Усы слона, похожие на хобот, демонстрируют материальный интеллект
Новое исследование, проведенное в рамках междисциплинарного сотрудничества немецких учёных под руководством отдела тактильного интеллекта Института интеллектуальных систем им. Макса Планка (MPI-IS), раскрывает секрет невероятной ловкости слоновьего хобота. Тысяча усов, покрывающих хобот слона, обладают необычными свойствами, которые позволяют определить места соприкосновения каждого уса, обеспечивая слонам удивительное чувство осязания, компенсирующее толстую кожу и плохое зрение.
В недавно опубликованной в журнале Science статье под названием « Функциональные градиенты облегчают тактильное восприятие в усах слонов» было обнаружено , что усы слонов и домашних кошек имеют жесткие основания, которые плавно переходят в мягкие, похожие на резину кончики, в отличие от равномерно жестких усов крыс и мышей. Этот переход от жесткого к мягкому, известный как функциональный градиент, позволяет слонам и кошкам легко проходить мимо предметов, предотвращает поломку усов и обеспечивает уникальное кодирование контакта по всей длине усов.
Исследователи считают, что этот необычный градиент жесткости помогает слонам точно определять места контакта вдоль каждого из их 1000 усиков на хоботе, что позволяет им выполнять такие трюки, как поднятие чипса из тортильи, не сломав его, или точное захватывание арахиса. Исследовательская группа планирует разработать новые роботизированные сенсорные технологии, вдохновленные функциональными градиентами, обнаруженными в усиках слонов и кошек.
Исследование проводилось под руководством научного сотрудника, доктора Эндрю К. Шульца, и профессора Кэтрин Дж. Кухенбекер из отдела тактильного интеллекта Института Макса Планка-Иль. Они сотрудничали с нейробиологами из Берлинского университета имени Гумбольдта и материаловедами из Штутгартского университета.
Шульц, ведущий автор исследования и постдокторант Фонда Александра фон Гумбольдта, рассказал о начале проекта: «Я приехал в Германию как эксперт по биомеханике слонов, который хотел изучить робототехнику и сенсорику. Мой наставник, профессор Кухенбекер, является экспертом в области тактильной и сенсорной робототехники, поэтому естественным связующим звеном для нас стала совместная работа над тактильным восприятием через призму слоновьих усов».
Исследование усиков с помощью современных инструментов
Шульц и его коллеги использовали целый ряд биологических, материаловедческих и инженерных методов для получения изображений и характеристики 5-сантиметровых усов слонов и кошек вплоть до масштаба длины в 1 нанометр, что составляет одну миллиардную долю метра.
Междисциплинарная группа исследователей изучила усы слона, чтобы понять их форму (геометрию), пористость и мягкость (жесткость материала). Первоначально они предполагали, что усы слона будут похожи на сужающиеся усы мышей и крыс, которые имеют круглое поперечное сечение, сплошную структуру и приблизительно равномерную жесткость. Микрокомпьютерная томография позволила исследователям измерить трёхмерную форму нескольких усов и показала, что усы слона толстые и лезвиевидные, с уплощенным поперечным сечением, полым основанием и несколькими длинными внутренними каналами, напоминающими структуру овечьих рогов и копыт лошади.
Такая пористая структура уменьшает массу усов и обеспечивает ударопрочность, позволяя слонам съедать сотни килограммов пищи каждый день, не опасаясь повреждения усов, которые никогда не отрастут.
Выявление градиента жесткости
Наноиндентирование усов слона и кошки проводилось с помощью алмазного кубического индентора размером с отдельную клетку, который циклически вдавливался в стенки усов. Индентирование, проведенное у основания и кончика усов слона и кошки, показало переход от жесткого, похожего на пластик основания к мягкому, похожему на резину кончику, который не мог быть постоянно вдавлен, — свойство, известное как упругость. Команда также сравнила эти усы с шерстью тела слона.
Шульц сказал: «Волосы на голове, теле и хвосте азиатских слонов жесткие от основания до кончика, чего мы и ожидали, когда обнаружили удивительный градиент жесткости усиков слоновьего хобота». Хотя это открытие и было захватывающим, поначалу оно поставило команду в тупик, поскольку они не были уверены, как изменение жесткости вдоль усика повлияет на тактильное восприятие.
От 3D-печатной волшебной палочки до проницательности
Чтобы попытаться выяснить причину, Шульц вместе с коллегами из MPI-IS напечатал на 3D-принтере увеличенный ус с жестким темным основанием и мягким прозрачным кончиком. Наличие этого физического прототипа «волшебных палочек» помогло исследователям развить интуитивное понимание того, что чувствует слоновий хобот через свои усы.
После встречи Шульц оставил волшебную палочку своему наставнику, и несколько дней спустя… Эврика! Кухенбекер несла палочку в руке, идя по коридорам Института и осторожно постукивая по колоннам и перилам. Она вспоминала: «Я заметила, что постукивание по перилам разными частями волшебной палочки ощущалось по-разному — мягко и нежно на кончике и резко и сильно у основания. Мне не нужно было смотреть, чтобы понять, где происходит контакт; я просто чувствовала это».
Моделирование выявляет воплощенный интеллект
Чтобы проверить свою гипотезу, основанную на использовании напечатанной на 3D-принтере палочки для имитации усов, исследователи разработали набор инструментов для компьютерного моделирования, позволяющий оценить, как уникальная геометрия, пористость и градиенты жесткости, которые они измерили, влияют на реакцию усов на контакт. Моделирование показало, что переход от жесткого основания к мягкому кончику действительно облегчает ощущение места соприкосновения вдоль усов, позволяя слону адекватно реагировать и осторожно манипулировать даже такими деликатными предметами, как кукурузные чипсы.
Шульц сказал: «Это просто потрясающе! Градиент жесткости создает карту, позволяющую слонам определять места контакта вдоль каждого уса. Это свойство помогает им понимать, насколько близко или далеко их хобот находится от объекта… все это заложено в геометрии, пористости и жесткости уса. Инженеры называют это природное явление воплощенным интеллектом». Интересно, что усы домашних кошек демонстрируют аналогичный градиент жесткости.
Источник вдохновения для робототехники и нейронауки
Это открытие воодушевило Шульца и Кухенбекера, которые работают над применением этих природных явлений в робототехнике и интеллектуальных системах. «Биоинспирированные датчики, обладающие искусственным градиентом жесткости, подобным градиенту жесткости слона, могут предоставлять точную информацию с минимальными вычислительными затратами исключительно за счёт интеллектуального проектирования материалов», — сказал Шульц.
Доктор Лена В. Кауфман, соавтор исследования и эксперт в области нейронауки из Берлинского университета имени Гумбольдта, с энтузиазмом отзывается о связях с нейробиологией. «Наши результаты способствуют пониманию тактильного восприятия этих удивительных животных и открывают захватывающие возможности для дальнейшего изучения связи свойств материала вибрисс и нейронных вычислений».
Кухенбекер, вспоминая весь проект, говорит: «Я очень горжусь тем, чего нам удалось достичь благодаря совместной работе специалистов из разных дисциплин. Эндрю собрал потрясающую команду инженеров, материаловедов и нейробиологов из пяти разных исследовательских групп и возглавил нас в захватывающем трёхлетнем путешествии, чтобы раскрыть секреты нежного осязания могучего слона».
Автор Константин Романов
Контакты, администрация и авторы
