Virtuális valóságban tanítják a halak a robotokat
A kutatás a Science Robotics folyóiratban jelent meg, és a németországi Konstanzi Egyetem Kollektív Viselkedés Kiválósági Klaszter és a Max Planck Állatviselkedéstani Intézet (MPI-AB) kutatóinak vezetésével készült, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és az MIT munkatársainak közreműködésével.
A halak mátrixban
A halak a koordinált mozgás mesterei. Bár rajaikban nincs vezető, az egyedek képesek formációban maradni, elkerülni az ütközéseket, és rugalmasan reagálni a környezeti változásokra. E robusztusság és rugalmasság mesterséges reprodukálása régóta kihívást jelent a mérnökök számára. A kutatók most újabb lépést tettek a megoldás felé azzal, hogy szabadon mozgó halakkal végzett kísérleteikhez virtuális valóságot alkalmaztak.
„Munkánk bemutatja, hogy a természet által évmilliók alatt kifejlesztett megoldások inspirálhatják a mérnöki rendszerek robusztus és hatékony irányítási szabályait” – mondja a tanulmány első szerzője, Liang Li, a Konstanzi Egyetem munkatársa. „Felfedezésünk izgalmas lehetőségeket nyit a robotika és az autonóm járművek jövőbeli tervezése előtt” – teszi hozzá a másik társszerző, Nagy Máté, az ELTE kutatója.
A kutatók olyan virtuális valóság rendszert alkalmaztak, amely a természetes rajviselkedést utánozza. Fiatal zebrahalakat helyeztek egyesével összekapcsolt tartályokba, ahol minden hal szabadon kommunikálhatott fajtársainak virtuális leképezéseivel, azaz „avatárjaival“.
Minden virtuális hal egy valódi hal „hologramszerű” vetített másolata volt,
amelyet az állatok úgy érzékeltek, mintha az velük egy térben úszna. Ez a teljesen immerzív 3D környezet lehetővé tette a kutatók számára, hogy szabályozzák a vizuális ingereket, és megfigyeljék, hogyan reagálnak rájuk a halak. A magas szintű kontroll láthatóvá tette, milyen vizuális jelek irányítják a halakat – vagyis mi áll a rajviselkedés működése mögött, hogyan oldják meg a halak a mozgáskoordináció összetett problémáját.
A megoldás egy egyszerű szabály volt, amely kizárólag a szomszédos egyedek észlelt pozíciójára épült – nem pedig azok sebességére. „Minket is meglepett, milyen kevés információ is elég ahhoz, hogy a halak hatékonyan koordinálják mozgásukat a rajban – mondta Iain Couzin, a tanulmány vezető szerzője, az MPI-AB igazgatója, a Kollektív Viselkedés Klaszter egyik vezetője. – Olyan helyi szabályokat alkalmaznak, amelyek kognitívan minimálisak, de funkcionálisan kiválóak.”
A képen a halak mátrixban: a kutatók zebrahalakat helyeztek hálózatba kapcsolt virtuális valóságba, ahol a halak szabadon léphettek interakcióba hologramszerű térbeli virtuális fajtársaikkal. (Kép: Liang Li és Nagy Máté)
A halaktól a gépekig
Annak érdekében, hogy kiderítsék, mennyire életszerű az irányítási szabály, a kutatók valódi halakon is tesztelték azt. Ehhez a VR Turing-tesztet használták, amellyel azt vizsgálják, az emberek képesek-e megkülönböztetni a valódi embert a mesterséges intelligenciától. A speciális Turing-teszt során egy valódi hal együtt úszott egy virtuális hallal, amely időnként a valós hal viselkedését követte, máskor pedig a felfedezett algoritmus vezérelte. A valódi hal nem tudta megkülönböztetni a kettőt – ugyanúgy viselkedett igazi fajtársával, mint az algoritmus által vezérelt virtuális követővel.
A kutatók az általuk felfedezett szabályt robotautók, drónok és hajók rajába is beépítették.
A robotoknak azt a feladatot adták, hogy kövessenek egy mozgó célt
vagy a zebrahalak algoritmusa, vagy az autonóm járművekben elterjedt Model Predictive Controller (MPC) szabályai alapján. A természetes „irányítási törvény” teljesítménye gyakorlatilag minden teszt során megegyezett a mérnökök által fejlesztett MPC-jével pontosság és energiafogyasztás terén – viszont sokkal egyszerűbb működéssel.
Oliver Deussen, a tanulmány társszerzője, a Konstanzi Egyetem informatikaprofesszora, a Kollektív Viselkedés Klaszter másik vezetője így fogalmazott: „Munkánk a robotika és a biológia kölcsönhatására hívja fel a figyelmet – a robotikát használjuk a biológiai mechanizmusok vizsgálatára, azok pedig új, hatékony irányítási stratégiákat inspirálhatnak a robotikában.”
A halak természetes „irányítási törvénye” robotautók, drónok és hajók rajába lett beágyazva. (Kép: Christian Ziegler / Max Planck Állatviselkedéstani Intézet )
A kutatást bemutató kisfilm az alábbi linken (a Konstanzi Egyetem Youtube-csatornáján) érhető el: