约翰霍普金斯大学的科学家们进行的一项研究发现，从微生物和鱼类到狗和人类，各种生物都表现出相似的运动模式，以了解周围的环境。尤其是电刀鱼，它们会根据光线水平改变运动模式，以更好地感知环境。这种依赖感觉的行为被发现在变形虫、蝙蝠和人类等各种生物中是一致的。

约翰霍普金斯大学的科学家们发现了这一点从微生物到人类的不同生物之间的一致的感官依赖运动，在机器人技术中具有潜在的应用。

电刀鱼在水中晃动的原因与狗嗅鼻子或人在一个新地方扫视的原因相同——为了了解周围的环境。科学家们首次证明，各种各样的生物，甚至微生物，都以同样的运动模式来感知世界。

“变形虫甚至没有神经系统，但它们的行为与人类的姿势平衡或鱼躲在管子里有很多共同之处，”作者诺亚·考恩说，他是约翰·霍普金斯大学的机械工程学教授。“这些生物在生命之树中彼此相距甚远，这表明进化通过非常不同的潜在机制聚合在同一解决方案上。”

这项研究对认知和机器人技术有影响，发表在《自然机器智能》杂志上。

红外线照明的观察槽显示了电刀鱼的行为，灯开着(上)，灯关着(下)。来源:约翰霍普金斯大学

感知和机器人运动

这些发现源于研究小组的努力，他们想弄清楚动物运动时神经系统会做什么，以提高它们对世界的感知，以及这种行为是否可以转化为机器人控制系统。

在观察槽中观察电刀鱼时，研究人员注意到，当天黑时，鱼来回摆动的频率要高得多。当灯开着的时候，鱼轻轻地摇晃着，只是偶尔会有一阵快速的运动。

野生的刀鱼天生就会寻找避难所来躲避捕食者。它们发出微弱的放电来感知自己的位置并找到藏身之处。快速摆动使它们能够主动感知周围环境，尤其是在黑暗的水中。在光线下，它们的运动速度仍然如此之快，只是频率要低得多。

“我们发现，最好的策略是在不确定性过高时短暂切换到探索模式，然后在不确定性降低时切换回开发模式，”第一作者、约翰霍普金斯大学博士后研究员德博约蒂·比斯瓦斯说。

l跨物种的行为

这是科学家首次破译鱼类的这种模式转换策略。这也是第一次有人将这种行为跨物种联系起来。

该团队创建了一个模拟关键感知行为的模型，并利用其他实验室的工作成果，在其他生物体中发现了同样的依赖感官的运动。与鱼类有相同行为的生物包括变形虫、飞蛾、蟑螂、鼹鼠、蝙蝠、老鼠和人类。

考恩说:“我们在文献中发现的任何一项研究都没有违反我们在电鱼身上发现的规律，即使是像阿米巴原虫这样的单细胞生物也没有。”

科学家们刚刚开始了解动物是如何无意识地控制感知运动的。研究小组怀疑所有生物的大脑都有管理不确定性的计算能力。

考恩说:“如果你去杂货店，你会注意到排队的人在等待的时候会在静止和走动之间变化。”“我们认为这是同样的事情，为了保持稳定的平衡，你实际上必须偶尔四处走动，像刀鱼一样激发你的传感器。我们发现这些运动的统计特征在包括人类在内的各种动物中普遍存在。”

该团队希望这些发现可以用来改进搜救无人机、太空漫游者和其他自主机器人。

接下来，他们将测试他们的见解是否适用于其他生物，甚至是植物。

参考文献:“解决探索与利用问题的生物体模式切换”，2023年10月26日，《自然机器智能》。DOI: 10.1038 / s42256 - 023 - 00745 - y

作者包括明尼苏达大学明尼阿波利斯分校的安德鲁·兰珀斯基;约翰霍普金斯大学的杨宇;巴尔的摩县马里兰大学的凯瑟琳·霍夫曼;康奈尔大学的约翰·古肯海默;以及新泽西理工学院的Eric S. Fortune。

资助:海军研究办公室，国家科学基金会