Ученые из Института поведения животных Макса Планка и их коллеги из MIT и других институтов использовали виртуальную реальность (VR), чтобы изучить, как рыбки данио-рерио координируют движение в стаях. Они нашли простое правило, как рыбы следуют за соседями, которое работает не хуже сложных алгоритмов и подходит для управления роями роботов. Результаты опубликованы в Science Robotics.
Как рыбы плавают в стаях без лидера, избегая столкновений и мгновенно реагируя на изменения? Этот вопрос десятилетиями волновал ученых. Исследователи создали VR-систему, где молодые рыбки данио-рерио (1 см, 24–26 дней) плавали в 3D-мире с «голографическими» сородичами — проекциями реальных рыб из других арен. Это позволило точно управлять визуальными сигналами и изучать, как рыбы координируются. Представьте: будто рыба в видеоигре видит виртуальных соседей и решает, куда плыть, основываясь только на их позициях.
Ключевое открытие, которое сделали ученые, это то, что рыбы используют простой закон, зависящий от положения их соседей, а не их скорости. Это минималистичное правило требует мало «мозговой» работы, но дает отличный результат в синхронности.
«Мы были удивлены тем, как мало информации нужно рыбам для эффективной координации движений в стае», — говорит Иэн Кузин, директор Института поведения животных Макса Планка.
Чтобы проверить правило, ученые провели «водный тест Тьюринга»: реальная рыба плавала с виртуальной, которая то копировала настоящую, то следовала алгоритму. Рыбы не замечали разницы, что подтвердило точность модели.
После этого, этот закон применили к роям роботов — машин, дронов и лодок, задав им следовать за движущейся целью. Алгоритм рыб сравнили с Model Predictive Controller (MPC) — сложным методом для автономных машин. Результаты поразили: «рыбий закон» был почти так же точен и энергоэффективен, но гораздо проще.
«Наша работа показывает, что решения, которые развивались природой на протяжении тысячелетий, могут вдохновлять надежные и эффективные законы управления в инженерных системах», — отметил Лян Ли из Университета Констанца.
Ученые отмечают, что это открытие показывает, что природа создала оптимизированные решения, которые могут упростить технологии. Например, дроны, летающие над городом, или лодки, следящие за экологией, могут использовать рыбий алгоритм, чтобы работать дольше и дешевле.
Тропические рыбы научились пользоваться «наковальней» для добычи пищи