Fedtfuglens sansesystemer kan inspirere droneflyvning | Videnskab.dk
Fedtfugle kombinerer ekkolokalisering og et ekstremt følsomt syn for at finde vej i mørke huler. Vi kan potentielt bruge lignende principper til autonome droner.
Kort før de forlader reden, tager de unge fedtfugle så meget på, at de overstiger de voksnes vægt. Fedtfugle blev tidligere høstet og kogt af de indfødte for at udvinde olie til eksempelvis lamper. (Foto: Shutterstock).
PhD, Cand.Scient i biologi fra Syddansk Universitet
I Danmark har vi en national dronestrategi, der skal gøre os internationalt førende indenfor droneteknologi.
Både brugen af droner og antallet af autoriserede droneførere, der uddannes, stiger støt, men ifølge lovkrav må droner af sikkerhedshensyn kun operere indenfor droneførerens synsrækkevidde. Det begrænser brugen af droner til forhold med god sigtbarhed og gør det svært at udnytte dem optimalt.
Det er for eksempel nemt at forestille sig situationer, både i form af rutinemæssige overvågningsopgaver i tåge eller overskyet vejr, såvel som nødssituationer under skov- eller bygningsbrande, hvor en drone med fordel kan indsættes og autonomt styre udenom forhindringer uden at afhænge af droneførerens kontrol.
Spørgsmålet er, hvordan vi kan videreudvikle teknologien, så de trygt kan sættes i spil uden de nuværende bekymringer om deres trafiksikkerhed?
Fedtfuglen rummer måske svaret, men før vi når så vidt, lad os da først se på, hvordan vi ellers efterligner naturen.
Aktiv sansning og biomimetisk inspiration
Ved at efterligne form og funktion i naturen (biomimetik) har biologer og ingeniører i samarbejde lavet såkaldte biomimetiske robotter, der kan hoppe som galagoer, høre som firben og sniffe sig frem til sprængstoffer efter de samme principper som en hundesnude.
En drone, der flyver ind i en skovbrand for at få overblik over den. Er det fremtiden i Danmark også? (Foto: Shutterstock)
Hvorfor ikke søge lignende biomimetisk inspiration til at forbedre dronenavigation – for eksempel fra dyr, der har tilpasset sig upålidelige eller mangelfulde lysforhold?
Langt de fleste sanser er passive i den forstand, at de signaler, der aktiverer dyrets nervesystem, kommer udefra. For eksempel skal der være lysenergi til stede i omgivelserne for at aktivere vores synssans, så vi kan se.
Ekkolokalisering, også kaldet biosonar, er til gengæld en af de sjældne former for aktiv sansning, hvor dyret ikke er afhængigt af ydre energi, idet det selv udsender de signaler, der efterfølgende sender sanseinput tilbage fra omgivelserne, som dets hjerne bearbejder og fortolker.
Flagermusen – biosonarens ukronede konge
De fleste ved, at flagermus er eksperter i ekkolokalisering og finder rundt på nattehimlen og fanger bytte ved at udsende lyde og lytte efter de ekkoer, som lydene sender tilbage fra omverdenen. For eksempel fra velsmagende snacks eller forhindringer, der skal undviges.
Flagermus ekkolokaliserer oftest med signaler i ultralydsområdet med frekvenser, som vores ører er døve overfor. På grund af den fysiske sammenhæng mellem et objekts størrelse og hvor stort et ekko, det returnerer ved en given frekvens, kan flagermus med deres ultralydssignaler registrere ekkoer fra insekter på selv få millimeters størrelse.
Flagermus er de ukronede ekkolokaliseringseksperter, og deres biosonar er velstuderet, så man skulle tro, at de var en åbenlys biomimetisk model for dronesonar.
Problemet er bare, at flagermus er små og ekstremt manøvredygtige i forhold til de fleste droner på markedet. Desuden bygger deres biosonar ekspertstatus på en lang række specialiseringer udviklet over 65 millioner års evolution.
Udover store og ofte komplekst opbyggede ydre ører, der hjælper dem til at retningsbestemme lyde og ekkoer, har de blandt andet en forstørret øresnegl og en udvidelse af de områder i hjernen, der behandler lydinput.
Video of Flagermus ørebevægelser
Se et videoklip af de imponerende ørebevægelser hos flagermusen Hipposideros fulvus. (Video: Signe Brinkløv)
Forudsætninger det foreløbig har vist sig at være svære at efterligne i tilstrækkelig grad til at matche biomimetiske robotters præstation med flagermusens.
Fedtfuglen: 400 g. fedt uden balance
Det er her, fedtfuglen kommer ind i billedet. Fedtfuglen er en pudsig nataktiv og frugtspisende fætter, der hører til ordenen natravne (Caprimulgiformes) og lever i den tropiske del af Sydamerika.
Kort før de forlader reden, tager de unge fedtfugle så meget på, at de overstiger de voksnes vægt på cirka 400 gram. Ligesom mange hvalarter blev fedtfugle derfor tidligere høstet og kogt af de indfødte og missionærer for at udvinde olie til lamper og madlavning.
Fedtfuglen (Steatornis caripensis, engelsk: oilbird) fik sit navn af den tyskeren Alexander von Humboldt i 1817 efter en ekspedition til Sydamerika, hvor han besøgte en fedtfuglekoloni i Caripe Cave, Venezuela. (Foto: Signe Brinkløv)
Fedtfuglen er på størrelse med en tredjedel lørdagskylling, men brede vinger og et vingefang på næsten en meter gør den i stand til nærmest at stå stille i luften som en kolibri.
Derimod kan den hverken balancere på et ben eller hænge fast på en lodret overflade, en pudsig ’brist’ for en fugl, der bygger rede på smalle klippeafsatser i mørke huler, hvor den gemmer sig om dagen.
Tilpasser sin ekkolokalisering efter lyset
Umiddelbart er der langt fra denne beskrivelse, til hvad i alverden fedtfuglen kan lære os om forbedret dronenavigation. Men studier af fedtfuglens sansesystemer har afsløret, at den dækker over langt mere end et stykke overvægtigt fjerkræ!
Fedtfuglen, den 'lille djævel'
Kort før de gør klar til at forlade hulen om aftenen, eller hvis de forstyrres ved deres reder, udsender fedtfuglene en række uhyggeligt klingende lyde, der har bidraget til lokal overtro om deres mulige djævelske forbindelse til underverdenen og givet ophav til flere tilnavne af spansk eller lokal oprindelse, eksempelvis guacharo ('den, som klager sørgmodigt') og diablotin ('lille djævel').
Kun de færreste er klar over, at enkelte fuglearter, heriblandt fedtfuglen, også benytter sig af ekkolokalisering. Så vidt vi ved, bruger fedtfuglene dog ikke deres ekkolokalisering til at søge føde med.
I stedet guides de, selvom de er nataktive, primært af deres synssans, som muligvis er den mest følsomme blandt alle hvirveldyr. Fedtfuglenes ekkolokalisering kommer i stedet i spil, når de flyver mellem huleåbningen til og fra deres reder.
Fordi de hverken kan stå på et ben eller hænge fast på en lodret klippevæg, er det en udfordring, som kræver stor præcision, især i en kulsort hule, hvor der kan flyve op til hundredevis af andre fedtfugle rundt på samme tid, og hvor støjniveauet ofte er massivt.
Video of Fedtfugle
Video af fedtfugle, der flyver i hulen efter en forstyrrelse om dagen. Videon viser også støjniveauet, de ofte navigerer i. (Video: Signe Brinkløv)
Fedtfuglene er svære at studere, fordi de er sky, trives dårligt i fangenskab og lever i svært tilgængelige områder. Derfor ved vi stadig forholdsvis lidt om deres ekkolokalisering.
Men det, der gør fedtfuglen interessant, er, at den tilsyneladende (modsat flagermusen) løser denne relativt komplekse udfordring uden ydre ører, ultralydshørelse eller tegn på særlige hørespecialiseringer i hjernen.
Ved at studere fedtfuglenes ekkolokaliseringsadfærd i naturen har jeg og mine kolleger for nylig fundet ud af, at de aktivt tilpasser volumen af deres lydsignaler efter omgivelsernes lysniveau.
Vi brugte en teknik, hvor vi optog fuglene med flere mikrofoner samtidig, mens de fløj ud og ind af huleåbningen (hør et eksempel på deres ekkolokalisering herunder).
På den måde kunne vi efterfølgende bruge forsinkelsen mellem lydsignalet på de forskellige mikrofoner til at bestemme fuglenes position i luften og for første gang beregne, hvor intense deres sonarsignaler er.
Lyden taber nemlig i styrke på sin vej fra lydkilden, det vil sige fedtfuglen, til mikrofonen, men tabet er forudsigeligt, så når afstanden mellem de to er kendt, kan man kompensere for det.
Fedtfuglen er nemmere at kopiere for droner
Vores optagelser viste, at fedtfuglene udsender sonarsignaler af lavere intensitet under gode lysforhold nær fuldmåne, mens de til gengæld skruer op for volumen, når månen forsvinder, og lysniveauet i omgivelserne falder. Resultatet er, at rækkevidden af fuglenes ekkolokalisering øges i takt med, at de får sværere ved at se.
Samspillet mellem disse to sansesystemer guider altså fedtfuglenes adfærd og optimerer deres præstation, så de kan løse den udfordring, de stilles overfor, når de skal navigere under varierende lysforhold.
I fedtfuglen har vi derfor en model, der ligesom droner først og fremmest er visuelt guidet, men samtidig kan optimere sine navigationsevner ved at supplere synsinput med akustisk input fra et ekkolokaliseringssystem af væsentlig simplere design end flagermusens.
Derfor kan fedtfuglen vise sig at være et mere velegnet modelsystem for biomimetiske studier, som på sigt kan føre til forbedret dronenavigation.
For at bygge videre på den viden, vi har opnået, er næste skridt at rejse tilbage til regnskoven og sætte små pakker med mikrofoner og andet måleudstyr på fedtfuglene. På den måde kan vi optage og følge mere præcist med i, hvad de hører, hvad de siger, og hvordan de flyver i naturen – også uden for vores rækkevidde fra jorden.
Selvom vi ved ganske meget om, hvordan hvirveldyrs sansesystemer – særligt syn og hørelse – fungerer hver især, er samspillet imellem sansesystemer ofte svært at studere i praksis. Men fordi ekkolokalisering er et aktivt sansesystem, kan vi koble de målte sanseinput direkte til den adfærd, vi registrerer.
Ideelt set vil vores resultater på længere sigt, suppleret med neurofysiologiske optagelser fra fedtfuglenes hjerner, gøre det muligt for os at oversætte, hvordan syns- og høreinput integreres i fedtfuglens nervesystem.
En sådan viden kan vi omsætte til algoritmer, der kan forbedre droners præcision, præstation og evne til at færdes autonomt uden at være begrænset af afstanden til droneføreren.
Signe Brinkløvs profil (SDU)
'Robotic vertical jumping agility via series-elastic power modulation', Science Robotics (2016), doi: 10.1126/scirobotics.aag2048
'From “ear” to there: A review of biorobotic models of auditory processing in lizards', Biological Cybernetics (2016), doi: 10.1007/s00422-016-0701-y
'Biomimetic Sniffing Improves the Detection Performance of a 3D Printed Nose of a Dog and a Commercial Trace Vapor Detector', Scientific Reports (2016), doi: 10.1038/srep36876
'Neurobiological Specializations in Echolocating Bats', The Anatomical Record (2005), doi: 10.1002/ar.a.20254
'Acoustic orientation in the oilbird, Steatornis', Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (1953), doi: 10.1073/pnas.39.8.884
'The eyes of oilbirds (Steatornis caripensis): pushing at the limits of sensitivity', Naturwissenschaften (2004), doi: 10.1007/s00114-003-0495-3
'Oilbirds produce echolocation signals beyond their best hearing range and adjust signal design to natural light condition', Royal Society Open Science (2017), doi: 10.1098/rsos.170255
Det moderne samfund er afhængigt af grundstoffet aluminium, der, trods sin almindelige forekomst, er en opkomling i metallernes brugshistorie. Først...