Virtuális valóságban tanítják a halak a robotokat

Biológusokból és robotikai mérnökökből álló kutatócsoport olyan virtuálisvalóság-rendszert fejlesztett ki halak számára, amely segít megfejteni, hogyan mozognak együtt rajokban. Felfedezték a természetes „szabályozási törvényt”, amelyet a zebrahalak használnak viselkedésük összehangolására – ez egy olyan viselkedési algoritmus, amely évmilliók alatt alakult ki a hatékony közös mozgás érdekében.

Az ilyen kollektív viselkedés technológiai szempontból is előnyös lehet – például autonóm járművek irányításában –, a kutatók robotautókon, drónokon és vízi járműveken is tesztelték az algoritmus hatékonyságát, és megállapították, hogy a halak által használt kölcsönhatási szabályok ígéretes megoldást jelenthetnek robotflották jövőbeli vezérlésére is.

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 (ELTE) és az Aquincum Institute of Technology (AIT) 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“.

Meglepően kevés információ is elég a halak mozgásának hatékony koordinációjához

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.

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.”