A virtuális valóság különleges világában a halak oktatják a robotokat, felfedezve ezzel a digitális óceán rejtelmeit. Az interaktív környezetben a vízi élőlények mozgása és viselkedése inspirálja a mechanikai tanulókat, akik a természet csodáiból merítve

Egy biológusokból és robotikai mérnökökből álló kutatócsoport olyan innovatív virtuális valóság-rendszert alkotott meg, amelyet kifejezetten halak számára terveztek. Céljuk, hogy jobban megértsék, miként képesek ezek az élőlények együttműködni rajokban. Kutatásaik során felfedezték a zebrahalak által alkalmazott természetes „szabályozási törvényt”, amely egy bonyolult viselkedési algoritmus, és amely évmilliók során fejlődött ki, hogy támogassa a hatékony közös mozgást.

Ez a fajta kollektív viselkedés technológiai szempontból is kedvező lehetőségeket kínál – például az autonóm járművek navigálásában. A kutatók különböző robotautókon, drónokon és vízi járműveken végeztek kísérleteket az algoritmusok hatékonyságának vizsgálatára, és arra a következtetésre jutottak, hogy a halak által alkalmazott interakciós szabályok ígéretes alapot nyújthatnak a jövőbeli robotflották irányításához.

A kutatás a Science Robotics folyóiratban jelent meg, és a németországi Konstanzi Egyetem Kollektív Viselkedés Kiválósági Klaszter és a Max Planck Állatviselkedéstani Intézet (MPI-AB) kutatóinak vezetésével készült, az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) és az Aquincum Institute of Technology (AIT) munkatársainak közreműködésével.

A halak világa a mátrixban: egy színes és dinamikus univerzumban, ahol a víz alatti lények táncolnak a pixelhegyek között. Képzelj el egy virtuális akváriumot, ahol a halak nem csupán úsznak, hanem színes áramlatokká formálódnak, és a digitális térben új életre kelnek. A holografikus vízfelületen a halak szivárványos pikkelyeikben csillognak, miközben a háttérben a kódok és algoritmusok hullámzanak, mint a tenger hullámai. Ebben a mátrixban minden hal különálló karakter, egyedi mintázattal és mozdulatokkal, akik együtt alkotnak egy lenyűgöző látványt. Az élethű animációk és a futurisztikus környezet egy új dimenziót adnak a halak mindennapi életéhez, ahol a szabályok és határok elmosódnak, és a kreativitás szabadon szárnyalhat. A halak nem csupán a vízben léteznek, hanem a digitális világ végtelen lehetőségeiben is.

A halak mozgása igazi csoda: a csapatukban nincsenek vezetők, mégis képesek szorosan együttműködni, formációban úszni, elkerülni az ütközéseket, és rugalmasan alkalmazkodni a környezetük változásaihoz. Ezen lenyűgöző alkalmazkodóképesség és koordináció reprodukálása régóta jelentős kihívást jelent a mérnöki tudományokban. Legújabb kutatásaik során a tudósok virtuális valóságot használtak, hogy szabadon mozgó halakkal folytatott kísérleteik során közelebb kerüljenek a megoldáshoz.

"Munkánk bemutatja, hogy a természet által évmilliók alatt kifejlesztett megoldások inspirálhatják a mérnöki rendszerek robusztus és hatékony irányítási szabályait" - mondja a tanulmány első szerzője, Liang Li, a Konstanzi Egyetem munkatársa. "Felfedezésünk izgalmas lehetőségeket nyit a robotika és az autonóm járművek jövőbeli tervezése előtt" - teszi hozzá a másik társszerző, Nagy Máté, az ELTE kutatója.

A kutatók egy innovatív virtuális valóság rendszert használtak, amely a természetes rajviselkedést szimulálja. Fiatal zebrahalakat külön-külön elhelyeztek összekapcsolt tartályokba, ahol minden egyes hal szabadon interakcióba léphetett fajtársainak virtuális megjelenéseivel, vagyis "avatárjaival".

Meglepően kevés információ is elég a halak mozgásának hatékony koordinációjához

Minden virtuális hal egy valódi hal "hologramszerű" vetített másolata volt, amelyet az állatok úgy érzékeltek, mintha az velük egy térben úszna. Ez a teljesen immerzív 3D környezet lehetővé tette a kutatók számára, hogy szabályozzák a vizuális ingereket, és megfigyeljék, hogyan reagálnak rájuk a halak. A magas szintű kontroll láthatóvá tette, milyen vizuális jelek irányítják a halakat - vagyis mi áll a rajviselkedés működése mögött, hogyan oldják meg a halak a mozgáskoordináció összetett problémáját.

A megoldás egy egyszerű szabály volt, amely kizárólag a szomszédos egyedek észlelt pozíciójára épült - nem pedig azok sebességére. "Minket is meglepett, milyen kevés információ is elég ahhoz, hogy a halak hatékonyan koordinálják mozgásukat a rajban - mondta Iain Couzin, a tanulmány vezető szerzője, az MPI-AB igazgatója, a Kollektív Viselkedés Klaszter egyik vezetője. - Olyan helyi szabályokat alkalmaznak, amelyek kognitívan minimálisak, de funkcionálisan kiválóak."

A képen a halak mátrixban: a kutatók zebrahalakat helyeztek hálózatba kapcsolt virtuális valóságba, ahol a halak szabadon léphettek interakcióba hologramszerű térbeli virtuális fajtársaikkal.

A halaktól a gépekig

A kutatók, hogy felmérjék az irányítási szabályok életszerűségét, valódi halakon végeztek kísérleteket. Ehhez a VR Turing-tesztet alkalmazták, amelynek célja, hogy megállapítsák, az emberek mennyire képesek megkülönböztetni a valóságos embert a mesterséges intelligenciától. A kísérlet során a halak egy valódi hal társaságában úszkáltak, mellette pedig egy virtuális hal is feltűnt, amely időnként a valós hal mozgását utánozta, máskor viszont egy felfedezett algoritmus irányította. Meglepő módon a valódi hal nem tudta megkülönböztetni a két "társat": a viselkedése nem változott, függetlenül attól, hogy egy igazi fajtárssal, vagy a mesterségesen generált követővel volt dolga.

A kutatók az általuk felfedezett szabályt robotautók, drónok és hajók rajába is beépítették. A robotoknak azt a feladatot adták, hogy kövessenek egy mozgó célt vagy a zebrahalak algoritmusa, vagy az autonóm járművekben elterjedt Model Predictive Controller (MPC) szabályai alapján. A természetes "irányítási törvény" teljesítménye gyakorlatilag minden teszt során megegyezett a mérnökök által fejlesztett MPC-jével pontosság és energiafogyasztás terén - viszont sokkal egyszerűbb működéssel.

Oliver Deussen, a tanulmány társszerzője és a Konstanzi Egyetem informatikaprofesszora, a Kollektív Viselkedés Klaszter egyik vezetője, a következőket nyilatkozta: "Kutatásunk célja a robotika és a biológia kölcsönhatásának bemutatása. A robotika eszközeivel vizsgáljuk a biológiai folyamatokat, melyek új és hatékony irányítási stratégiák kidolgozását inspirálhatják a robotikában."

English summary

A team of biologists and robotic engineers developed a virtual reality system for fish to understand how they move together in schools. They discovered a natural "control law" that zebrafish use for coordinating their behavior, an algorithm evolved over millions of years for efficient collective movement. This collective behavior could benefit technology, such as autonomous vehicles. Researchers tested this algorithm on robots, drones, and boats, finding that the interaction rules used by fish offer a promising solution for future robot fleet control.