Голубь в центре Москвы существо настолько привычное, что его уже не замечают. Зря. Та же птица, которую вы обходите у входа в метро, умеет отличать картины Моне от Пикассо.
В 1995 году японский учёный Сигэру Ватанабэ обучил голубей распознавать стили двух художников с точностью 80–90% — и получил за это Шнобелевскую премию. Птица, которую принято считать символом тупости, прошла тест, с которым справится не каждый студент художественного колледжа.
Но главный фокус голубя — не искусствоведение. Это кивок головой при ходьбе. Вы видели его тысячу раз. Почти наверняка думали, что птица просто «такая». На самом деле за этим движением стоит одна из элегантнейших инженерных задач в биологии — и решение, до которого люди додумались спустя миллионы лет после голубей.
Это не кивок — это оптика
Называть это «киванием» — всё равно что называть парковку манёвром. Технически, конечно, не ошибка, но суть теряется.
На самом деле голубь выполняет двухфазный цикл стабилизации изображения. Сначала — резкий рывок головы вперёд (занимает около 25 миллисекунд). Затем голова замирает неподвижно примерно на 100–150 миллисекунд — так называемая hold-фаза, — пока тело продолжает двигаться и «догоняет» застывшую голову. Потом цикл повторяется. До восьми раз в секунду.
Именно чередование рывка и паузы создаёт иллюзию кивка. Голова при этом не качается туда-обратно, как у болванчика на приборной панели. Она выстреливает вперёд и фиксируется.
Зачем всё это нужно объясняет анатомия. Глаза голубя вмонтированы по бокам головы и в глазницах практически неподвижны.
Голубь буквально не может скосить взгляд, как это делаем мы. Чтобы навести прицел на объект, ему приходится поворачивать всю голову. А когда тело при ходьбе раскачивается и дёргается, стабильная картинка на сетчатке становится невозможной — если не остановить саму голову. Вот для чего нужна пауза.
Мозг обрабатывает детали именно в эти 100–150 миллисекунд неподвижности.
Четыре цвета против трёх
Пока мы кивок разобрали, стоит сказать пару слов о глазах, ради которых всё это затевается.
У человека три типа колбочек в сетчатке — рецепторы красного, зелёного и синего. У голубя четыре: к ним добавляется чувствительность к ультрафиолету. Это тетрахроматическое зрение — птица видит цвета, которых для нас буквально не существует.
Оказывается, так голубь быстрее находит семена - они выделяются в ультрафиолете.
И еще необычный момент - у самцов есть красивые узоры на перьях в ультрафиолете и самки по ним выбирают партнеров.
Представляете, самки выбирают самцов по ультрафиолетовым узорам…
А у нас максимум — «он высокий и вроде не тупой».
Поле зрения у голубя — 340 градусов. Это почти полный круг. Зона бинокулярного зрения впереди — всего 20–30 градусов (у человека около 120), зато боковой обзор перекрывает практически всё вокруг.
Расплата за такой панорамный обзор — слепая зона прямо перед клювом и слабая оценка глубины спереди. Именно поэтому голубь так часто наклоняет голову набок, глядя на что-то: он переключает «основной глаз» для лучшего фокуса.
Острота зрения голубя выше человеческой примерно в два раза — они различают детали на расстоянии 150 метров там, где человек видит размыто.
Голубь вдохновил инженеров
Ту же задачу, что голубь решает кивком, инженеры решают в дронах трёхосевым гимбалом (стабилизатор). Камера на подвесе удерживается неподвижной в пространстве, пока коптер рыскает, кренится и трясётся.
Алгоритм — слияние данных гироскопов и акселерометров через фильтр Калмана — в сущности делает то же, что нейроны шеи голубя: непрерывно считает положение «глаза» и компенсирует движение носителя. Hold-фаза птицы и фаза стабилизации гимбала технически неотличимы по функции.
Фильтр Калмана, гироскопы…
Голубь: «Да я просто башкой дергаю, расслабьтесь».
В робототехнических обзорах стабилизацию головы птиц прямо называют биологической моделью для таких систем. Природа решила эту инженерную задачу примерно 66 миллионов лет назад — примерно тогда, когда от динозавров начали отделяться предки современных птиц. Люди потратили ещё 65,99 миллиона лет, чтобы догадаться до того же.
Следующий раз, когда вы пройдёте мимо голубя на тротуаре, остановитесь на секунду. Перед вами — живой гироскоп с четырёхканальным цветовым зрением, встроенным определителем расстояний и программой стабилизации, которую не нужно обновлять.
Он кивает не потому что нервничает. Он снимает кино со стабилизатором, а вы — нет. Причём бесплатно, без подзарядки и с разрешением 400 тысяч фоторецепторов на квадратный миллиметр. Ходячий биоробот, напичканный крутой оптикой!