Ved at undersøge, hvordan frugtfluer bruger øjenbevægelser til at forbedre flyvekontrol med en svimlende hurtig reaktionshastighed - omkring 30 gange hurtigere end et øjenblink - har Penn State-forskere detaljeret udarbejdet en ramme til at efterligne denne evne i robotteknologi.
Forskerne beskrev frugtfluernes bevægelser bundet i en virtual reality-flysimulator konstrueret med LED-lys og optaget ved hjælp af højhastighedskameraer, i et papir offentliggjort i dag (31. august) i Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Hvis du er i stand til at studere fluer, der gør det, de er bedst til - at flyve - kan du finde nogle utrolige tekniske løsninger, der allerede findes inden for biologi," sagde Benjamin Cellini, en doktorand, der studerer maskinteknik og førsteforfatter til papiret.
Cellini og hans rådgiver, Jean-Michel Mongeau, assisterende professor i maskinteknik og direktøren for Bio-Motion Systems Lab, var i stand til at bestemme, hvordan frugtfluer bruger øjenbevægelser til hurtigt at koordinere deres vinger som svar på, hvad de så. Da flueøjne er fikseret til hovedet, sporede forskerne hovedbevægelser for at udlede, hvor fluerne kiggede.
Stabiliserende blik er et almindeligt fænomen, som de fleste levende ting kan gøre. For eksempel bevæger vi problemfrit vores øjne, hoved og/eller krop for at scanne et rum.
"Men det er et udfordrende, komplekst problem at forstå, hvordan er vi og andre dyr i stand til at gøre det så godt?" sagde Mongeau."Mit laboratorium er interesseret i aktiv sansning, som er en gren af ingeniørvidenskab og biologi, der studerer, hvordan sensorbevægelser, ligesom øjne, der scanner et rum, kan forbedre sansningen i sig selv."
Mens meget af den tidligere forskning på dette område har fokuseret på vingebevægelser, kunne forståelsen af, hvordan dyr som fluer bruger aktive øjenbevægelser til at kontrollere flyvningen i høj grad forbedre robotteknologien. I øjeblikket har de fleste robotter stationære sensorer, som holder sansning og bevægelse afkoblet. Men ved bedre at efterligne øjnene og hjernen gennem koordineringen af visuelle sensorer, der er i stand til at bevæge sig på kroppen, kunne robotternes flyvekontrol forbedres væsentligt.
Til støtte for denne teori fastslog forskerne, at frugtfluens øjne var i stand til at reagere fire gange hurtigere end dyrets krop eller vinger. Disse reaktioner var også tæt koblet, hvilket viser, at fluer er stærkt afhængige af øjenbevægelser for at koordinere deres vingebevægelser.
"Vi har vist, at deres øjne kan kontrollere og stabilisere deres syn bedre, end vi oprindeligt troede, ved at reducere bevægelsessløring," sagde Cellini."Ligesom i sport, lærer de baseballspillere at følge bolden med øjnene for at reducere sløring og øge slagydelsen."
Desuden fandt de ud af, at når fluerne omhyggeligt fik limet på deres hoveder og derefter blev optaget i virtual reality-flysimulatoren, havde begrænsningen af deres hovedbevægelser en dramatisk indflydelse på flyveydelsen.
"Et vigtigt princip, vi opdagede her, var, at flyveøjne bremser den visuelle bevægelse, der går ind i hjernen, og denne proces forbedrer deres flyveadfærd," sagde Mongeau.
Demonstreret i dette arbejde, mener forskerne, at frigørelse af den biologiske verdens hemmeligheder kan have vidtrækkende konsekvenser for teknologien.
"I teknik bliver du lært at anvende principper fra matematik og fysik til at løse problemer," sagde Cellini. "Hvis du vil bygge en robot til at flyve på Mars, kan du bruge ingeniørkoncepter til at levere potentielle løsninger. Men vi behøver ikke altid at udvikle ideer fra bunden; vi kan også søge inspiration i naturen."
Et tilskud fra Air Force Office of Scientific Research støttede denne forskning.
