Новая технология отслеживания раскрывает скрытую жизнь пустынных муравьев в поисках пищи.
Новаторская технология отслеживания, которая открыла новое понимание того, как пустынные муравьи ориентируются в своих сложных мирах, может вдохновить на создание следующего поколения умных и эффективных роботов.
В рамках международного исследовательского сотрудничества с участием Университета Шеффилда была разработана новая технология отслеживания, которая использует компьютерное зрение — область компьютерных наук, которая программирует компьютеры для интерпретации и понимания изображений и видео — для отслеживания отдельных пустынных муравьев на протяжении всей их жизни в поисках пищи. Инструмент документирует путешествие муравья с момента, когда он впервые покидает свое гнездо, до момента, когда он находит место для еды и возвращается в свою колонию.
Их новый набор данных показал, что муравьи невероятно быстро учатся — запоминают свой путь домой после всего лишь одного успешного путешествия. Но что интересно, их внешние маршруты менялись со временем, что указывало на разные стратегии разведки и эксплуатации. Высокоточные данные также выявили скрытое колебательное движение, невидимое человеческому глазу, что может объяснить, как муравьи генерируют сложные схемы поиска, подходящие для текущих условий.
Поскольку новое программное обеспечение работает со всеми типами животных и использует видео, снятое с помощью стандартных камер, оно уже используется многочисленными международными исследовательскими группами и идеально подходит для гражданских научных проектов. Собранные высокоточные данные имеют решающее значение для понимания того, как мозг может направлять животных в их сложном мире, что может вдохновить на создание нового поколения биороботов.
Новая технология и набор данных, созданные доктором Майклом Манганом, старшим преподавателем машинного обучения и робототехники на факультете компьютерных наук Университета, совместно с Ларсом Хаалком и Бенджамином Риссом из Мюнстерского университета, Антуаном Вистрахом и Лео Клементом из Центра интегративных технологий. Биология Тулузы и Барабары Уэбб из Эдинбургского университета — демонстрируется в новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.
В исследовании описывается, как CATER (комбинированное отслеживание животных и реконструкция окружающей среды) использует искусственный интеллект и компьютерное зрение для отслеживания положения насекомого на видео, снятом с помощью стандартных камер. Система может обнаруживать даже крошечные объекты, которые трудно увидеть невооруженным глазом, и устойчива к фоновым помехам, препятствиям и теням, что позволяет ей работать в естественной среде обитания животного, где другие системы не работают.
Доктор Майкл Манган, старший преподаватель машинного обучения и робототехники в Университете Шеффилда, сказал: «Мы собрали эти данные во время летней производственной поездки, но потребовалось 10 лет, чтобы создать систему, способную извлекать данные, чтобы вы могли сказать, что это было десятилетие в процессе становления.
«Меня всегда восхищало то, как эти насекомые могут преодолевать большие расстояния — до 1 км — в таких неприступных ландшафтах, где температура превышает 50 градусов по Цельсию.
«До сих пор пустынных муравьев отслеживали вручную с помощью ручки и бумаги, что включало создание сетки на земле с помощью веревки и кольев и отслеживание их поведения в сетке. Другой метод, используемый для обхода этого, — использование дифференциального глобального Система позиционирования (GPS) — но оборудование дорогое и неточное.
«Отсутствие недорогого и надежного способа определения точных маршрутов насекомых в полевых условиях привело к пробелам в наших знаниях о поведении пустынных муравьев. В частности, о том, как они изучают визуальные маршруты, как быстро они это делают и какие стратегии они используют. это может упростить задачу».
Новый метод визуального отслеживания CATER решает эти проблемы, захватывая кадры с высоким разрешением муравьев в их естественной среде и используя технологию обработки изображений для идентификации отдельных муравьев только на основе движения. Затем используется новая техника мозаичного изображения для реконструкции или сшивания ландшафта из изображений с высоким разрешением. Этот новый подход устраняет разрыв между полевыми и лабораторными исследованиями, обеспечивая уникальное понимание навигационного поведения муравьев. Такие данные будут иметь решающее значение для понимания того, как животные с мозгом меньше булавочной головки так эффективно ориентируются в сложной среде.
Такие идеи уже превращаются в коммерческие продукты новаторской дочерней компанией Университета Шеффилда Opteran, которая реконструирует мозг насекомых для обеспечения очень надежной автономности с использованием недорогих датчиков и вычислений.
Доктор Манган сказал: «Пустынные муравьи являются идеальным источником вдохновения для роботов следующего поколения — они перемещаются на большие расстояния в суровых условиях и не полагаются на следы феромонов, как другие муравьи, или на GPS и 5G, как современные роботы.
«Мы надеемся, что наш инструмент позволит нам построить более полную картину того, как насекомые учатся пилотировать в своей среде обитания, принеся новые научные знания и информируя инженеров о том, как они могут создавать искусственные системы с аналогичными возможностями».
