Jaring Laba-Laba Menginspirasi Robotika Lembut – Dalam robotika lunak, bio-inspirasi berkisar dari yang sulit hingga perangkat lunak. Laba-laba web Orb memberikan contoh yang sangat baik untuk keduanya. Sensor yang diadaptasi pada kaki mereka dapat menggunakan komputasi morfologi untuk menyempurnakan loop umpan balik yang mengawasi penanganan dan penempatan benang sutra yang akurat.
Jaring Laba-Laba Menginspirasi Robotika Lembut
mechanicalspider – Jaring laba-laba mewujudkan aturan keputusan dari perilaku kompleks yang bergantung pada navigasi dan piloting yang ditetapkan dalam sutra dengan memetakan aturan perilaku yang diwariskan. Studi analitis laba-laba nyata memungkinkan pemodelan aturan konstruksi pencarian jalur yang dioptimalkan dalam algoritme evolusi.
Baca Juga : Mengintegrasikan Robot Pintar ke Dalam Masyarakat
Kami mengusulkan bahwa dekonstruksi laba-laba dan penguraian jaring dapat menyebabkan robot yang dapat beradaptasi mampu menemukan dan membangun struktur baru yang kompleks menggunakan aturan praktis yang relatif sederhana.
Laba-laba pembuat jaring seperti laba-laba orb Araneus diadematus (biasa disebut laba-laba persilangan kebun) menghadapi tantangan yang menarik, begitu pula laba-laba model yang diilhami biologis seperti, dalam kasus kami, laba-laba cyber Theseus . Di hampir semua laba-laba web, sumber input dasar adalah haptic dan bergantung pada sentuhan dan getaran.
Selain itu, hewan juga menggunakan informasi posisi (kinestetik) dari setiap kaki yang disediakan oleh organ sensorik internal (proprioseptif) dalam kombinasi dengan tumpukan memori di jalur yang telah dilalui yang memungkinkan integrasi jalur idiot.
Dalam A. diadematus, seperti kebanyakan laba-laba orb lainnya yang masih memiliki semua kaki, kedua pasang kaki depan mendeteksi keberadaan benang dan mengukur jarak sementara pemintal meletakkan dan menempelkan sutra dibantu oleh sepasang kaki keempat dengan pasangan ketiga memegang penyangga benang.
Jaringan virtual laba-laba dunia maya kami, Theseus , adalah jaringan dua dimensi dari ‘segmen’ kaku yang terhubung dengan yang lain di ‘persimpangan’. Theseusmerangkak dari satu titik lampiran ke yang berikutnya dengan bangunan web yang dibagi menjadi serangkaian siklus masing-masing terdiri dari perayapan di sepanjang utas yang ada (navigasi) dan lampiran atau penghapusan utas (konstruksi). Selama setiap siklus, persimpangan baru ditambahkan untuk menghubungkan segmen baru ke pendahulunya.
Geometri web lokal dan posisi web global merupakan faktor penempatan titik lampiran; informasi ini laba-laba harus merasakan sendiri. Geometri jaring lokal ditemukan, misalnya, selama konstruksi spiral tangkap, dengan posisi radial (mengarah ke hub) dan spiral bantu serta jarak ke belokan sebelumnya dari spiral tangkap. Posisi web global diberikan oleh arah gravitasi (vertikal), meskipun web nyata dan simulasi dapat dibangun dalam gravitasi nol dengan fitur yang agak lebih simetris.
Di sini, kami membahas dua versi Theseus yang sedikit berbeda yang didedikasikan untuk dua pertanyaan berbeda. Berfokus pada perilaku, kami menggunakan Theseus AD (AD yang memanggil A. diadematus ) yang memungkinkan kami mempelajari dan menguji secara detail aturan yang digunakan oleh Araneus asli untuk memposisikan spiral tangkapan termasuk penggunaan kaki beregenerasi yang lebih pendek, yang menyelidiki pentingnya dari pengukuran panjang.
Untuk mengeksplorasi efek seleksi dan adaptasi pada konstruksi web, kami menggunakan Theseus EVO dengan EVO berarti evolusi. Ini memungkinkan kami untuk mengeksplorasi konsep pengkodean aturan pembuatan web ke dalam algoritme genetika untuk menguji respons terhadap tekanan seleksi pada parameter dan struktur web secara keseluruhan. Detail aturan dan pengoptimalan aturan akan menjadi sangat penting dalam upaya apa pun untuk membangun robot laba-laba yang benar-benar terinspirasi oleh bio.
Adaptasi dalam sistem kontrol pembuatan web
Untungnya untuk penyelidikan ke dalam algoritma perilaku laba-laba, beberapa laba-laba pembuat web mampu meregenerasi kaki yang hilang yang juga berfungsi penuh pada penggunaan pertama. Tidak semua laba-laba web melakukan ini, tetapi sebaliknya secara aktif menekan regenerasi, yang memberi tahu kita sesuatu tentang persyaratan sensor dan motorik serta getaran tangan yang diperlukan untuk mengontrol dan mengawasi gerakan halus dan penanganan yang terkait dengan pembuatan web.
Pada A. diadematus , kaki yang diregenerasi jauh lebih pendek dan lebih keras daripada yang mereka gantikan namun sudah berfungsi penuh beberapa jam setelah muncul dari prekursor sejauh ini tidak aktif di bawah tunggul pinggul dari kaki lama yang dibuang. Yang penting, tidak hanya kaki ini secara keseluruhan berbentuk berbeda dari rekan-rekan mereka yang tidak beregenerasi tetapi organ sensorik utama, lyriforms, pada kaki ini juga memiliki morfologi yang berbeda.
Modifikasi pada organ lyraform agak sulit karena pada organ yang sangat geometris ini bentuk fisik dipetakan langsung ke output sinyal, menunjukkan bahwa penyetelan evolusi detail anatomi mungkin melibatkan komputasi morfologi melalui set filter yang cocok. Singkatnya, tidak masuk akal untuk berasumsi bahwa di sini kita memiliki contoh sistem kontrol yang sangat disesuaikan: sensor yang disetel memodifikasi informasi, yang memungkinkan prosesor pusat (otak hewan) untuk menjalankan program pengontrol normalnya untuk menginstruksikan aktuator.
Kekokohan kemudahan penggunaan akan menunjukkan bahwa pencocokan umpan balik dari sinyal masuk dan keluar juga dilakukan oleh sensor yang disesuaikan. Apapun mekanismenya,Laba-laba Araneus dengan kaki yang beregenerasi tidak hanya dapat membangun jaring yang sangat fungsional tetapi juga mengoperasikannya dengan sangat baik.
Perbandingan jaring alami dengan jaring virtual yang dibangun oleh laba-laba cyber Theseus memungkinkan kami untuk menyelidiki dan menguji kemungkinan algoritme web dan detail aturan keputusan yang disematkan pada penempatan utas. Dalam kedua kasus, posisi sambungan serat menentukan posisi sambungan berikutnya dan dengan demikian secara berurutan mengatur munculnya jaringan serat dan medan tegangan, yang pada gilirannya mempengaruhi (dan bahkan mungkin menentukan) geometri keseluruhan dari badan akhir.
Bangunan web laba-laba dikodekan sebagai seperangkat aturan keputusan
Dalam evolusi, beberapa sifat berubah lebih cepat dari yang lain dengan beberapa ciri menjadi lebih bervariasi dan dengan demikian dapat beradaptasi daripada yang lain . Perilaku adalah outlier di antara sifat-sifat yang paling diwariskan, dalam hal itu menunjukkan fleksibilitas yang luar biasa dalam ekspresinya. Laba-laba jaring memberikan contoh yang luar biasa untuk sifat ini karena di sini perilaku sekilas dibekukan dalam waktu dan dicatat dalam struktur yang dapat diukur dan diselidiki dengan sangat rinci.
Dalam istilah teknologi, laba-laba beroperasi sebagai robot otonom (tanpa GPS dan pengawasan pengontrol) yang mengandalkan sistem panduan internal yang didukung oleh umpan balik dari lingkungan yang dibangun sendiri dengan sifat yang muncul. Serangkaian aturan atau pola perilaku sederhana memunculkan interaksi lokal berulang dengan lingkungan yang dimodifikasi dan digunakan sebagai umpan balik untuk orientasi lokal.
Jelas, laba-laba dan jaringnya memberikan contoh luar biasa untuk mempelajari sejumlah konsep penting bagi robotika. Di satu sisi, ada perilaku itu sendiri, yaitu susunan yang tepat dari aturan keputusan yang digunakan hewan untuk membangun jaringnya serta evolusi aturan pencarian jalur yang digunakan untuk mengarahkan pada struktur yang muncul.
Di sisi lain, ada pertanyaan apakah mengungkap perilaku semacam ini mungkin berguna untuk wawasan dalam merancang robot yang kuat untuk beroperasi di lingkungan yang menantang dan kekurangan informasi. Di sini, kami mencatat bahwa mengenai kesadaran spasial, laba-laba nyata tampaknya beroperasi dalam domain yang berpusat pada diri sendiri, yaitu mengemudikan dan menavigasi dalam sistem koordinasi yang bersifat polar daripada Cartesian, yang akan menarik untuk transfer teknologi ke dalam aplikasi teknis tertentu seperti mobil self-driving.
Analisis pembuatan web Araneus
Laba- laba persilangan kebun A. diadematus siap menyesuaikan arsitektur web bolanya dengan kondisi lingkungan dengan banyak faktor yang mempengaruhi konstruksi web dan akibatnya struktur web. Jadi, meskipun perilaku bangunan mengikuti skema umum yang tetap, jelas memiliki cakupan yang luas untuk adaptasi lokal khusus.
Sebagai sebuah proses, perilaku pembuatan web melibatkan orientasi (pengujian landmark dan navigasi vektor) dalam ruang tiga dimensi yang dikombinasikan dengan penempatan sub-milimeter dan manipulasi benang sutra berukuran mikro. Aturan orientasi memandu jalan hewan, sementara aturan manipulasi menentukan titik di mana utas terhubung.
Untuk mengungkap algoritma bangunan, regenerasi kaki yang hilang memungkinkan analisis rinci kaki tertentu sebagai alat pengukur. Ternyata, selama konstruksi jaring, Araneus menggunakan sepasang kaki pertamanya untuk mengukur jarak tertentu, seperti jarak sambungan pada radial dalam spiral penangkap. Sebaliknya, dimensi geometris berubah ketika sudut (bukan jarak) diukur dengan kaki yang diregenerasi lebih pendek selama penanganan dan penempatan ulir dan sambungan.
Meskipun dalam jaring yang sudah jadi kita hanya melihat benang dan sambungan, studi rinci tentang semua pola perilaku yang terlibat dalam pembuatan web memungkinkan kita untuk menyimpulkan dari posisi sambungan tidak hanya jalur tetapi juga aturan penempatan. Prosesnya terdiri dari urutan pola perilaku yang mengandalkan pengukuran parameter geometris seperti jarak dan sudut, dan termasuk integrasi jalur dalam sistem panduan internal laba-laba menggunakan informasi spasial yang diperoleh baik secara lokal maupun global.
Eksperimen berulang pada genotipe berbeda memungkinkan kami membedah tindakan dan ekspresi aturan tersembunyi (aliran informasi) yang memandu dan mengontrol perilaku, yang menciptakan fenotipe web. Analisis terperinci dari gangguan eksperimental laba-laba bangunan, idealnya dari genotipe yang cukup berbeda, kemudian memungkinkan kami untuk menghubungkan tindakan aturan dengan parameter algoritme pembuatan web dan untuk menguji tautan hipotetis ini dalam model komputer kami spider Theseus .
Theseus pembuatan web laba-laba cyber dan evolusi web
Theseus adalah laba-laba virtual yang dimodelkan pada laba-laba taman umum A. diadematus . Otak Theseus terdiri dari pengontrol dengan aturan dan penerjemah. Setiap aturan membutuhkan kondisi dan merespon dengan tindakan. Simulasi pembuatan web terdiri dari urutan siklus aturan dimana interpreter menguji kondisi untuk semua aturan, memilih aturan yang memenuhi kondisi saat ini dan melakukan tindakan yang sesuai.
Yang penting, perubahan kecil pada set aturan memungkinkan studi efeknya di web, seperti simulasi efek obat yang terkenal dengan mengutak-atik interaksi antara parameter keputusan sudut dan jarak menjadi tidak stabil. Eksperimen yang dilakukan pada pembuatan web Araneus disimulasikan dengan Theseus yang memungkinkan kami menguji hipotesis tertentu dan menyelidiki cara isyarat lokal dan global dapat digunakan untuk mengeksplorasi peran faktor kinestetik dan idiotetik.
Theseus AD secara mengejutkan informatif selama simulasi dan pengujian berbagai aturan dan variabel keputusan pembuatan web. Versi varian laba-laba dunia maya, Theseus EVO, memungkinkan kami melangkah lebih jauh daripada menguji detail algoritme untuk konstruksi spiral pada laba-laba nyata. Theseus EVO memungkinkan kami untuk mempelajari proses evolusi melalui seperangkat aturan pembuatan web umum yang diekstraksi dari pengamatan semua tahap konstruksi web Araneus dimulai dengan utas bingkai dan diakhiri dengan spiral tangkapan.
Dalam pengaturan ini, aturan dipilih dalam urutan simulasi untuk memungkinkan perilaku dan dengan demikian web beradaptasi dalam ceruk ekologi virtual. Di sini, web cyber membawa sebagian biaya dari web nyata, khususnya biaya energik (yang berbeda) dari sutra untuk radial (tidak lengket) dan untuk spiral penangkapan (lengket) serta waktu yang dihabiskan untuk meletakkan. turun (yang sama) sutra itu untuk membuat jaring.
Sebagai imbalannya, jaring memberi laba-laba keuntungan yang diwujudkan dalam arena seleksi kami dari energi yang diberikan oleh ukuran mangsa dan dalam beberapa skenario juga posisi benturan di jaring, yang memengaruhi kemungkinan ditangkap oleh laba-laba. Interaksi kedua parameter ini menentukan keseimbangan biaya-manfaat.
Untuk memungkinkan Theseus EVO merespons lingkungannya, kami menggunakan pengaturan algoritma evolusioner (genetik) (EA atau GA), yaitu proses optimasi terkomputerisasi yang dimodelkan pada mekanisme seleksi alam. Pada dasarnya, prosedur optimasi EA didasarkan pada prinsip pengkodean parameter fungsi kebugaran (masalah optimasi) sedemikian rupa sehingga mereka berperilaku seperti gen dalam organisme, yaitu bahwa mereka bereplikasi, bermutasi, bergabung kembali dan tunduk pada seleksi.
Tujuan utama baik di Alam maupun di EA adalah agar setiap unit (hewan atau bot) mengumpulkan sumber daya untuk menghasilkan keturunan sebanyak mungkin. Ini harus dilakukan dalam persaingan dengan unit lain dengan tujuan yang sama, semua bertujuan untuk sumber daya yang kurang lebih sama pada waktu yang kurang lebih sama. Sebanding dengan tantangan apa pun, ada solusi yang lebih baik atau lebih buruk yang mengarah pada pembentukan konsep baru dalam populasi yang lebih luas atau pemberantasannya.
Evolusi alam cenderung agak kompleks, meskipun proses seleksi yang mendasarinya sederhana. Kebugaran individu, yang dapat ditentukan oleh jumlah keturunan yang bertahan hidup dan bereproduksi lebih lanjut, ditentukan oleh berbagai faktor. Diantaranya adalah variabel internal, seperti perilaku, anatomi dan fisiologi, serta variabel lingkungan seperti sumber daya (makanan, air, tempat tinggal), iklim, keberadaan predator, peluang berkembang biak, dll.
Dalam laba-laba orb seperti Araneus, kebugaran reproduksi sangat ditentukan oleh jumlah dan kualitas mangsa yang ditangkap laba-laba selama hidupnya. Semakin banyak mangsa yang ditangkap dan dimakan oleh betina, semakin besar ukuran dan beratnya sehingga memungkinkan pertahanan jaring yang lebih baik terhadap calon perampas kekuasaan dan juga, yang paling penting, meningkatkan jumlah telur yang akhirnya dapat ia letakkan.
Dengan demikian, kebugaran reproduksi tergantung pada seberapa baik jaring dibuat untuk menangkap mangsa. Yang penting, konstruksi jaring harus tidak hanya kompeten tetapi juga efisien karena, pertama, sutra adalah sumber daya yang mahal dan terbatas, dan kedua, pembuatan jaring harus cepat karena membuat laba-laba terlihat dari pemangsa dan tidak menjebak mangsa apa pun. kecuali jika sudah selesai dan berfungsi.
Evolusi jaring laba-laba adalah proses yang panjang dan berbelit-belit seperti yang ditunjukkan oleh penelitian dan diskusi hangat tentang filogeni laba-laba orb. Berapa banyak dan jenis mangsa apa yang terjerat dalam jaring dan dapat ditangkap oleh laba-laba sebagian ditentukan oleh penempatan jaring yang bijaksana di habitatnya dan kemudian secara kebetulan bertemu dengan serangga terbang atau melompat.
Kelimpahan, ukuran dan perilaku mangsa dapat bervariasi tergantung pada kondisi lingkungan setempat dan beberapa mangsa mungkin telah beradaptasi untuk menghindari jaring atau melarikan diri darinya. Model kami memungkinkan kami untuk mensimulasikan faktor lingkungan seperti itu dengan menyederhanakan proses evolusi sedemikian rupa sehingga kebugaran laba-laba virtual hanya bergantung pada keberhasilannya memperoleh mangsa, dengan sumber daya yang terbatas.
