Watervlug met een klein brein

Insecten navigeren efficiënter dan robots. Wetenschappers aan de Rijksuniversiteit Groningen onderzochten waarom.

Met een brein zo klein als een speldenknopje kunnen insecten toch goed navigeren. Ze ontwijken obstakels en piepen door kleine doorgangen. Hoe doen ze dat, met hun beperkte hersencapaciteit? Als we het insectenbrein begrijpen, kan dat ons helpen in de zoektocht naar energiezuinige computers. Natuurkundige Elisabetta Chicca van de Rijksuniversiteit Groningen laat dat zien met haar meest recente resultaat: een robotje dat zich gedraagt als een insect.

Zien en bewegen

Het is knap om met de beelden die via je ogen binnenkomen te bepalen wat je voeten of vleugels moeten doen. Cruciaal is de ogenschijnlijke beweging van stilstaande dingen terwijl je zelf beweegt. Precies zoals wanneer u in de trein zit. De bomen langs het spoor lijken snel te bewegen, en de huizen verderop langzaam. Insecten gebruiken deze informatie om hun afstand tot dingen te bepalen. Dat werkt vooral goed als je in een rechte lijn beweegt, maar de realiteit is niet zo eenvoudig.

Juist bochtige bewegingen zijn voor de kleine hersenen van insecten te complex. Ze maken de wereld behapbaar voor hun beperkte hersencapaciteit door hun gedrag aan te passen: ze vliegen in een rechte lijn, stellen hun koers bij, en vliegen dan weer in een rechte lijn. Chicca legt uit: "Wat we hiervan leren: wanneer je niet genoeg resources hebt, kun je het probleem versimpelen door je gedrag te veranderen."

Hersens op wielen

Op zoek naar het mechanisme achter het gedrag van een insect ontwikkelde promovendus Thorben Schoepe een model van de neurale activiteit van het beestje, en een klein robotje dat met dit model moest gaan navigeren. Dit deed hij onder begeleiding van Chicca en in een nauwe samenwerking met neurobioloog Martin Egelhaaf van Bielefeld University. Deze hielp om te ontrafelen welke rekenmethodes het insectenbrein daarvoor gebruikt.

Aan de basis van Schoepe’s model ligt een enkel principe: stuur altijd naar de plaats met de minste ogenschijnlijke beweging. Hij liet zijn robotje door een lange 'gang' (twee opstaande randen met willekeurige print erop) rijden. Het robotje bleek netjes in het midden van de gang te blijven, precies zoals insecten dat doen.

Ook in andere (virtuele) omgevingen, bijvoorbeeld een ruimte met obstakels of juist met smalle doorgangen, toonde Schoepe’s model soortgelijk gedrag als insecten. Het model is volgens Chicca zo goed dat je het één keer optuigt, en het daarna in allerlei omgevingen kan functioneren.

Vastleggen in plaats van leren

Dat een robotje in een realistische omgeving kan navigeren is niet nieuw. Dit model geeft vooral inzicht in hoe insecten dat doen, en hoe ze dat zo efficiënt doen. Chicca:"Robotica houdt zich doorgaans niet bezig met zuinige omgang met energie. Mensen leren nieuwe dingen als we opgroeien, en in robotica zie je dit terug in de huidige trend van machine learning. Maar insecten kunnen meteen vanaf hun geboorte vliegen. De efficiënte manier om dat te doen is als het ware ingebouwd in hun brein."

Op eenzelfde manier kun je ook computers zuinig met energie maken. Chicca's onderzoeksgroep produceerde al een chip met een oppervlak zo klein als een toets op een toetsenbord. In de toekomst hoopt ze ook dit insectengedrag in zo’n chip te kunnen vastleggen. "In plaats van een general purpose-computer met alle mogelijkheden die dat biedt, kun je ook specifieke hardware bouwen, een kleine chip, die het werk kan doen. Dan houd je het veel kleiner en energiezuiniger."

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: Marleen Annema