Les robots pourraient apprendre de la façon dont les écureuils évaluent leur capacité à sauter et à atterrir avec succès –

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  • Vidéos d’écureuils sautant de branches sinueuses à travers des espaces incroyablement grands, se garant sur les murs, se démenant pour se remettre d’atterrissages difficiles.

    Juste plus de contenu YouTube documentant les singeries folles des écureuils déterminés à atteindre des cacahuètes ?

    Non, ces vidéos font partie d’une étude de recherche visant à comprendre les décisions que les écureuils prennent en une fraction de seconde lorsqu’ils courent à travers la canopée des arbres, sautant de branche en branche, en utilisant des compétences perfectionnées pour échapper aux prédateurs mortels.

    La récompense pour comprendre comment les écureuils apprennent les limites de leur agilité pourrait être des robots avec un meilleur contrôle pour se déplacer avec agilité à travers des paysages variés, tels que les décombres d’un bâtiment effondré à la recherche de survivants ou pour accéder rapidement à une menace environnementale.

    Des biologistes comme Robert Full de l’Université de Californie à Berkeley, ont montré au cours des dernières décennies comment les animaux comme les geckos, les cafards et les écureuils se déplacent physiquement et comment leur corps et leurs membres les aident dans des situations délicates – qui ont tous été appliqués à la fabrication de des robots plus agiles. Mais maintenant, ils s’attaquent à un problème plus difficile : comment les animaux décident-ils de sauter ou non ? Comment évaluent-ils leurs capacités biomécaniques pour savoir s’ils peuvent tenir l’atterrissage ?

    “Je vois cela comme la prochaine frontière : comment les décisions de mouvement sont-elles façonnées par notre corps ? Cela est rendu beaucoup plus difficile, car vous devez également évaluer votre environnement”, a déclaré Full, professeur de biologie intégrative. “C’est une question fondamentale de biologie. Heureusement, nous pouvons maintenant comprendre comment incarner le contrôle et expliquer l’innovation en créant des modèles physiques, comme les robots intelligents les plus agiles jamais construits.”

    Dans un article paru cette semaine dans le journal Science, Nathaniel Hunt, ancien doctorant de l’UC Berkeley, aujourd’hui professeur adjoint de biomécanique à l’Université du Nebraska, Omaha, rend compte de leurs expériences les plus récentes sur des écureuils en liberté, quantifiant comment ils apprennent à sauter depuis différents types de rampes de lancement – – certains bendy, d’autres non – en quelques tentatives, comment ils changent l’orientation de leur corps dans les airs en fonction de la qualité de leur lancement, et comment ils modifient leurs manœuvres d’atterrissage en temps réel, en fonction de la stabilité du perchoir final .

    “En tant qu’organisme modèle pour comprendre les limites biologiques de l’équilibre et de l’agilité, je dirais que les écureuils sont sans égal”, a déclaré Hunt. “Si nous essayons de comprendre comment les écureuils font cela, alors nous pouvons découvrir les principes généraux de la locomotion de haute performance dans la canopée et d’autres terrains complexes qui s’appliquent aux mouvements d’autres animaux et robots.”

    Les expériences ont été menées dans un bosquet d’eucalyptus sur le campus de l’UC Berkeley, où Hunt a attiré des écureuils renards qui parcourent le campus dans des situations sommaires où ils devaient décider s’ils devaient sauter pour une cacahuète ou la laisser partir.

    Hunt et Full ont découvert que, comme prévu, plus la branche d’où les écureuils doivent sauter est fragile ou souple, plus ils sont prudents. Mais il n’a fallu que quelques tentatives aux écureuils pour s’adapter à différentes conformités.

    “Lorsqu’ils franchissent un écart, ils décident où décoller en fonction d’un compromis entre la flexibilité de la branche et la taille de l’écart qu’ils doivent franchir”, a déclaré Hunt. “Et lorsqu’ils rencontrent une branche avec de nouvelles propriétés mécaniques, ils apprennent à ajuster leur mécanique de lancement en quelques sauts. Cette flexibilité comportementale qui s’adapte à la mécanique et à la géométrie des structures de saut et d’atterrissage est importante pour franchir avec précision un écart pour atterrir sur une petite cible.”

    Mais ils n’équilibrent pas la courbure de la branche de lancement et la distance de l’écart de manière égale. En fait, la conformité de la branche était six fois plus critique que la distance d’écart pour décider s’il fallait sauter.

    C’est peut-être parce que les écureuils savent que leurs griffes acérées les sauveront s’ils font des erreurs de calcul. Leurs griffes sont si infaillibles, a déclaré Hunt, qu’aucun des écureuils n’est jamais tombé, malgré des sauts bancals et des atterrissages par dessus ou par dessous.

    “Ils n’auront pas toujours leur meilleure performance – ils doivent juste être assez bons”, a-t-il déclaré. “Ils ont une redondance. Donc, s’ils manquent, ils n’atteignent pas leur centre de masse juste sur le perchoir d’atterrissage, ils sont incroyables de pouvoir s’y accrocher. Ils se balanceront en dessous, ils se balanceront au-dessus du haut. Ils ne tombent tout simplement pas. “

    C’est là que l’exploration et l’innovation entrent en jeu alors que les écureuils recherchent la meilleure stratégie de saut.

    “S’ils sautent dans les airs avec trop de vitesse ou trop peu de vitesse, ils peuvent utiliser une variété de manœuvres d’atterrissage pour compenser”, a déclaré Hunt. “S’ils sautent trop loin, ils roulent en avant autour de la branche. S’ils sautent court, ils atterriront avec leurs pattes avant et se balanceront en dessous avant de se hisser au sommet du perchoir. Cette combinaison de comportements de planification adaptative, d’apprentissage du contrôle et de réaction les manœuvres de stabilisation les aident à se déplacer rapidement dans les branches sans tomber.

    Une innovation insoupçonnée était que lors de sauts difficiles, les écureuils réorientaient souvent leur corps pour pousser une surface verticale, comme dans le parkour humain, pour ajuster leur vitesse et assurer un meilleur atterrissage. Le parkour est un sport dans lequel les gens sautent, sautent, se balancent ou utilisent d’autres mouvements pour franchir rapidement des obstacles sans utiliser d’équipement.

    Full et Hunt continuent d’explorer l’interaction entre les capacités biomécaniques et la cognition alors que les écureuils apprennent de nouvelles stratégies de saut d’écart.

    Les co-auteurs de l’article sont Judy Jinn, ancienne étudiante diplômée en psychologie de l’UC Berkeley et Lucia Jacobs, professeure de psychologie à l’UC Berkeley et experte en cognition animale. Full et Jacobs, qui exploitent une école d’écureuils à l’UC Berkeley, font partie d’un consortium multi-universitaire financé par l’Army Research Office (ARO) pour modéliser les processus cognitifs et décisionnels des écureuils afin de créer un jour le premier robot au monde doté de capacités d’écureuil. .

    Les travaux en cours ont été soutenus par l’ARO, la National Science Foundation et les National Institutes of Health.

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