松鼠跑酷:跳跃松鼠如何激发更多灵活的机器人

树松鼠是啮齿动物世界的奥林匹克潜水员,优雅地在地面上方的树枝和结构之间跳跃。与人类潜水员一样,松鼠在这场比赛中的成功也

树松鼠是啮齿动物世界的奥林匹克潜水员,优雅地在地面上方的树枝和结构之间跳跃。

与人类潜水员一样,松鼠在这场比赛中的成功也需要体力和心理适应能力。

雅各布斯实验室研究伯克利校园的自由放养狐狸松鼠的认知。两种物种 – 东部灰松鼠(Sciurus carolinensis)和Fox松鼠(Sciurus Niger) – 在校园景观中壮成长,并愿意参加我们的行为实验。它们也是二维和三维空间取向的主人 – 使用感觉线索在空间中移动。

在一项新发表的研究中,我们表明,松鼠的飞跃和土地不跌倒,而不是在他们必须覆盖的距离和起飞栖息的越野度之间进行权衡。这项研究为我们与人类运动和工程师分享的具有挑战性的环境中的决策,学习和行为的作用提供了新的见解。目前,没有像松鼠那样敏捷的机器人,也没有人能在复杂的环境中学习或做出有关动态任务的决定 – 但是我们的研究表明,这种机器人需要的能力类型。

在旅途中思考

虽然松鼠的生活对于人类观察者来说可能很简单 – 攀登,饮食,睡眠,重复 – 它涉及精心调整的认知技能。松鼠是专门的种子分散剂:它们在秋天的六到八周期间收获了冬季的坚果和橡子供应,分别掩埋了每个坚果,并依靠空间记忆来检索它们,有时几个月后。

我们知道松鼠会从层次上组织它们的缓存。伯克利狐狸松鼠以随机顺序提供五个坚果物种时,根据物种将坚果埋在簇中。由于较大的螺母含有更多卡路里,因此松鼠在它们上投入更多的投资,将它们带到更安全的位置并将其藏身处的间距更远。就像人类可能会摇一支铅笔来评估其体重一样。而且我们知道,它们基于包括那个季节的食物的稀缺,已经缓存的坚果数量以及其他松鼠观察到缓存的风险。

除了观察性研究外,我们还评估了松鼠如何执行抽象的空间任务。例如,我们已经测量了他们能够抑制渴望食物位置的弓步的程度,这是一项关于自我控制发展的国际研究的一部分。在另一个实验中,我们将松鼠穿过垂直的迷宫,模仿他们在树木中导航时面临的分支决定,看看它们如何返回他们记得的位置。

我们还发现,尽管松鼠正在解决桌面记忆难题,但在储存冬季食品供应的激烈时期,它们的认知灵活性达到了顶峰。这就解释了为什么在缓存季节,伯克利松鼠能够在地标类型之间更容易切换。

上空

我们的新研究汇集了松鼠心理学家和比较生物力学主义者,询问松鼠的认知决策是否扩展到运动的动态变化 – 著名的松鼠飞跃。松鼠对身体的感知能力以及对环境稳定性的猜测如何塑造他们对运动的决定?来自息肉实验室的罗伯特·富(Robert full the Opedal Laboratory ,从螃蟹到蟑螂,再到跳跃的蜥蜴。接受过生物力学培训的研究生纳撒尼尔·亨特(Nathaniel Hunt)和接受动物认知的培训的朱迪·金(Judy Jinn)承担了评估跳跃松鼠如何应对实验分支的位置和灵活性的突然变化的挑战。

为了在野生松鼠中研究这个问题,我们设计了一个可以安装在轮子上的磁性攀岩墙,并推向著名的伯克利桉树林格,以在自己的草皮上与松鼠见面。我们带来了高速相机和花生,以说服大鼠耐心地等待它们的转弯。

我们的目标是说服松鼠从附着在攀岩墙上的灵活的跳板上起飞,然后从墙壁上跳到固定的鲈鱼,从墙壁上突出,以持有壳的胡桃木奖励。再一次,松鼠以他们的杂技和创新使我们感到惊讶。

通过增加跳板和目标之间的距离,我们可以模拟松鼠的面孔,当它穿过尺寸,形状和柔韧性变化的树枝上时,它可以模拟面部的挑战。松鼠越过缝隙必须根据分支灵活性和间隙的大小之间的权衡来决定在哪里起飞。我们发现松鼠沿着僵硬的分支越来越远,因此它们的跳跃更短,更轻松。相比之下,他们距离灵活的分支只有几步之遥,冒着更长的飞跃风险。

使用三个分支不同的柔韧性,我们猜测他们起飞的位置是假设从不稳定的分支和跳跃距离跳跃的同等风险。我们错了:我们的模型表明,松鼠对稳定的起飞位置的关心六倍,而不是他们必须跳到多远。

接下来,我们让松鼠从一个非常僵硬的平台跳跃。松鼠不为人知,然后我们替换了一个相同的外观平台,该平台的灵活性要高三倍。从我们的高速视频中,我们计算出松鼠尸体距离着陆栖息的距离有多远。这使我们能够确定着陆误差 – 松鼠尸体的中心从目标栖息处降落多远。松鼠很快学会了从他们期望僵硬的非常弯曲的分支中跳下来,只需五次尝试就可以扎根。

当我们通过提高高度并增加与目标栖息的距离进一步提高赌注时,松鼠使我们感到惊讶。他们立即采用了一种新颖的解决方案:跑酷,从字面上弹起攀岩墙以调整速度并完成优雅的着陆。再一次,我们发现了令人叹为观止的敏捷性,使松鼠能够在大自然最具挑战性的环境之一中逃避掠食者,树冠。数百万的人看着松鼠解决并突袭“防松鼠”喂食器,要么生活在他们的后院,要么生活在他们的后院或纪录片和病毒视频。像奥林匹克潜水员一样,松鼠必须在身体和认知上都具有灵活性才能成功,从而快速纠正误差并创新新的动作。

随着该项目吸引的资金,我们加入了一个机器人,神经科学家,物质科学家和数学家团队,从松鼠飞跃和着陆中提取设计原理。我们的团队甚至通过研究实验室大鼠的LEAP计划来寻求对大脑功能的见解。

我们对松鼠的非凡壮举的分析可以帮助我们了解如何帮助步行或掌握障碍的人。此外,通过我们的生物学家和工程师的跨学科团队,我们正在尝试为有史以来最聪明,最敏捷的机器人创建新材料 – 可以帮助搜索和救援的努力并迅速检测到灾难性的环境危害,例如有毒化学物质的危害发行。

我们努力的未来愿景?第一响应者的机器人松鼠,配备了小鼠在喂鸟器上的物理和认知韧性和柔韧性。

朱迪·金(Judy Jinn)是一名研究生,他是Facebook的定量UX研究人员。这篇文章是根据Creative Commons许可从对话中重新出版的。阅读原始文章。

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