Niedoścignione zmysły natury. Widzieć, słyszeć i czuć wszystko to co zwierzęta
Prace nad imitacją niezwykłych zmysłów nietoperzy to jeden z wielu przykładów biomimetycznych po-szukiwań dążących do odtworzenia za pomocą nauki i techniki zdolności sensorycznych żywych stworzeń, które nam ludziom są niedostępne. Niektórzy pró-bują nawet zrozumieć języki zwierząt i być może wy-korzystać do komunikacji z nimi.
W jednym z niedawnych wydań „Młodego Technika” opisywaliśmy prace wykorzystujące najnowsze zdobycze AI zmierzające do zrozumienia języka waleni i, kto wie, być może znalezieniem sposobu na efektywną wymianę zdań ze zwierzętami. Obecnie najbardziej znanym tego typu projektem jest CETI, którym kieruje Gašper Beguš, lingwista na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. CETI to skrót od Cetacean Translation Initiative (inicjatywa na rzecz tłumaczenia języka waleni). Projekt ma trzy stacje nasłuchowe, każda z nich to kabel zanurzony głęboko w wodzie zwisający z boi na powierzchni. A na nim kilkadziesiąt podwodnych mikrofonów rejestruje dźwięki wielorybów. Z powietrza nagrywają dźwięki drony. Cały system wspomagają pod wodą miękkie, podobne do ryb roboty. Przyssawki zamontowane na wielorybach rejestrują jeszcze więcej danych. Wszystko to karmi algorytmy przetwarzające sztucznej inteligencji.
Zespół Project CETI nie jest jedyną grupą, która zwraca się do sztucznej inteligencji o pomoc w rozszyfrowaniu mowy zwierząt. Naukowcy wyszkolili modele AI do sortowania dźwięków piesków preriowych, delfinów, nagich kretoszczurów i wielu innych stworzeń. Na długo przed pojawieniem się sztucznej inteligencji, naukowcy i inni pracowali nad zrozumieniem komunikacji między zwierzętami. Niektórzy dowiedzieli się, że koczkodany mają różne nawoływania, gdy ostrzegają przed lampartami, orłami lub pytonami. Inni odkryli, że słonie komunikują się dźwiękami zbyt niskimi, by mogły je usłyszeć ludzkie uszy, zaś nietoperze - zbyt wysokimi dla naszego słuchu.
System koziego ostrzegania
Zwierzętom często przypisuje się „superzmysły”, które pozwalają wyczuć zagrożenia, których my w ogóle nie dostrzegamy. W 2004 r. podczas wielkiego tsunami, które spowodowało zniszczenia i ofiary na całym Oceanie Indyjskim, zauważono, że nasze systemy ostrzegania zawiodły. Czy natura mogłaby nam w takich przypadkach pomóc? Zauważono, że na długo przed uderzeniem tsunami zwierzęta wydają się świadome niebezpieczeństwa. Naoczni świadkowie poprzednich katastrof opisywali panikę krów i kóz pędzących w kierunku wyżej położonego terenu na długo przed nadejściem fali, stada ptaków opuszczających drzewa nad oceanem. Historia pełna jest relacji o zwierzętach zachowujących się dziwnie przed klęskami żywiołowymi.
W dniach poprzedzających trzęsienie ziemi w północnochińskim mieście Haicheng, zimą 1975 roku, koty i zwierzęta gospodarskie zaczęły zachowywać się nietypowo. Węże wyszły z podziemnych kryjówek, ze swojej zimowej hibernacji, by zamarzać na śmierć tysiącami. Niedawno cała populacja ropuch, które zebrały się nad jeziorem San Ruffino we Włoszech, masowo opuściła wodę, przerywając rytuał godowy. Pięć dni później okolicę nawiedziło potężne trzęsienie ziemi. W innych czasach i miejscach szczury pojawiały się na ulicach w świetle dziennym, ptaki śpiewały o nietypowej porze dnia, konie wpadały w szał, a koty przenosiły mioty swoich kociąt w inne miejsce.
Czy technologia może się na tym opierać, wykorzystując wrażliwość niektórych zwierząt na sygnały zbliżającego się niebezpieczeństwa? Martin Wikelski, dyrektor Instytutu Zachowania Zwierząt Maxa Plancka w Konstancji, wierzy, że tak. W trakcie swojej kariery opracował wyrafinowany system, który śledzi przemieszczanie się różnych gatunków na całym świecie. Każde zwierzę nosi czujnik, który przekazuje szczegółowe informacje, w tym prędkość, przyspieszenie, aktywność i lokalizację. Informacje te są zbierane przez zaawansowane anteny na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i przekazywane z powrotem na Ziemię. Głównym celem projektu nazwanego Icarus jest badanie migracji zwierząt i interakcji zwierząt ze środowiskiem, co ma pomagać w ich ochronie. Jednak bogactwo i jakość informacji pozwalają na wykorzystanie zachowania zwierząt jako systemu wczesnego ostrzegania przed klęskami żywiołowymi lub, aby nadać mu nazwę DAMN, od angielskiego terminu Disaster Alert Mediation using Nature.
Kilka lat temu Wikelski i jego koledzy udali się na Sycylię na zbocza wulkanu Etna. Na zboczach wulkanu pasą się kozy. Część z nich została wyposażona w elektroniczne znaczniki, co pozwoliło badaczom monitorować ich zachowanie z daleka (1). Śledząc zachowanie kóz w okresie poprzedzającym erupcję, zidentyfikowano wyraźną reakcję około sześciu godzin wcześniej, kiedy stały się one niezwykle aktywne. Gdyby udało się rozpoznać wszystkie parametry zachowania kóz, system alarmowy zasilany przez kozy mógłby zostać zautomatyzowany, uruchamiając alarm za każdym razem, gdy określone aspekty zachowania zwierząt przekroczą wartość progową. W ciągu następnych dwóch lat eksperymentów zwierzęta z powodzeniem „przewidziały” prawie trzydzieści wybuchów wulkanu.
Świat zwierzęcych zmysłów poza naszymi zdolnościami
Zmysły ludzkie nie są tak ubogie, jak często się uważa. Choć pod względem czułości w osobnych porównaniach wypadają gorzej niż zdolności zwierząt, jednak te ostatnie zwykle nie mają tak szerokiego wachlarza sensorycznego jak my. Każdy z naszych zmysłów może nie jest „super”, ale jest całkiem niezły, a w połączeniu z innymi na dobrym poziomie daje to nam całkiem przyzwoitą sensoryczną moc. Mamy dobry zmysł wzroku. Mamy również silny zmysł słuchu, który obejmuje zakres od 20 do 20 000 herców. Nasz zmysł węchu w zupełności wystarcza do wykrywania niebezpieczeństw, takich jak pożary czy zepsuta żywność. Zwierzęta jednak często posiadają imponujące zmysły, których ludzie nie mają w ogóle, w żadnym stopniu.
Należy do nich zdolność do echolokacji, występująca u niektórych zwierząt. Pozwala im lokalizować obiekty za pomocą fal dźwiękowych. Echolokacja jest również czasami nazywana sonarem biologicznym, ponieważ lokalizuje obiekty za pomocą odbitego dźwięku w postaci fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Służy do znajdowania zdobyczy, unikania drapieżników i przeszkód oraz do interakcji społecznych.
Do zwierząt wykorzystujących echolokację należą nietoperze, delfiny, wieloryby, niektóre ryjówki i myszy. Chociaż zasięg echolokacji nietoperzy wynosi mniej niż ok. 10 m, jest ona bardzo skuteczna w nawigacji w pełnym przeszkód i wyzwań środowisku. Delfiny mają znacznie większy zasięg echolokacji, który przekracza sto metrów. Jako niezwykle dokładny zmysł, zwierzęta mogą zidentyfikować obiekt z dokładnością do kilku centymetrów. Delfiny potrafią nawet określić różnicę między piłeczką pingpongową a golfową, na podstawie gęstości.
Z kolei zmysł elektrorecepcji pozwala niektórym zwierzętom wykrywać pola elektrostatyczne w celu polowania w warunkach, w których poleganie na wzroku nie jest praktyczne. Aktywność nerwów i mięśni wytwarza pola elektryczne, które pozwalają innym zwierzętom zlokalizować zdobycz w warunkach, w których nie mogą polegać na wzroku. Elektrorecepcja występuje głównie u zwierząt amfibiotycznych lub wodnych, ponieważ woda jest lepszym przewodnikiem elektryczności niż powietrze. Zdolne do niej są m. in. rekiny, delfiny, płaszczki i niektóre ryby kostne. Ze zwierząt lądowych elektrorecepcją posługują się dziobaki (2), karaluchy i pszczoły, które potrafią wykrywać pole elektromagnetyczne otaczające kwiaty.
Zakres podczerwieni widma elektromagnetycznego został po raz pierwszy opisany w XIX w. przez niemieckiego astronoma Williama Herschela. Jest zdolnością niektórych zwierząt do postrzegania światła w zakresie podczerwonym widma elektromagnetycznego. Niewidoczne dla ludzkiego oka, może być odczuwane przez niektóre zwierzęta jako ciepło. Nasza wiedza mówi nam, że jest to zmysł dostępny jedynie zwierzętom zmiennocieplnym (np. gadom), gdyż stałocieplne uwalniają ciepło, co uniemożliwia detekcję promieniowania w podczerwieni. Oprócz węży, ale tylko niektórych, do zwierząt widzących w podczerwieni należą komary, pluskwy, złote rybki, łososie, żaby bycze.
Niektóre zwierzęta potrafią wykorzystywać magnetorecepcję do nawigacji i innych celów. Magnetorecepcja to zjawisko biologiczne, w którym niektóre zwierzęta mogą wykrywać i wykorzystywać pole magnetyczne Ziemi do orientacji i nawigacji. Jest jak wbudowany GPS. Zwierzęta dysponujące zdolnościami do magnetorecepcji to m.in. rude lisy, krowy, jelenie, motyle, muszki owocowe, niektóre ptaki, homary i żółwie morskie. Naukowcy uważają, że lisy mogą „widzieć” pole magnetyczne Ziemi. Pojawia się to jako plama w ich polu widzenia. Używają magnetorecepcji, aby złapać zdobycz ukrytą pod śniegiem lub trawą, ustawiając swoje podejście zgodnie z liniami pola magnetycznego Ziemi. Obserwacja stad krów lub jeleni wykazuje, że (prawie zawsze) są one zwrócone w tę samą stronę, w kierunku biegunów magnetycznych Ziemi. Niezależnie od tego, czy chodzi o wypas, czy odpoczynek, jest to ustawienie magnetyczne północ–południe. Eksperci uważają, że pomaga to zwierzętom w mapowaniu otoczenia. W przypadku motyla monarchy, muszki owocowej, gołębia, homara i żółwia morskiego pomaga im to w nawigacji podczas długich migracji. Jedną z teorii wyjaśniających te zdolności jest symbiotyczny związek między bakteriami magnetotaktycznymi (układającymi się wzdłuż linii pola magnetycznego Ziemi) a zwierzętami, w których żyją.
Widzenie w świetle spolaryzowanym umożliwia niektórym zwierzętom wykrywanie ukrytych wzorów i uzyskiwanie przewagi w zadaniach takich jak polowanie, nawigacja i komunikacja. Gdy ludzie potrzebują okularów przeciwsłonecznych, aby blokować oślepiające błyski świetlne, fotoreceptory niektórych zwierząt potrafią to w sposób naturalny. Światło to odbija się od wody, liści, szkła i innych błyszczących powierzchni. Zwierzęta wykorzystują spolaryzowane widzenie do lokalizowania źródeł pożywienia, komunikowania się z innymi zwierzętami, nawigacji i wykrywania kamuflażu. Zwierzęta, które widzą lub wykrywają światło spolaryzowane, to m.in. pszczoły miodne, mrówki, świerszcze, głowonogi, nietoperz mysikrólik, krewetka, modliszka i niektóre ryby.
Fale świetlne o najmniejszej długości, jakie odbierają receptory naszego oka, to światło fioletowe. Za tym zakresem widma zaczyna się promieniowanie ultrafioletowe, którego ludzie nie widzą. Widzi je natomiast bardzo wiele owadów, ryb, gadów i ptaków. Doskonale w ultrafiolecie widzą np. pszczoły, ale dzieje się to kosztem zdolności postrzegania w zakresach dłuższych fal, np. czerwieni. Nie chodzi tylko, zakresy fal świetlnych, ale również o skąpe ilości światła, przy którym nasze oko nie widzi właściwie nic, a nocne zwierzęta świetnie sobie radzą. Niektóre, jak np. gekony, co wykazały badania szwedzkich uczonych z uniwersytetu w Lund sprzed kilku lat, widzą w nocy nawet kolory.
Zdolność odbierania tego zakresu spektrum o długości fali poniżej 400 nanometrów zdarza się i u ludzi, którzy z jakiegoś powodu nie mają zdrowych soczewek w oku, ponieważ to one odfiltrowują UV. Może to przydarzyć się chorym na kataraktę po operacji, gdy nie mają już filtra UV. Ten zakres promieniowania widział, jak się sądzi, znany francuski malarz Claude Monet, który miał w wieku 82 lat operację katarakty a potem namalował słynny cykl „Lilie wodne” (6).
Jednak, podobnie jak ma to miejsce w naszym sprzęcie fotograficznym, 350× większa czułość na kolory idzie w parze z dużą ziarnistością obrazu, zarówno w nocy jak i w dzień. Kolory w nocy widzą także inne gatunki, np. motyle nocne z rodziny zawisakowatych i inne owady poszukujące w nocy kwiatów i być może inne gatunki, u których zdolności tej jeszcze nie wykryliśmy.
Oczy dookoła głowy
Skoro wiemy, że natura ma tak wiele sposobów na przekroczenie ograniczeń charakterystycznych dla ludzkiego oka, to możemy za pomocą technologii biomimetycznych spróbować odtworzyć znane z przyrody mechanizmy wejrzenia w to, co niewidzialne. Na przykład chrząszcz ciemnik czarny jest zdolny do detekcji promieniowania podczerwonego w zakresie długości fal od 3 do 10…25 mikronów. Służą do tego wyspecjalizowane proteiny w organach zwanych sensilla. Proteiny takie nie utrzymują się poza systemem biologicznym, ale naukowcy ze stanowego uniwersytetu w Ohio w USA zainspirowani tym mechanizmem stworzyli mikroprzewody z fosforku cynku zdolne do przewodzenia sygnałów w zakresie podczerwieni. Laboratorium badawczo-rozwojowe Toyoty pracowało z kolei nad kamerami wykorzystującymi do ulepszonego nocnego obrazowania mechanizmy nocnego widzenia, rozpoznane u innych owadów - żuków gnojowych. Zamierzeniem firmy samochodowej jest opracowanie systemu lepszego widzenia drogi przez kierowcę w warunkach nocnych. Jeśli udałoby się odtworzyć mechanizmy widzenia kolorów w nocy, znane u innych zwierząt, to obraz taki mógłby być jeszcze lepszej jakości.
Konstruktorzy aparatu o nazwie FlyVIZ chcieliby dać człowiekowi zdolności kameleona. Ich konstrukcja to połączenie kasku i systemu wizyjnego; pozwala widzieć 360 stopni dookoła nas, bez odwracania się, czyli tak jak jaszczurka, o której mowa. Dzieje się tak dzięki kamerze umieszczonej na czubku głowy, a właściwie kaskowi. Urządzenie podobne do tych, których używają fotografowie np. Google’a do robienia panoramicznych zdjęć, przekazuje obraz do umieszczonych przed oczami właściciela kasku wyświetlaczy LCD. Konstruktorzy uważają, że wynalazek może przydać się żołnierzom, policjantom, strażakom i podobnym służbom. 360-stopniowe widzenie konstruują również Japończycy z Technologicznego Instytutu Tohoku w Sendai. Zespół pod wodzą Fumio Mizuno wzoruje się na układzie widzenia kameleona. Dwie niezależnie poruszające się kamery dają nienakładające się na siebie obrazy, dając pojęcie, jak widzi świat jaszczurka. Jest to w pewnym sensie wspomaganie zmysłów.
Znane są prototypy soczewek kontaktowych, umożliwiających widzenie w zakresie podczerwieni. O zbudowaniu z grafenu supercienkiego detektora pracującego w pełnym zakresie podczerwieni informowała już wiele lat temu oficjalna strona amerykańskiego Uniwersytetu Michigan. Według profesora Zhaohui Zhonga z wydziału elektryczno-inżynieryjnego tej uczelni, zbudowany przez jego zespół detektor z powodzeniem może zostać zintegrowany ze szkłami kontaktowymi lub wbudowany do smartfona. Detekcja fal w ich technologii odbywa się nie na zasadzie pomiaru liczby wzbudzonych elektronów, lecz na pomiarze wpływu naładowanych w elektronów w grafenowej warstwie na sąsiadujący obwód elektryczny, również w powłoce grafenowej.
Grupa naukowców i inżynierów pod wodzą Josepha Forda z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i Erica Tremblaya z Instytutu Mikroinżynierii w Lozannie w Szwajcarii opracowała z kolei szkła kontaktowe z filtrem polaryzacyjnym, podobnych do noszonych w kinach 3D, pozwalające widzieć z prawie 3-krotnym powiększeniem. Wynalazek, którego głównym atutem jest niezwykle, jak na tak silną optykę, mała grubość soczewek (nieco ponad milimetr), zaprojektowany jest z myślą o osobach starszych z niedowidzeniem spowodowanym zmianami plamki żółtej w oku. Szkła wykonane są z polimetakrylanu metylu, materiału stosowanego w starszych typach kontaktów.
Japońska firma Komamura, specjalizująca się w urządzeniach noktowizyjnych, zaproponowała kamerę Falcon Eye KC-2000, która, według opisu, potrafi rejestrować barwny obraz o jakości HD w warunkach nocnych. Japończycy z Komamury porównują wyniki zapisu obrazu z obrazem z kamery Canon FS-100. Dodatkowo nocny obraz z KC-2000 jest barwny. Prawdziwym wyostrzaniem widzenia są techniki, które, aby „zobaczyć” coś w ciemności, nie potrzebują więcej niż foton na piksel. Tak działa technika opracowana przez Ahmeda Kirmani z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i opisana w „Science”. Urządzenie, które opracował wraz ze swoim zespołem wysyła w ciemnościach laserowy impuls o niewielkiej mocy, który, po odbiciu od obiektu, zapisuje w detektorze pojedynczy piksel. Sama zasada działania nie jest nowa. Nowością jest wykorzystany przez Kirmaniego i kolegów wyrafinowany algorytm, który sprawia, że do tworzenia obrazu potrzeba wielokrotnie mniejszej liczby fotonów. Jak się wylicza, potrzebuje jednej setnej tego, co potrzebne jest obecnie używanym detektorom światła w trudnych warunkach, np. w technice LIDAR.
Jednak trudno nazywać nasze noktowizory, termowizory, detektory w zakresie ultrafioletu, sonary i wiele innego sprzętu pozwalającego nam na lepsze widzenie w normalnie niedostępnych dla nas zakresach, rozwiązaniami o charakterze biomimetycznym. Dają nam wprawdzie zdolności znane wcześniej tylko zwierzętom, np. kotom, wężom, owadom czy nietoperzom, jednak w dokładnym sensie tego słowa nie naśladują mechanizmów naturalnych. Są tworem nauki człowieka i jego pomysłowości, a percepcja zwierząt była co najwyżej inspiracją dla człowieka, który „też tak chciał”. Zresztą coraz częściej nie chodzi nam o wspomaganie zmysłów człowieka. Amerykańska agencja DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) od dawna bada zdolności nawigacyjne i lokomocyjne niektórych gatunków owadów w celu zbudowania i wyposażenia w lepsze zmysły kolejnych generacji robotów.
Niektórzy w dążeniach do naśladowania natury idą dalej i proponują mutacje genetyczne, które dadzą nam np. oczy jak u kota i pszczoły jednocześnie plus uszy nietoperza i węch psa. Proceder zabawy genami nie wydaje się jednak do końca sprawdzony i bezpieczny. Budzi też różnego rodzaju lęki, np. dotyczące zachowania naszej tożsamości jako istot ludzkich. Na razie chyba wolimy pozostać przy technicznych gadżetach, pozwalających dostrzec więcej.
Mirosław Usidus
