רובוטים מתמצאים במרחב באמצעות עיני זבובים

התוכנית “המעבדה” (שידור חוזר היום 17/10/2006 ב-16:00 בערוץ 1) מוקדשת לתחום העין והראיה ובין היתר גם למחקר זה. מחקרים רב תחומיים שנעשו במספר אוניברסיטאות באיזור מינכן מקשרים בין יכולת התעופה (וניתוח התמונות) של הזבובים ובין רובוטים

נפוצים ומגושמים למראה, הזבובים (blow fly) הם אמנים בטיסה. הם משנים את כיוונם לפתע, עוצרים באוויר, מסתחררים סביב צירם במהירות הברק, ומבצעים נחיתות מדוייקות – כל התמרונים הללו מתאפשרים בזכות הראיה המהירה במיוחד שלהם. יכולת זו מאפשרת להם להמנע מאיבוד כיוון כאשר הם ממהרים לתפוס מזון. עדיין נשאלת השאלה כיצד מעבד המוח הזעיר של הזבובים את המורכבות של התמונות והאותות במהירות כה גבוהה וביעילות מופלאה?

כדי לרדת לעומק הסוגיה, יצרו החברים בקבוצת מצוינות המכונה קוגניטיביות למערכות טכנייות (CoTeSys) במינכן שבגרמניה סביבת מחקר יוצאת דופן – סימולטור טיסה לזבובים. בסימולטור זה הם חוקרים מה נכנס לתוך מוחם של הזבובים כאשר הם עפים. מטרתם היא לספק יכולות אלה לידי האנושות באמצעות פיתוח רובוטים המסוגלים לתפוס ולמשש וכמובן לנוע, תוך כדי לימוד הסביבה בה הם פועלים.
מוחו של הזבוב מאפשר דברים שלא ייאמנו. בעל החיים מטפל במכשולים בטיסה מהירה, מגיב בתוך חלקיקי שניה ליד המנסה לתפוס אותו, ואינו טועה בניווט לכיוון הגושים המסריחים שהם מעדנים עבורו. החוקרים יודעים מכבר כי הזבובים מסוגלים לקלוט הרבה יותר תמונות לשניה מאשר בני אדם. עבור העין האנושית, יותר מ-25 תמונות בודדות לשניה יתמזגו לתנועה מתמשכת. זבוב לעומת זאת, יכול לצפות במאה תמונות לשניה כסצנות בודדות ולהתערב במהירות מספיקה כדי לנווט ולקבוע במדויק את מיקומו במרחב.

עם זאת מוחו של הזבוב גדול רק מעט מראש סיכה, קטן בכמה סדרי גודל למבצעים בדרך שבה פועל לדוגמה המוח האנושי. חייבת להיות לו דרך פשוטה ויעילה יותר לעיבוד תמונות מהעין לתפיסה חזותית, נושא בעל עניין רב לבוני רובוטים גם היום.

לרובוטים יש קושי רב לתפוס את סביבתם באמצעות המצלמות שלהם, וקשיים רבים אף יותר בהבנה של מה שהם רואים. אפילו זיהוי מכשולים במשטח העבודה שלהם לוקח זמן רב. לפיכך נדרשים אנשים נדרשים להגן על העוזרים האוטומטיים שלהם, לדוגמה , באמצעות סגירת השטח והפרדה בין האיזור בו עובדים רובוטים לאיזורים בהם עובדים בני אדם. עם זאת דרך ישירה לשיתוף פעולה תומך בין בני אדם למכונות היא מטרה ראשית בקבוצת המצוינות המכונה קוגניציה למערכות טכניות (CoTeSys (Cognition for Technical Systems. מדובר ביוזמה משותפת למספר מוסדות באיזור מינכן שנוסדה בידי כמאה מדענים ומהנדסים מחמישה מכונים ואוניברסיטאות.

במסגרת CoTeSys, חוקרים מדעי מוח ממכון מקס פלנק לנוירו-ביולוגיה כיצד מצליחים הזבובים להתמצא בסביבתם ומדוע התנועה שלהם כה יעילה. הם בנו סימולטור טיסה לזבובים תחת הנהגתו של הנוירוביולוג, פרופ' אלכסנדר בורסט. על צג הסימולטור הציגו החוקרים לזבובים מגוון תבניות, תנועות וגירוי חיישנים ובדקו את תגובתם. החרק הוצב במקומו באמצעות אלקטרודות כך שהחוקרים יכלו לנתח מה מתרחש במוחו של הזבוב כאשר הוא מזמזם ומעופף בזגזג סביב החדר שנראה בתמונת הסימולטור.

התוצאה הראשונה הראתה דבר אחד בבירור: הזבובים מעבדים את התמונה בדרך שונה מזו שבה המוח האנושי מעבד אותות חזותיים. מסתבר שעיניהם חסרות יכולת תנועה. בעיקר בדקו המדענים אילו פקודות מעביר מוחו של הזבוב בעת תנועות מרחביות המכונות “optical flux fields”.בתנועה קדימה, לדוגמה, כאשר עצמים רצו במהירות בצדדים, העצמים שברקע נראים גדולים יותר. עצמים קרובים ורחוקים נראים נעים בקצב שונה. הצעד הראשון עבור הזבוב הוא לבנות את המודל של התנועות הללו במוחו הזעיר.

המהירות והכיוון שבהם העצמים שלפני עין הזבוב נראים כנעים יוצרים רגע אחר רגע תבנית טיפוסית של וקטורי תנועה המכונים שדות שטף. בשלב השני נאמד השטף הזה בידי מה שמכונה משטחי לובולה (lobula plate) רמה גבוהה יותר של מרכז הראיה במוח. בכל מחצית מוח של זבוב ישנם רק 60 תאים האחראים על פעילות זו. כל אחד מהם מגיב בעוצמה ייחודית לו כאשר מוצגת בפניו תבנית מתאימה. כדי לנתח את שדה השטף חשוב שהמידע התנועתי משתי העיניים יגיע ביחד. הדבר מתרחש באמצעות קשר ישיר של נוירונים מתמחים המכונים תאי VS. בדרך זו הזבוב מקבל מידע מדויק על מיקומו ותנועתו.

פרופ' בורסט מסביר את חשיבות המחקר: “באמצעות התוצאות שלנו, הרשת של תאי ה-VS במוחו של הזבוב האחראים על התנועה הסיבובית הם המעגלים המוכרים ביותר במערכת העצבים”. אך עדיין מאמצים אלה לא מתסיימים במחקר בסיסי לחלוטין. הגילויים של מדעני העצב במכון Martinsried מתעניינים במיוחד בהנדסה הקשורה לתהליך, תחת הנחיה ובקרה של האוניברסיטה הטכנולוגית של מינכן (TUM), עמו משתף פעולה פרופ' בורסט במסגרת המיזם.

תחת הובלתו של פרופ' מרטין בוס וד”ר קוילה קוהנלנץ, עובדים החוקרים מ-TUM על פיתוח מכונות תבוניות שיכולות לצפות בסביבה באמצעות המצלמה, לומדים ממה שהם רואים, ומגיבים בהתאם למצב הנוכחי. המטרה ארוכת הטווח היא לאפשר יצירת מכונות אינטליגנטיות שיכולות לתקשר ישירות ביעילות ובבטחה עם בני אדם. גם בבתי חרושת, גבולות הבטיחות בין בני האדם והרובוטים חייבים ליפול. זאת יושג רק אם תהיה יכולת מהירה ויעילה לנתח את התמונות שרואה הרובוט.
לדוגמה, צוות ה-TUM מפתח רובוטים מעופפים זעירים שמיקומם ותנועתם בעת הטיסה יבוקרו ע”י מערכת ממוחשבת לניתוח חזותי, המקבלת השראה ממוחו של הזבוב. רובוט נייד אחד, Autonomous City Explorer (ACE) אותגר למצוא את דרכו מהמכון למרין פלאץ בליבה של מינכן – מרחק של כ-1.5 ק”מ – באמצעות עצירת עוברי אורך אותם הוא שאל בדבר הכיוון. כדי לעשות זאת, על ACE היה לתרגם את המחוות שעושים אנשים המצביעים על הדרך, לתמרן על המדרכה ולחצות כבישים בבטחה.

הגברת התקשורת הטבעית בין מכונות תבוניות לבין בני אדם היא דבר שלא ניתן לחשוב עליו ללא יכולת יעילה של עיבוד תמונות. התובנה המתקבלת מסימולטור הטיסה לזבובים מגדילה את הידע של חוקרים ממגוון דיסציפלינות – ומציעה גישה שתהיה פשוטה מספיק כדי שניתן יהיה לנייד אותה ממקום אחד לאחר, מהחרקים לרובוטים.

להודעה של החוקרים

לצפיה בתוכנית באתר רשות השידור