Как бражник видит, зависает и отслеживает цветы в темноте

Бражник (Manduca sexta), размером с колибри, должен видеть в темноте, зависать в воздухе и одновременно отслеживать движение цветка на ветру, чтобы питаться нектаром.

С помощью высокоскоростных инфракрасных камер и 3D-печатных роботизированных цветов ученые выяснили, как это насекомое справляется с этими сложными задачами. Исследование показало, что мотыльки могут замедлять работу мозга, чтобы улучшить зрение в условиях слабого освещения, продолжая выполнять сложные действия.

Это открытие может помочь следующему поколению небольших летающих роботов эффективно работать в широком диапазоне освещенности. Работа, поддержанная National Science Foundation и Air Force Office of Scientific Research, будет опубликована 12 июня в журнале Science.

Эксперимент с робоцветами

Исследователи из Georgia Institute of Technology и University of Washington использовали роботизированные цветы, которые могли двигаться из стороны в сторону с разной частотой, и камеры, чтобы отслеживать, насколько хорошо свободно летающие мотыльки удерживают свои хоботки (proboscises) в цветах, при разном освещении.

• Ожидание: Ученые предполагали, что замедление мозга для улучшения зрения ухудшит способность мотылька отслеживать движение.
• Реальность: Мотыльки действительно замедлялись, но это имело значение только если цветок двигался быстрее 20 Гц (20 колебаний в секунду).
• Природные условия: Реальные цветы в ветре колеблются с максимальной частотой около 2 Гц. Таким образом, в естественной среде "компромисс" из-за замедления мозга для мотыльков не критичен.

Выдающиеся способности

В эксперименте мотыльки отслеживали движение цветка с частотой до 20 Гц. Учитывая, что их крылья бьют с частотой около 25 взмахов в секунду, это означает, что они корректировали направление движения практически с каждым взмахом крыла — серьезное сенсорное и вычислительное достижение.

Значение для технологий

Естественный диапазон освещенности может изменяться в 10 миллиардов раз. Понимание того, как биологические системы, такие как мозг бражника, адаптируются к таким условиям, может быть полезно для:

• Разработки роботов и систем машинного зрения, работающих при разном освещении.
• Применения методов теории управления для анализа работы нейронных цепей.

Дальнейшие исследования

Ученые уже создали роботизированный цветок, способный двигаться в двух или трех измерениях. В будущем они планируют поместить его в аэродинамическую трубу, чтобы изучить, как мотыльки преодолевают аэродинамические сложности, включая взаимодействие вихрей от крыльев с цветами.