Kopf-Körper-Auge-Koordination bleibt quer erhalten

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Video: Dieser Clip beschreibt, wie Forscher Fruchtfliegen und andere visuell aktive Tiere im Tierreich entdeckten, die Bewegungen ihres Kopfes und Körpers synchronisieren, um ihr Sehvermögen zu stabilisieren.
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Bildnachweis: Penn State College of Engineering

UNIVERSITY PARK, Pa. – Fruchtfliegen synchronisieren die Bewegungen ihres Kopfes und Körpers, um ihre Sicht zu stabilisieren und effektiv zu fliegen, so Forscher der Penn State, die Virtual-Reality-Flugsimulatoren verwendeten. Der Befund scheint bei Primaten und anderen Tieren zuzutreffen, sagen die Forscher, was darauf hindeutet, dass sich Tiere entwickelt haben, um ihre Augen und Körper unabhängig voneinander zu bewegen, um Energie zu sparen und die Leistung zu verbessern. Dieses Verständnis könnte laut Forschungsleiter Jean-Michel Mongeau, Assistenzprofessor für Maschinenbau, in das Design fortschrittlicher mobiler Roboter einfließen.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse gestern, 3. Mai, in Die Proceedings der National Academy of Sciences.

„Wir entdeckten, dass Fruchtfliegen bei der Steuerung des Blicks den Energieverbrauch minimieren und die Flugleistung erhöhen“, sagte Mongeau. „Und mit diesen Koordinationsinformationen haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, das eine ähnliche Synchronisation genau vorhersagt [other] visuell aktive Tiere.“

Die Forscher verwendeten Hochgeschwindigkeitskameras, um eine Fruchtfliege aufzunehmen, die von LED-Videobildschirmen umgeben war, auf die die Forscher Aufnahmen davon projizierten, was eine Fliege während des Fluges sehen würde, wodurch ein immersives Virtual-Reality-Erlebnis geschaffen wurde und die Fliege sich bewegte, als ob sie frei fliegen würde.

„Wenn sich eine Fliege bewegt, koordiniert sie ihren Kopf, ihre Flügel und ihren Körper, um durch die Luft zu fliegen, Raubtieren auszuweichen oder nach Nahrung zu suchen“, sagte Mongeau. „Wir wollten untersuchen, wie Fliegen diese Bewegungen koordinieren, und haben dazu den Flug in der virtuellen Realität simuliert.“

Als Reaktion auf langsame und schnelle visuelle Bewegungen im Virtual-Reality-Flugsimulator bewegte die Fliege ihren Kopf und Körper mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Forscher nahmen Messungen vor und verfolgten die Kopfbewegungen der Fliege, um die Richtung ihres Blicks zu bestimmen, da ihre Augen an ihrem Kopf fixiert sind und sich nicht unabhängig bewegen können.

„Wir fanden heraus, dass die Kopf- und Körperbewegungen der Fliege komplementär waren, da sich der Körper am meisten bei langsameren visuellen Bewegungen bewegte, während sich der Kopf am meisten bei schnelleren Bewegungen bewegte“, sagte Mongeau. „Die Zusammenarbeit von Körper und Kopf hat dazu beigetragen, die Flugbewegung von sehr langsam zu sehr schnell zu stabilisieren.“

Um die Konzepte weiter zu testen, immobilisierten die Forscher den Kopf der Fliege und setzten ihn den gleichen visuellen Reizen aus. Sie fanden heraus, dass die Fliege nicht auf schnelle visuelle Bewegungen reagieren konnte – was den Vorteil komplementärer Körper- und Kopfbewegungen demonstrierte.

„Wir haben festgestellt, dass die Zusammenarbeit von Kopf und Körper aus energetischer Sicht vorteilhaft ist“, sagte Mongeau. „Da der Kopf kleiner ist, hat er weniger Bewegungswiderstand oder Trägheit, was bedeutet, dass er auf schnelle Bewegungen reagieren kann, während der viel größere Körper am besten auf langsamere Bewegungen reagiert. Die Abstimmung dieser beiden Komponenten spart Energie und steigert die Leistung nicht nur für die Fliege, sondern auch für andere Tiere.“

Mithilfe der Kontrolltheorie, einem Zweig der Ingenieurwissenschaften, der sich mit der Entwicklung von Rückkopplungssystemen wie Autopiloten befasst, verglichen die Forscher die Erkenntnisse über die Bewegungen der Fliege mit anderen Tieren, einschließlich eines Klassikers Studium der Primatenbewegungen.

„Mit demselben Modell haben wir die Trägheitsverhältnisse von Augen, Kopf und Körper anderswo im Tierreich untersucht, einschließlich bei anderen Insekten, Ratten und Vögeln“, sagte Mongeau. „Die Art und Weise, wie die Fliegen ihren Kopf und Körper bewegen, ist der Art und Weise sehr ähnlich, wie Primaten ihre Köpfe und Augen bewegen, was bemerkenswert ist, da sie sich vor Hunderten von Millionen Jahren voneinander entfernt haben.“

So wie ein Kopf leichter ist als ein Körper, sind Augen leichter als ein Kopf und brauchen weniger Energie, um sich zu bewegen. Laut Mongeau markierten sich unabhängig voneinander bewegende Augen und Köpfe im Fossilienbestand von Wirbeltieren den Übergang vom Wasser zum Land.

„Als Wirbeltiere vor mehr als 350 Millionen Jahren vom Wasser an Land übergingen, hätte die Entwicklung von Mechanismen zur Steuerung von Kopf- und Augenbewegungen erhebliche evolutionäre Vorteile haben können“, sagte Mongeau. „Wir entdeckten, dass es einen idealen Punkt im Augen-Kopf-Körper-Verhältnis gibt, was darauf hindeutet, dass Trägheit eine wichtige Einschränkung bei der Entwicklung des Sehvermögens gewesen sein könnte.“

Die Ergebnisse der Forscher könnten genutzt werden, um die Energieeffizienz und Leistung in der Robotik zu verbessern, so Benjamin Cellini, Doktorand im Maschinenbau und Erstautor der Veröffentlichung.

„In der Robotik sind Sensoren normalerweise ortsfest“, sagte Cellini. „Aber im Tierreich sind Wahrnehmung und Bewegung gekoppelt, da sich viele physische Sensoren wie Augen bewegen. Inspiriert von der Biologie können wir energieeffizientere Roboter entwickeln, indem wir auf Bildverarbeitung basierende mobile Sensoren herstellen.“

Wael Salem, Doktorand im Maschinenbau, hat die Arbeit mitverfasst.

Das US Air Force Office of Scientific Research und das Alfred P. Sloan Research Fellowship unterstützten diese Arbeit.


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