งเล่า ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมการทดลองของตนได้ในระดับหนึ่งซึ่งอาจเป็นเรื่องยากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุผลในทางอื่น “ถ้าคุณสามารถสร้างหุ่นยนต์ที่คุณสามารถฝังไว้ในกลุ่มของสัตว์เป็น stooge และพวกเขายอมรับหุ่นยนต์ตัวนั้นเป็นหนึ่งในนั้น คุณก็สามารถทำให้หุ่นยนต์ทำสิ่งต่าง ๆ และดูว่าสัตว์จริงตอบสนองอย่างไร” Dora Biro กล่าว นักวิจัยด้านความรู้ความเข้าใจสัตว์ที่มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ นิวยอร์ก

เมื่อใช้หุ่นยนต์ นักวิจัยสามารถแยกแยะปัจจัยต่างๆ เช่น ขนาดของปลาและประสบการณ์ของปลา ซึ่งเชื่อมโยงกับสัตว์จริงอย่างแยกไม่ออก พวกมันสามารถทำให้สัตว์ได้รับสิ่งเร้าเดิมๆ ซ้ำแล้วซ้ำเล่า เร่งกระบวนการทดลองให้เร็วขึ้น และบางครั้ง พวกมันสามารถทำได้ทั้งหมดโดยไม่ให้สัตว์เสี่ยงจากสัตว์กินเนื้อหรือสิ่งมีชีวิตที่อาจรุกรานได้

ต่อไปนี้คือหุ่นยนต์ที่มีลักษณะคล้ายสัตว์หรือหุ่นยนต์เลียนแบบสัตว์ห้าตัวที่นักวิจัยใช้ในการศึกษาอยู่แล้ว และในกรณีหนึ่งเพื่อควบคุม – ชีวิตทางสังคมของสัตว์ในชีวิตจริง

Robobee อยู่ในรัง

การแสดง “กระดิกหาง” อันโด่งดังของผึ้ง ซึ่งคนงานกลับมาที่รังส่งสัญญาณถึงตำแหน่งของแหล่งอาหารด้วยการวิ่งในรูปแบบเฉพาะใกล้ทางเข้ารังพร้อมทั้งสั่นปีกและลำตัว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วกว่า 60 ปี . แต่นักวิจัยยังไม่ทราบแน่ชัดว่าผึ้งรังผึ้งถอดรหัสข้อความอย่างไร “สัญญาณอะไรนี่? อะไรคือองค์ประกอบของการเต้นที่นำข้อมูลมาจริง และสิ่งใดที่เป็นเพียงผลพลอยได้?” Tim Landgraf นักวิทยาการหุ่นยนต์จาก Free University of Berlin กล่าว เขาคิดว่านี่เป็นงานของ Robobee

Landgraf สร้างแบบจำลองผึ้งขนาดเท่าของจริง ซึ่งเป็นเพียงหยดพลาสติกรูปผึ้งที่คลุมเครือและมีปีกข้างเดียว และติดเข้ากับระบบขับเคลื่อนแบบกลไกที่ทำให้เขาสามารถปรับเปลี่ยนตำแหน่งและลักษณะการเคลื่อนที่และการสั่นสะเทือนของแบบจำลองได้ หลังจากใส่ผึ้งเข้าไปในรัง Landgraf พบว่าเขาสามารถนำผึ้งจริงไปยังแหล่งอาหารได้ แม้แต่ผึ้งที่พวกมันไม่เคยใช้มาก่อนก็เป็นข้อพิสูจน์หลักการที่มั่นคง

แต่ความสำเร็จของ Robobee ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างน่าเชื่อถือ “บางครั้งผึ้งก็จะตามมาภายในไม่กี่วินาที” Landgraf กล่าว “แต่บางครั้งอาจต้องใช้เวลาหลายวัน และเราก็บอกไม่ได้ว่าทำไม” นั่นทำให้เขาตระหนักว่าการสื่อสารการเต้นยังมีอีกแง่มุมหนึ่งที่เขาไม่เคยคิดมาก่อน นั่นคือ ผึ้งตัดสินใจว่าจะติดตามนักเต้นคนไหน และเมื่อใด เป็นไปได้ไหมที่ผึ้งจะตามล่าค้นหาข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งอาหาร เขาสงสัย หรือนักเต้นต้องชักชวนให้พวกมันฟังหรือไม่? มีเพียงพนักงานบางคนเท่านั้นที่เปิดรับสัญญาณใด ๆ อันเป็นผลมาจากประสบการณ์ก่อนหน้านี้หรือไม่?

เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ Landgraf และทีมของเขากำลังพัฒนา Robobee ที่ได้รับการอัพเกรดโดยมีกลิ่นที่สมจริงยิ่งขึ้นและกลไกการสั่นของปีกที่เชื่อถือได้มากขึ้นเพื่อไปอยู่ในรังที่เต็มไปด้วยผึ้งที่มีเครื่องหมายแต่ละตัวซึ่งมีประสบการณ์ที่สามารถติดตามได้ หลังจากความล่าช้าที่เกี่ยวข้องกับโควิดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในที่สุดพวกเขาก็ได้เริ่มทดสอบระบบแล้ว แต่เขายังไม่พร้อมที่จะพูดถึงผลลัพธ์ อย่างไรก็ตาม เขากล่าวว่า “ผมคิดว่ามีโอกาสดีที่จะพบบางสิ่งบางอย่าง”

หุ่นยนต์เหยี่ยวล่าสัตว์

เมื่อนกเหยี่ยวจู่โจม ฝูงนกพิราบจะตอบสนองอย่างไร? ทฤษฎีคลาสสิก – มักเรียกว่าสมมติฐาน “ฝูงเห็นแก่ตัว” – สันนิษฐานว่านกพิราบทุกตัวพยายามเข้าไปกลางฝูงเพื่อที่ผู้ล่าจะได้นกตัวอื่นที่โชคร้าย แต่แนวคิดนั้นไม่ง่ายที่จะทดสอบ การจู่โจมของเหยี่ยวแต่ละครั้งต่างกัน: บางตัวเริ่มสูงกว่าตัวอื่นเล็กน้อย หรือจากมุมที่ต่างกัน และความแปรปรวนทั้งหมดนี้อาจส่งผลต่อการตอบสนองของนกพิราบ ดังนั้น Daniel Sankey นักนิเวศวิทยาด้านพฤติกรรมที่มหาวิทยาลัย Exeter ในสหราชอาณาจักรจึงหันมาใช้หุ่นยนต์

“เราคิดว่าวิธีนี้เป็นวิธีที่ควบคุมได้มากในการศึกษานี้” Sankey กล่าว “คุณสามารถแน่ใจได้ว่านกเหยี่ยวนั้นอยู่ข้างหลัง 20 เมตรเสมอเมื่อนกพิราบถูกปล่อย ซึ่งทำให้มันสามารถทำซ้ำได้” นอกจากนี้เขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่าหุ่นยนต์นั้นปลอดภัยกว่าสำหรับนกพิราบ “ฉันรู้ว่าเหยี่ยวฝึกหัดในอดีตได้กำจัดฝูงนกพิราบไปโดยสมบูรณ์แล้ว”

ด้วยความช่วยเหลือจากหุ่นยนต์เหยี่ยวของผู้ที่ชื่นชอบเหยี่ยวนกเขา ซึ่งมีรูปร่างเหมือนจริง ยกเว้นใบพัดที่ขับเคลื่อนมัน Sankey โจมตีฝูงนกพิราบกลับบ้านซ้ำแล้วซ้ำเล่า ในขณะที่ติดตามตำแหน่งของนกแต่ละตัวด้วย GPS ตรงกันข้ามกับสมมติฐานของฝูงที่เห็นแก่ตัว นกพิราบไม่น่าจะย้ายไปอยู่ตรงกลางฝูงเมื่อถูกโจมตีมากกว่าตอนที่ไม่ได้รับอันตราย เขาพบว่า

แทนที่จะเป็นเช่นนั้น การวิเคราะห์ของ Sankey พบว่านกพิราบส่วนใหญ่พยายามบินไปในทิศทางเดียวกับเพื่อนร่วมฝูงของพวกมัน เพื่อให้ฝูงแกะหลบไปพร้อม ๆ กัน ปล่อยให้ผู้ล่าไม่ต้องพลัดพรากจากกัน “สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออยู่รวมกันเป็นฝูง คุณจะสามารถหลบหนีจากนักล่าไปเป็นกลุ่มได้ ดังนั้นจึงไม่มีใครถูกกิน” เขากล่าว แม้ว่าจะไม่ใช่ข้อพิสูจน์ที่แน่ชัด แต่สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าฝูงนกพิราบอาจให้ความร่วมมือ ไม่ใช่เห็นแก่ตัว

Robofish ในโรงเรียน

ปลาตัวไหนในโรงเรียนที่มีแนวโน้มจะเป็นหัวหน้ากลุ่มมากที่สุด? การศึกษาส่วนใหญ่ชี้ว่าปลาที่ใหญ่กว่ามักจะมีอิทธิพลมากที่สุดในบริเวณที่โรงเรียนว่าย แต่มีปัญหาคือ ปลาตัวใหญ่ก็แก่กว่าและมีประสบการณ์มากกว่า และสามารถทำหน้าที่ต่างจากเพื่อนร่วมชั้นเรียนที่ตัวเล็กกว่า ข้อใดต่อไปนี้มีผลกระทบมากที่สุดต่อผู้ที่เป็นผู้นำ เป็นการยากที่จะทดสอบกับปลาจริง “เจ้าจะทำให้ปลาใหญ่มีพฤติกรรมเหมือนปลาเล็กได้อย่างไร? สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่คุณสามารถทดสอบได้ด้วยหุ่นยนต์เท่านั้น” Jens Krause นักพฤติกรรมสัตว์จากมหาวิทยาลัย Humboldt แห่งเบอร์ลิน ซึ่งเป็นผู้เขียนร่วมเกี่ยวกับภาพรวมของหุ่นยนต์ในการวิจัยเชิงพฤติกรรม ในการ ทบทวนการควบคุม วิทยาการหุ่นยนต์ และระบบควบคุมอัตโนมัติประจำปี 2021 กล่าว

ดังนั้น Krause และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงได้พัฒนา Robofish ซึ่งเป็นแบบจำลอง 3 มิติของปลาหางนกยูงที่ติดตั้งอยู่บนแท่นแม่เหล็กและขับเคลื่อนด้วยหน่วยมอเตอร์ใต้ถัง กล้องวิดีโอสองตัวที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ทำให้ Robofish ตอบสนองต่อการเคลื่อนไหวของเพื่อนร่วมชั้นในแบบเรียลไทม์

ตราบใดที่ตัวแบบมีตาและรูปแบบสีที่เหมือนจริงที่คลุมเครือ พวกเขาพบว่าปลาหางนกยูงมีพฤติกรรมต่อแบบจำลองมากเท่ากับที่พวกมันทำกับปลาอื่นๆ สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถเปลี่ยน Robofish เวอร์ชันที่ใหญ่ขึ้นหรือเล็กลงได้ ในขณะที่ยังคงรักษาลักษณะการทำงานอื่นๆ ให้เหมือนกันทุกประการ เพื่อศึกษาผลกระทบของขนาดเพียงอย่างเดียว พบว่าปลาหางนกยูงจริงมีแนวโน้มที่จะติดตามผู้นำ Robofish ที่ใหญ่กว่า ทีมงานยังได้ใช้ Robofish เพื่อศึกษาว่าความเร็วในการว่ายน้ำของแต่ละบุคคลส่งผลต่อพฤติกรรมของโรงเรียนอย่างไร

และทีมของ Krause ได้เรียนรู้สิ่งที่น่าประหลาดใจอีกอย่างหนึ่งเกี่ยวกับการเป็นผู้นำแบบคาวๆ: ความสุภาพช่วยได้ โปรแกรมควบคุม Robofish เวอร์ชันแรกๆ ทำให้หุ่นยนต์เข้าใกล้เพื่อนร่วมโรงเรียนมากเกินไป ทำให้ปลาจริงถอยห่าง “เรามีหุ่นยนต์บางตัวที่ลงเอยด้วยการไล่ตามปลา” Krause เล่า หลังจากที่ทีมปรับแต่งหุ่นยนต์เพื่อให้เคารพพื้นที่ของเพื่อนร่วมชั้นแล้ว Robofish ตัวใหม่ที่ “มีความสามารถทางสังคม” ได้พิสูจน์แล้วว่าสามารถดึงดูดผู้ติดตามได้ดีกว่ามาก 

หุ่นยนต์ปลวกในฝูง

การศึกษาก่อนหน้านี้ใช้หุ่นยนต์เพื่อแทรกซึมกลุ่มสัตว์จริงและกระตุ้นการตอบสนอง แต่มีอีกวิธีหนึ่งในการใช้หุ่นยนต์เพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของสัตว์: ตั้งโปรแกรมกลุ่มหุ่นยนต์ให้ปฏิบัติตามกฎที่คุณคิดว่าสัตว์จริงกำลังปฏิบัติตาม และดูว่าผลลัพธ์ที่ได้จะเลียนแบบการกระทำของสัตว์หรือไม่

นั่นคือแนวทางที่ตามมาด้วยจัสติน แวร์เฟล นักวิจัยพฤติกรรมกลุ่มที่ฮาร์วาร์ด แวร์เฟลต้องการทำความเข้าใจว่าปลวกสร้างกองที่ซับซ้อนเช่นนี้ได้อย่างไร โดยสังเกตได้จากปล่องปล่องไฟที่เรียงเป็นแถวตรงทางเข้า เขามุ่งเน้นไปที่ขั้นตอนเดียวในกระบวนการ: วิธีการที่ปลวกขนดินที่ขุดขึ้นมาจากเนินดินเลือกที่ที่จะทิ้งมัน การตัดสินใจง่ายๆ นี้กำหนดรูปร่างที่ซับซ้อนของทางเข้าเนิน

แวร์เฟลและเพื่อนร่วมงานของเขามีหลักฐานบางอย่างที่บ่งชี้ว่าปลวกอาจทิ้งสิ่งสกปรกไว้ที่จุดที่ความชื้นภายในของเนินดินสูงทำให้เกิดอากาศแห้งบนพื้นผิว ซึ่งเป็นเครื่องหมายที่ดีสำหรับเขตบ้านของพวกมัน แต่พวกเขาไม่รู้ว่าพฤติกรรมการทิ้งสิ่งสกปรกของปลวกขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ ด้วยหรือไม่

ดังนั้นพวกเขาจึงสร้างฝูงปลวกหุ่นยนต์ เนื่องจากหุ่นยนต์ไม่จำเป็นต้องมีปฏิสัมพันธ์กับแมลงจริงๆ พวกมันจึงไม่จำเป็นต้องดูเหมือนจริง หุ่นยนต์เหล่านี้เป็นเกวียนขนาดเท่าอิฐที่สามารถบรรทุกและวางบล็อคสีลงบนพื้นผิวเรียบได้ “ปลวก” แต่ละตัวมีเซ็นเซอร์วัดความชื้นและถูกตั้งโปรแกรมให้ถือบล็อกเมื่อมีความชื้นสูงและปล่อยปลวกเมื่อความชื้นลดลง ในขณะเดียวกัน ท่อหนูแฮมสเตอร์จะเลี้ยงน้ำในขณะที่ “ปลวก” แต่ละตัวเคลื่อนที่ เพื่อให้แน่ใจว่าความชื้นจะสูงขึ้นในพื้นที่ที่ถูกครอบครอง

“เรารู้ว่าหุ่นยนต์สนใจแต่ความชื้นเท่านั้น เพราะนั่นคือสิ่งที่เราบอกให้ทำ” แวร์เฟลกล่าว และนั่นก็เพียงพอแล้ว: ฝูงหุ่นยนต์จบลงด้วยการทิ้งบล็อกลงใน ทางเข้ากองปลวก จริงแบบสองมิติ หุ่นยนต์ปิดช่องเปิดในวันที่อากาศแจ่มใสเหมือนกับปลวกจริงๆ การทดลองไม่ได้พิสูจน์ว่าจริง ๆ แล้วปลวกใช้กฎความชื้นเพื่อสร้างกองของพวกมัน แต่กฎดังกล่าวก็เพียงพอแล้วที่จะทำงานให้สำเร็จ

ปลาสยองกำลังซุ่มอยู่

หุ่นยนต์ไบโอมิเมติกไม่เพียงแต่เปิดเผยพฤติกรรมของสัตว์เท่านั้น ในไม่ช้าพวกมันอาจถูกใช้เพื่อจัดการกับมันในทางที่เป็นประโยชน์

ปลายุงมีถิ่นกำเนิดในตอนใต้ของสหรัฐอเมริกา กลายเป็นหนึ่งใน 100 สายพันธุ์ที่รุกรานทั่วโลก Giovanni Polverino นักนิเวศวิทยาเชิงพฤติกรรมที่มหาวิทยาลัยเวสเทิร์นออสเตรเลีย ตัดสินใจลองใช้การควบคุมหุ่นยนต์ชีวภาพรูปแบบที่ผิดปกติ

Polverino และเพื่อนร่วมงานของเขาสร้างปลาหุ่นยนต์ที่ออกแบบมาให้ดูเหมือนปลากะพงขาว ซึ่งเป็นนักล่าที่สำคัญของปลายุงในแหล่งน้ำพื้นเมืองของพวกมัน โดยตั้งโปรแกรมให้หุ่นยนต์ว่ายเข้าหาปลายุงอย่างดุเดือด พวกเขาหวังว่าจะคุกคามสายพันธุ์ที่รุกรานโดยปล่อยให้สายพันธุ์พื้นเมืองของออสเตรเลียไม่ได้รับผลกระทบ ( สัตว์ป่าหลายชนิดแสดงผลของความกลัวอย่างถาวร )

และนั่นคือสิ่งที่พวกเขาเห็น: หุ่นยนต์นักล่าเพียง 15 นาทีต่อสัปดาห์ทำให้ปลายุงลดไขมันในร่างกายและจัดสรรพลังงานมากขึ้นเพื่อหนีและสืบพันธุ์น้อยลง Polverino กล่าวว่า “ผลกระทบต่อปลายุงมีมาก และสายพันธุ์อื่นๆ ก็ไม่กลัวเลย เพราะเราเลียนแบบสัตว์นักล่าที่ออสเตรเลียไม่มีอยู่จริง”

Polverino มีงานอีกมากที่ต้องทำก่อนที่เขาจะสามารถปรับใช้นักล่าเทียมของเขาในโลกแห่งความเป็นจริงได้ “หุ่นยนต์ของเราทำงานได้ดีในห้องปฏิบัติการ” เขากล่าว “แต่มีคอมพิวเตอร์อยู่ใกล้ ๆ มีเว็บแคมอยู่เหนือถังน้ำมันและแบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานสั้น”

ถึงกระนั้น ขณะนี้เขากำลังหารือกับอุทยานแห่งชาติแห่งหนึ่งในรัฐควีนส์แลนด์ ซึ่งมีปลาใกล้สูญพันธุ์ 2 สายพันธุ์อาศัยอยู่ในแอ่งน้ำขนาดเล็กและใสสะอาดที่เพิ่งตกเป็นอาณานิคมของปลายุง เนื่องจากสระว่ายน้ำมีขนาดเล็กมาก พวกเขาจึงอาจให้การทดสอบครั้งแรกในป่าได้ดี “ตอนนี้ยังไม่พร้อม” Polverino กล่าว “แต่มีความเป็นไปได้ที่ชัดเจน”

แน่นอนว่าหลายๆ อย่างอาจผิดพลาดได้ เมื่อนักวิจัยพยายามหลอกล่อหุ่นยนต์ให้อยู่ในกลุ่มสังคมสัตว์ และบางครั้ง ความล้มเหลวก็เนื่องมาจากเหตุผลที่น่าเบื่อหน่าย ตัวอย่างเช่น เมื่อ Biro พยายามสร้างนกพิราบหุ่นยนต์เพื่อศึกษาการตัดสินใจร่วมกันโดยกลุ่มนกพิราบกลับบ้าน หุ่นยนต์ดังกล่าวได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่สามารถบินได้เร็วพอที่จะตามฝูงแกะจริง ถึงกระนั้น โอกาสในการทดสอบพฤติกรรมสัตว์ในรูปแบบใหม่ก็เพียงพอแล้วที่เธอหวังว่าจะลองอีกครั้งในสักวันหนึ่ง “ถ้าเราทำทุกอย่างได้เท่านี้ ก็มีสิ่งที่น่าสนใจมากมายให้ทำ” เธอกล่าว “มันอยู่ในรายการสิ่งที่ฉันหวังว่าจะทำ”

หน้าแรก