Боковая линия рыб поможет роботам обрести шестое чувство

Рыбы и некоторые земноводные обладают уникальными сенсорными возможностями — системой органов боковой линии. Это позволяет им фактически "ощупывать" объекты, находящиеся поблизости, без прямого физического контакта и визуальной оценки. Профессор Лео ван Херммен (Leo van Hermmen) и его коллеги с физического факультета Технического университета Мюнхена (Technische Universitaet Muenchen, TUM) занимаются изучением фундаментальных основ этой сенсорной системы. Их открытие может однажды за счет биоинженерии снабдить роботов системой ориентации в пространстве.

Даже в мутной воде, с трудом пропускающей свет, щуки и щурята могут чувствовать свою жертву до момента непосредственного контакта. Слепые мексиканские пещерные рыбы могут различать окружающие структуры и легко избегать препятствия. Зубатка на охоте следует невидимому курсу, направленному непосредственно на жертву. Орган, делающий это возможным, называется боковой линией, которая фиксирует изменения течений и даже небольшие возмущения, обеспечивая резервную поддержку зрения в темноте или в мутной воде.

Эта дистанционная сенсорная система проводит измерение распределения давления и поля скоростей в окружающей воде. Боковая линия, ответственная за это, расположена вдоль всего тела слева и справа, а также вокруг глаз и рта. Она состоит из желатиновых, гибких флажков около 0,1 мм длиной. Эти эпителиальные чувствительные органы, которые расположены непосредственно на коже животного или под ней в каналах, чтобы вода могла проникать через поры, чувствительны к малейшим движениям воды. Связанные с ними волосяные клетки похожи на сенсоры акустического давления в человеческом ухе. Нервы передают сигналы волосяных клеток к мозгу, который локализует и определяет возможные источники зафиксированных изменений движения воды.

Эти изменения могут возникать по нескольким причинам. Плывущая рыба создает вибрации или волны, которые непосредственно передаются на боковую линию. Мексиканская пещерная рыба пускает перед собой головную волну, которая отражается от препятствий. Зубатка пользуется тем, что плывущая рыба создает хвостовым плавником после себя завихрения. Такая вихревая дорожка существует более минуты и может выдать жертву.

Последние пять лет команда ван Хеммена исследовала возможности боковой линии и проводила оценку возможностей ее использования. Чтобы определить широту рабочего диапазона этого чувствительного органа и тип информации, получаемой о движущихся объектах, а также вид сигнала, воспринимаемого боковой линией от вихревых следов других рыб, и его способ обработки, ученые создали математическую модель и сравнили с экспериментально полученными электрическими сигналами, биопотенциалами. "Биологические системы следуют своим собственным законам, но эти законы универсальны и могут быть описаны математически, необходимо лишь подобрать верную биофизическую или биологическую концепцию и правильную формулу", — говорит Херммен.

Рыба может четко фиксировать положение других рыб в переводе на расстояние, соответствующее длине их тела. Ученые обнаружили, что каждая рыба передает определенную отличительную информацию о себе в водной среде. Жертва раскрывает свой размер и форму своему возможному охотнику, и последний принимает решение о необходимости преследования.

Другим интересным открытием стало то, что угол между осью рыбы и вихревой дорожкой может быть вычислен на основе сигналов, воспринимаемых боковой линией. Причем наивысшие возможности этих расчетов превосходят способности нервной системы рыб. Вычисленные значения нервных сигналов сенсорных органов животного очень хорошо согласуются с измеренными в реальности электрическими импульсами нервных клеток. Чувство боковой линии в корне отличается от других чувств, таких как зрение или слух. Оно не только описывает другое качество реальности, но также вместо двух глаз или ушей использует множество отдельных органов, от 180 единиц у шпорцевой лягушки до нескольких тысяч у рыб, каждый из которых состоит из нескольких эпителиальных чувствительных органов. И их интеграция является незаурядным делом. Нейронную обработку и интеграцию различных чувственных ощущений в обобщенное отображение действительности ученые называют своей главной задачей.

Технологии превзошли природу в некоторых областях, но они все еще отстают в когнитивном процессе получения чувственных ощущений. Для этого необходимо наделить роботов множеством ощущений. С органом чувств, подобным боковой линии и функционирующим в воздушной среде также как у рыб под водой, роботы смогут, к примеру, безопасно двигаться в толпе людей. Но такая система также даст множество преимуществ и в воде. Подводные роботы смогут воспользоваться этим инструментом для ориентирования при исследовании труднодоступных пещер и глубоководных вулканов. А автономные подводные лодки смогут обнаруживать препятствия в мутной воде. Такой подводный аппарат уже разрабатывается в рамках проекта CILIA в сотрудничестве с TUM.