Тараканы приняли роботов в свой коллектив с правом решающего голоса

Так проводился эксперимент. Тараканов (Periplaneta americana) вместе с роботами сажали в освещенный тазик с двумя пластиковыми «укрытиями», которые могли давать больше или меньше тени в зависимости от числа слоев красной пленки. Тараканы и роботы в конечном итоге собирались все вместе под одним из полупрозрачных кружков. Фото из обсуждаемой статьи в Science
Так проводился эксперимент. Тараканов (Periplaneta americana) вместе с роботами сажали в освещенный тазик с двумя пластиковыми «укрытиями», которые могли давать больше или меньше тени в зависимости от числа слоев красной пленки. Тараканы и роботы в конечном итоге собирались все вместе под одним из полупрозрачных кружков. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Ученые из Швейцарии, Бельгии и Франции изготовили маленьких роботов-тараканов, способных «общаться» с живыми тараканами и влиять на их поведение. Роботы пахнут по-тараканьи и адекватно реагируют на поведение своих живых товарищей. Если запрограммировать роботов на выбор худшего из двух укрытий, то группа, состоящая из 12 тараканов и 4 роботов, в итоге может вся целиком оказаться в плохом укрытии, хотя без роботов тараканы почти всегда выбирают хорошее.

Общественный образ жизни и сложное социальное поведение характерны для огромного множества живых существ — от бактерий до человека включительно. Одной из высших форм социального поведения считается коллективное принятие решений (например, когда весь коллектив должен выбрать один из двух взаимоисключающих вариантов поведения). Такая форма коллективной самоорганизации особенно распространена у членистоногих (в первую очередь, у общественных насекомых) и позвоночных.

В настоящее время специалисты по робототехнике активно используют сведения, полученные биологами при изучении поведения общественных животных, в разработке многокомпонентных самоорганизующихся систем — «коллективов» слаженно функционирующих роботов. Для самоорганизации необходимо, чтобы животные (или роботы) при принятии решения учитывали наряду с другой поступающей извне информацией также и данные о поведении товарищей.

Весьма интересным направлением исследований является создание роботов, способных «входить в доверие» к животным, внедряться в их коллективы и влиять на их поведение. Широкую известность приобрели эксперименты с роботами-пчелами, которые внесли огромный вклад в расшифровку языка пчелиных танцев (см. об этих исследованиях в статье Ж. И. Резниковой «Язык животных: подходы, результаты, перспективы...»). Впрочем, искусственные пчелы в этих экспериментах не были полноправными членами пчелиного коллектива. Они могли передавать информацию живым пчелам, но сами не реагировали на их поведение (действия робота полностью программировались человеком).

Искусственные тараканы, созданные большой группой европейских ученых — этологов и робототехников, — хотя внешне и не очень похожи на свой шестиногий прототип, в плане поведения представляют собой намного более точную имитацию живого насекомого.

Роботы имеют такую же длину тела, что и тараканы, и двигаются с такой же скоростью. Они отличают убежище (см. рисунок) от открытого освещенного пространства и способны оценить степень затененности. Кроме того, они чувствуют близость других тараканов и роботов, и это влияет на их поведение.

Алгоритм поведения тараканов в экспериментальной установке довольно прост. Сначала они хаотически бегают по всему тазику — исследуют обстановку. На этом этапе поведение их не является коллективным, оно не зависит от действий других насекомых, если не считать того, что тараканы все-таки чуют друг друга и избегают лобовых столкновений. Найдя одно из двух укрытий, таракан прячется там и какое-то время отдыхает, причем продолжительность отдыха зависит от двух параметров:

    1) от затененности, то есть от «качества» убежища (тараканы предпочитают отдыхать там, где потемнее);

    2) от присутствия товарищей: чем больше в убежище других тараканов, тем меньше вероятность, что в следующий момент времени данный таракан сорвется с места и помчится на поиски лучшей доли. Таким образом, чем больше в убежище тараканов, тем привлекательнее оно для их товарищей.

Этих простых правил оказывается вполне достаточно для того, чтобы в системе произошла самоорганизация, которая в данном случае заключается в том, что все тараканы в конце концов оказываются в одном убежище.

Роботов запрограммировали на точно такое же поведение. Сначала они рыщут по тазику в поисках убежища, стараясь не врезаться в других тараканов и роботов. Найдя убежище, они прячутся там, причем время «отдыха» зависит от тех же факторов, что и у живых тараканов, то есть от затененности и от количества товарищей. Правда, в отличие от живых тараканов, которые всегда предпочитают густую тень, роботов можно запрограммировать на предпочтение менее затененного убежища.

Чтобы тараканы приняли роботов за своих, форма тела не важна, но огромное значение имеет запах. В ходе предварительных экспериментов исследователи выяснили, какие именно вещества составляют основу той запаховой «визитной карточки», по которой тараканы идентифицируют друг друга. Этими веществами оказались определенные углеводороды, имеющиеся на поверхности тела тараканов. Экспериментаторы научились смывать эти вещества с тараканов при помощи специальных растворителей. Каждого робота заворачивали в фильтровальную бумажку, пропитанную тараканьим запахом в необходимой концентрации (чтобы на каждый квадратный миллиметр поверхности робота приходилось столько же пахучих веществ, сколько их имеется на теле живых тараканов). Этого оказалось достаточно, чтобы тараканы отнеслись к роботам с полным доверием и приняли их в свой коллектив.

В первой серии экспериментов роботы были запрограммированы на предпочтение темного убежища. Оказалось, что в этом случае смешанные группы из 12 тараканов и 4 роботов «самоорганизуются», «принимают коллективные решения» и вообще ведут себя совершенно так же, как и контрольные группы, состоявшие из 16 тараканов без роботов. Сидящие в убежище роботы и тараканы были в одинаковой степени «привлекательны» друг для друга. Таким образом, тараканы действительно принимали роботов за своих.

Это позволило ученым перейти ко второй серии экспериментов, целью которой было доказать, что роботы могут управлять коллективным поведением животных. Роботов запрограммировали на предпочтение менее затененного убежища. Теперь между поведением контрольных и смешанных групп выявились четкие различия. Контрольные группы из 16 тараканов выбирали светлое убежище только в 23% случаев. Смешанные группы из 12 тараканов и 4 роботов выбирали его гораздо чаще. В 61% случаев тараканы послушно шли за роботами в менее качественное убежище. Вот что значит стадный инстинкт!

Впрочем, всё было по-честному: в роботах ведь тоже было заложено уважение к мнению коллектива, и в остальных 39% случаев роботы в итоге оказывались вместе с шестиногими друзьями в темном убежище, хотя им самим больше нравилось светлое. Иногда выбор того или иного убежища инициировался роботами, иногда — тараканами. Важно, что роботы в этих экспериментах не были просто механизмами для управления поведением животных (как это было, например, в случае с роботами-пчелами, которые своим танцем направляли живых пчел в ту или иную сторону). Роботы участвовали в принятии коллективного решения наравне с живыми тараканами. В этом состоит главное отличие данного исследования от предыдущих опытов по внедрению роботов в коллективы животных.

Значение данной работы, конечно, не в том, что теперь можно при помощи роботов заманивать тараканов в ловушки (хотя, конечно, это тоже интересная мысль). Фактически, люди получают новый мощный инструмент воздействия на поведение больших групп животных.

В заключительной части статьи авторы выражают надежду, что в недалеком будущем подобные методы можно будет применять и к позвоночным. При помощи программируемых роботов, внедряемых в коллективы животных, можно будет решать самые разные проблемы — от научных до экономических и природоохранных.

Источник: J. Halloy et al. Social Integration of Robots into Groups of Cockroaches to Control Self-Organized Choices // Science. 2007. V. 318. P. 1155–1158.

См. также видеофильмы в дополнительных материалах к статье.

Александр Марков


6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • dims  | 18.11.2007 | 03:18 Ответить
    Но ведь по логике тут не видно, что роботы могут тараканами управлять. По тексту получается, что роботы неотличимы от тараканов. Следовательно, та же самая ситуация сложилась бы, если вместо двух роботов в сообществе просто объявилось бы два таракана, которые предпочитают свет. А из этого вытекает, что сообщество тараканов самоорганизуется таким образом, что маргинальная точка зрения получает в нём больший вес.

    То есть, грубо говоря, тараканы любят следовать за оригиналами.

    А это означает, что в программу роботов внесли не всё.

    Для проверки этого предположения, как мне кажется, следует провести опыты с 16 роботами. Пусть 2 из этих роботов предпочитают свет. Мне кажется, что в таком сообществе выигрывать будет точка зрения большинства, что докажет, что роботы и тараканы запрограммированы неодинаково (так как в сообществе тараканы+роботы выигрывает точка зрения меньшинства).
    Ответить
    • PavelS > dims | 18.11.2007 | 21:14 Ответить
      Очень интересное замечание. Мне как-то такое в голову даже не пришло, но ИМХО вы правы. Суть в том, что есть некий показатель: коэффициент эгоизма, который выражает отношение привлекательности удобного места и большого коллектива. Полагаю, что роботы были много более эгоистичны чем настоящие тараканы, и потому упорно "продавливали" своё решение.

      В этом плане можно и не делать хитрого робота, а просто сделать муляжи таракана нужного размера и запаха, и заставить муляж просто сразу занимать нужное место - нормальные тараканы за ним потянутся точно так же. Это вообще предельно эгоистичный вариант.
      Ответить
    • shrek > dims | 19.11.2007 | 00:34 Ответить
      возможно, что роботы были просто недостаточно точно запрограммированы.

      интересно как распределялись вероятности совершения тараканом того или иного действия таракана. например, какое было распределение по времени вероятности закончить таракану обследование территории и остановиться на отдых под укрытием в первый раз.
      возможно ли, что поведение роботов было недостаточно точно/справедливо запрограммировано и они просто быстрее вчетвером скапливались под более светлым убежищем, и тем самым заманивали туда остальных тараканов ещё и массовостью?
      Ответить
  • Vagant  | 19.11.2007 | 12:20 Ответить
    "то группа из 12 тараканов и 4 роботов может в итоге целиком оказаться в плохом укрытии, хотя без роботов тараканы почти всегда выбирают хорошее."

    Вот ведь, всего-то 4 идиота, а пострадали в итоге все (ха-ха). Интерестно, а наличие 30% придурков во всех случаях гарантируют результат, или это необходимый минимум?
    Ответить
    • britvin > Vagant | 19.11.2007 | 14:20 Ответить
      Тема, конечно, не самая аппетитная...
      А что в ней, собственно, научного-то? Ну, придумали такой авиа- (то бишь, таракано-) модельный спорт. Все выработанные эволюцией схемы поведения в сообществе давно известны... (Конечно, ими могут воспользоваться (и часто пользуются) "придурки", или, там, гении - не важно. И в подходящих условиях среды вполне может хватить не то что 30%, а всего нескольких роботов на целый, какой-нибудь, трёхзвёздный клоповник...)
      Ответить
  • petrenko  | 04.05.2010 | 20:50 Ответить
    Сидят так тараканы в плохом убежище и проклинают руководство :-)
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»