Свой среди чужих

Австрийский этолог Карл фон Фриш всю жизнь наблюдал за пчелами. Вместе с учениками он выяснил, что пчелы-разведчицы умеют с помощью языка танца рассказывать своим сородичам о близлежащих источниках еды. Когда разведчица обследует окрестности вокруг улья и находит там подходящую пищу, например цветы сирени, она собирает с них образцы пахучих веществ и возвращается с этой добычей на базу. Там разведчица выделяет специфические феромоны, привлекающие внимание других пчел, и после этого исполняет перед собравшейся публикой причудливый танец.

Насекомое ползает по поверхности сот и выводит множество переплетенных «восьмерок». Параметры этого танца (его продолжительность, темп, характер виляний брюшком и т.д.) кодируют точное положение источника пищи. Кроме того, разведчица во время своих пируэтов периодически выпускает собранные образцы запахов, и постепенно другие пчелы понимают не только где, но и что именно им следует искать. Выглядит это так:

Эта схема подтверждалась и уточнялась десятками разных исследований, а в 1973-м Фриш даже получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, но для полной уверенности ученым нужны были все-таки не наблюдения, а контролируемый эксперимент, для которого и пригодились биоподобные роботы.

Работа с робопчелами вышла в 1990 году, а ее первыми авторами стали датские ученые из города Оденсе. Искусственные пчелы только отдаленно напоминали настоящих — они были сделаны из латуни и покрыты воском. Российский этолог Жанна Резникова вспоминает, что они были гораздо шире настоящих пчел — выглядели «примерно как борцы сумо среди обычных японцев». Зато роботы-пчелы умели выводить те же самые «восьмерки», но только параметрами их танца можно было управлять с помощью компьютера.

Для эксперимента искусственных насекомых сначала подселяли в улей как минимум на 12 часов, чтобы они пропитались запахов живых пчел. После этого роботы начинали свой танец, в котором было закодировано положение разных источников пищи — контейнеров, размещенных учеными вокруг улья. Также искусственные пчелы периодически выделяли ароматизированный сироп, запах которого подсказывал, какую еду стоит искать. В результате сразу 80% проинструктированных пчел справлялись с заданием и находили контейнеры. Так ученые не только показали, что насекомые могут «прислушиваться» к информации роботов, имитирующих их поведение, но и подтвердили, что пчелы-разведчицы кодируют положение пищи именно с помощью языка танцев.

Повлиять на мнение тараканьего сообщества

Эксперимент датчан сложно интерпретировать однозначно: с одной стороны, пчелы действительно могли принять роботов за своих сородичей, а с другой — могли посчитать их этакими всевидящими и всесильными агентами, указывающими оптимальный путь до еды. Что именно было в реальности, непонятно. В сознание пчел заглянуть невозможно, а роботы никак не меняли свое поведение под действием живых сородичей, и поэтому полноценным общением происходившее между датскими роботами и пчелами назвать сложно.

Гораздо интереснее результаты швейцарских, бельгийских и французских ученых, которые в 2007 году попытались внедрить роботов в сообщество тараканов.

Их агенты тоже не сильно напоминали настоящих насекомых и выглядели как белые коробочки на колесиках, в центре которых красовались вычислительные платы классического зеленого цвета. Зато эти конструкции передвигались со средней скоростью тараканов, были близки к ним по размерам и пахли так же, как их будущие сородичи: для этого экспериментаторы сначала смывали феромоны с тараканов, а потом аккуратно наносили их на конструкции, чтобы поверхностная концентрация пахучих веществ на роботах была такой же, как у живых тараканов.

Кроме того, у роботараканов были сенсоры, с помощью которых они определяли освещенность, чувствовали стены, других роботов и живых тараканов.

По данным работ, на которые ссылаются исследователи, перемещение тараканов в ограниченном пространстве в простейшем виде описывается только двумя правилами. Во-первых, они хаотично бегают и ищут самые темные места, где насекомые остаются тем дольше, чем меньше его освещенность. А во-вторых, вероятность покинуть темноту у тараканов тем меньше, чем больше сородичей вместе с ними скрывается в этом убежище.

Для начала экспериментаторы заложили в своих роботов эти правила и собрали две группы испытуемых: в одной было 16 живых тараканов, а в другой — 12 тараканов и четыре искусственных агента. После того как эти популяции выпускали на арену с двумя одинаковыми укрытиями, они начинали беспорядочно бегать и в конце концов все вместе собирались под одним из укрытий. При этом как естественная популяция, так и популяция с роботами в серии испытаний вели себя абсолютно одинаково — случайным образом выбирали одно из укрытий. То есть роботы никак не меняли поведение всей популяции и умело подстраивались под общественное мнение.

После этого ученые изменили условия: во-первых, они сделали одно укрытие более темным, а во-вторых, перепрошили роботов, так чтобы они предпочитали более светлые убежища.

В результате поведение обеих групп сильно поменялось. Популяция из 16 живых тараканов предпочитала темное укрытие в 73% случаев, а вот популяция с четырьмя роботами останавливалась в темном укрытии только в 39% случаев, а в 61% испытаний предпочитала более светлое убежище. Меньшинство, представляемое искусственными агентами, повело за собой большинство.

Правда, ученые отмечают, что в 39% случаев четко запрограммированые роботы все-таки следовали за своими сородичами, а значит, не только определяли их поведение, как датские пчелы, но и сами находились под влиянием общественного поведения. Поэтому в заключении статьи, вместо ожидаемых слов о практической важности новых методов борьбы с вредителями, исследователи пишут слова совершенно другие: «Сообщества животных могут стать одними из первых биологических систем, где живые агенты кооперируются для решения различных задач с искусственными артефактами».

Разобраться в жизни рыб

Датчане знали о роли танца в жизни пчел, создатели роботов-тараканов отталкивались от работ других авторов, но чаще ученые точно не знают, что именно управляет поведением животных. И здесь исследования с роботами тоже могут быть очень полезны.

К примеру, в одной работе 2016 года исследователи во главе с итальянцем Чезаре Стефанини (Cesare Stefanini) изучали электрических рыб мормир руме (Mormyrus rume) из рода слонорылов. Для этого они сделали робота, который, против обыкновения, внешне был весьма похож на природный прототип. У него были те же размеры и форма, тот же хвост, двигавшийся с характерной для живых раб частотой и амплитудой, и, главное, робот умел испускать электрические сигналы, которые слонорылы используют для общения и ориентации в пространстве.

Всего в эксперименте поучаствовало 44 живые рыбы и один робот. В каждом из испытаний 11 слонорылов выпускали вместе с роботом в вытянутый бассейн, разбитый на три зоны: в первом из них было много тенистых укрытий, затем шло открытое пространство, заканчивающееся перегородкой с отверстием, через которое могла проплыть рыба, и еще дальше, за перегородкой, было также открытое пространство.

12 рыб одновременно выпускали в первую часть бассейна, и после этого роборыба начинала медленно плыть в сторону перегородки, а ученые следили, сколько живых слонорылов последует за ней. В первой части испытаний робот не издавал электрических сигналов и результаты были скромными: в среднем за искусственным сородичем устремлялась всего лишь одна рыба и параметры движения хвоста никак не влияли на это число.

Зато после того, как роботу «включили» электричество, его загадочные призывы увлекали за собой в среднем уже сразу шесть рыб, исходя из чего авторы сделали вывод, что координация движения в косяках слонорылов происходит прежде всего за счет их электрического чувства.

С другими рыбами все может быть иначе. В 2013 году ученые из Политехнического института Нью-Йоркского университета опубликовали исследование золотистых синцов (Notemigonus crysoleucas), где к рыбам опять подсаживали очень похожего на них робота. В каждом испытании здесь участвовали одна рыба и один робот. Их выпускали в бассейн и следили, на какой глубине относительно друг друга они будут плавать.

С точки зрения гидродинамики рыбам в этих испытаниях выгодней всего было находиться на одной глубине с роботами, но это было возможно, только если синцам искусственные чужаки казались если не сородичами, то хотя бы чем-то знакомым и не опасным. В результате оказалось, что больше всего на «спокойствие» живых рыб влияет окраска роботов (они лучше кооперировались с серыми роботами, чем с красными) и характер движения хвоста (синцы доверяли роботам, чей хвост двигался с такой же частотой, что и у них).

Подсмотреть за пингвинами

Иногда ученым нужно даже не поучаствовать в жизни животных, а только понаблюдать за ней, и здесь роботы тоже могут стать полезными помощниками. Например, императорские пингвины, хоть и обладают вполне приличными размерами упитанного первоклассника (их рост около 120 сантиметров, а вес от 22 до 45 килограммов), очень боятся людей. При приближении человека их пульс вырастает иногда на 50 ударов в минуту, а сами пингвины пытаются скрыться подальше, так что наблюдать их поведение в «естественной» среде очень непросто.

Поэтому ученые во главе с Ивоном Ле Мао (Yvon Le Maho) в 2014 году разработали робота-пингвиненка. Выглядел он как радиоуправляемая платформа на четырех колесах, сверху которой была установлена вполне правдоподобная игрушка с серым мехом, черными крыльями и прочими атрибутами пингвина (а также встроенной камерой и микрофоном).

Потом ученые решили проверить, насколько их новация поможет в наблюдении за пугливыми птицами. Они надели устройства для дистанционной регистрации пульса на 34 взрослых пингвинов и стали подпускать к ним робота-пингвиненка. Пугались его, действительно, меньше: если с приближением человека на расстояние около семи метров пульс императорских пингвинов вырастал в среднем на 20 ударов в секунду, то с приближением робота — только на 10. Кроме того, пингвины с приближением робота почти не меняли свое положение и вообще вели себя спокойно и заинтересованно.

Конечно, опрометчиво считать, что пингвины, рыбы или тараканы всерьез приняли искусственных агентов за своих сородичей. Скорей всего, это не так — животные не так наивны, как нам иногда кажется. Но кое-что можно сказать точно: роботы вполне могут взаимодействовать с живыми существами.