«Палеороботы» расскажут ученым, как рыбы вышли на сушу

Команда робототехников, палеонтологов и биологов под руководством Кембриджского университета с помощью роботов изучает, как предки современных сухопутных животных перешли от плавания к ходьбе. Для исследования этого перехода ученые на основе окаменелостей и анализа современных «ходячих» рыб разрабатывают рыб-роботов, которые могли бы выйти на сушу.
«Палеороботы» расскажут ученым, как рыбы вышли на сушу
Робот-рыба. https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adn1125
Переход из воды на сушу произошел около 390 миллионов лет назад. Это одно из самых значительных событий в истории жизни на Земле. Но как это происходило мы знаем довольно нечетко. Британские палеонтологи и робототехники попробовали этот процесс «восстановить» с помощью рыб-роботов, которые решили выйти на сушу.

В статье, опубликованной в журнале Science Robotics, команда исследователей под руководством Кембриджского университета рассказывает о том, как «палеоинспирированная робототехника» дает ценный экспериментальный подход к изучению того, как грудные и брюшные плавники древних рыб развивались, чтобы поддерживать вес животного на суше.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Поскольку ископаемые свидетельства ограничены, мы имеем неполное представление о том, как древние живые организмы перешли на сушу», — говорит ведущий автор работы доктор Майкл Ишида.

«Палеонтологи изучают древние окаменелости в поисках подсказок о строении тазобедренных и тазовых суставов, но есть пределы того, что мы можем узнать только по окаменелостям. Именно здесь на помощь могут прийти роботы, которые помогут нам заполнить пробелы в исследованиях, особенно при изучении серьезных изменений в способах передвижения позвоночных».

Ишида — сотрудник Кембриджской лаборатории биоинспирированной робототехники, возглавляемой профессором Фумией Иида. Команда занимается разработкой энергоэффективных роботов для различных сфер применения. Ученые черпают вдохновение в эффективных способах передвижения животных и людей.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Команда разрабатывает роботов, вдохновленных палеоисторией, в том числе исследуя современных «ходячих рыб», таких как грязевики, и в ископаемых останках вымерших рыб.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Петля «жизнь-искусственная жизнь». Изучение жизни (палеонтология и биология) и изучение искусственной жизни (биоинспирированная робототехника и палеоинспирированная робототехника) дают взаимодополняющие знания об эволюции животных. Взаимодействие между биологией и биоинспирированной робототехникой, а также между палеонтологией и палеоинспирированной робототехникой дает двунаправленную информацию о целесообразности морфологий и движений. Дихотомия между биологией и палеонтологией отражает дихотомию между биоинспирированной робототехникой и палеоинспирированной робототехникой, в которой исследование естественной и искусственной эволюции, соответственно, продвигается во времени.
Петля «жизнь-искусственная жизнь». Изучение жизни (палеонтология и биология) и изучение искусственной жизни (биоинспирированная робототехника и палеоинспирированная робототехника) дают взаимодополняющие знания об эволюции животных. Взаимодействие между биологией и биоинспирированной робототехникой, а также между палеонтологией и палеоинспирированной робототехникой дает двунаправленную информацию о целесообразности морфологий и движений. Дихотомия между биологией и палеонтологией отражает дихотомию между биоинспирированной робототехникой и палеоинспирированной робототехникой, в которой исследование естественной и искусственной эволюции, соответственно, продвигается во времени.
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adn1125

«В лаборатории мы не можем заставить живую рыбу двигаться не так, как ее научила эволюция, и уж точно не можем заставить двигаться ископаемое, поэтому мы используем роботов, чтобы смоделировать их анатомию и поведение», — говорит Ишида.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Команда создает роботизированные аналоги скелетов древних рыб, оснащенные механическими суставами, которые имитируют мышцы и связки. После завершения работы команда проведет эксперименты с этими роботами, чтобы определить, как могли двигаться эти древние существа.

«Мы хотим узнать, сколько энергии потребовалось бы различным моделям для ходьбы, и какие движения были наиболее эффективными», — говорит Ишида. — «Эти данные могут помочь подтвердить или опровергнуть существующие теории о том, как развивались эти ранние животные».

Как двигались древние животные

Гипотетические эксперименты с использованием роботов в качестве моделей животных. Концептуальная демонстрация экспериментов по изменению формы и функции, которые можно провести с помощью робота, но не животного, на примере изучения перехода тетраподов из воды в сушу. Эксперименты, проясняющие эффекты изменения размера плавников (A), размера тела (B), походки (C), ориентации плавников (D) и формы плавников (E), могут быть выполнены с помощью таких методов робототехники, как литье мягких материалов (синий); 3D-печать конструкций (желтый); контрольная инженерия и машинное обучение (зеленый); сервомоторы, жидкостные приводы или умные материалы (оранжевый); биоинспирированное или мягкое зондирование (красный).
Гипотетические эксперименты с использованием роботов в качестве моделей животных. Концептуальная демонстрация экспериментов по изменению формы и функции, которые можно провести с помощью робота, но не животного, на примере изучения перехода тетраподов из воды в сушу. Эксперименты, проясняющие эффекты изменения размера плавников (A), размера тела (B), походки (C), ориентации плавников (D) и формы плавников (E), могут быть выполнены с помощью таких методов робототехники, как литье мягких материалов (синий); 3D-печать конструкций (желтый); контрольная инженерия и машинное обучение (зеленый); сервомоторы, жидкостные приводы или умные материалы (оранжевый); биоинспирированное или мягкое зондирование (красный).
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adn1125
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Одной из самых больших проблем в этой области является отсутствие полного собрания окаменелостей. Многие из древних видов, относящихся к этому периоду истории Земли, известны только по частичным скелетам, что затрудняет реконструкцию всего диапазона их движений.

«В некоторых случаях мы просто догадываемся, как соединялись или функционировали те или иные кости», — говорит Ишида. — «Именно поэтому роботы так полезны — они помогают нам подтвердить догадки или опровергнуть».

Роботы достаточно часто используются для изучения движения живых животных, но очень немногие исследовательские группы применяют их для изучения вымерших видов. «Есть всего несколько групп, которые занимаются подобной работой», — говорит Ишида. — «Но мы считаем, что это вполне естественно — роботы могут дать представление о древних животных, которое мы не можем получить только из окаменелостей или современных видов».

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Команда надеется, что их работа подтолкнет других исследователей к использованию потенциала робототехники для изучения биомеханики давно вымерших животных. «Мы пытаемся замкнуть петлю между ископаемыми данными и реальной механикой», — говорит Ишида. — «Компьютерные модели, безусловно, невероятно важны в этой области исследований, но поскольку роботы взаимодействуют с реальным миром, они помогут проверить теории о том, как двигались эти существа, и, возможно, даже почему они двигались именно так, как двигались».

В настоящее время команда находится на ранних стадиях создания своих палеороботов, но они надеются получить некоторые результаты в течение следующего года. По словам исследователей, они надеются, что их модели роботов не только углубят понимание эволюционной биологии, но и откроют новые возможности для сотрудничества между инженерами и исследователями в других областях.