WikiEdge:BioRxiv-2023.07.31.551380

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  • 標題：Octopus arm search strategies over complex surfaces
  • 中文標題：章魚臂在複雜表面上的搜索策略
  • 發佈日期：2023-08-01
  • 作者：Sivitilli, D. M.; Zulch, A.; Gire, D. H.
  • 分類：animal behavior and cognition
  • 原文連結：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.07.31.551380

摘要：儘管章魚的觸手極度靈活，可能的配置幾乎無窮無盡，但章魚在進行各種行為時，包括行走、覓食、挖掘、探索和操縱，都能有效地控制其觸手。如果適當地描述，章魚的生物力學特性和控制策略可以應用於具有相同能力範圍的軟機械人肢體的開發中。在沒有視覺反饋的操作中，章魚必須依賴其吸盤內的複雜化學觸覺感覺系統，而在這些條件下，吸盤的招募在搜索行為中起着突出的作用，使觸手適應環境中的表面特徵。然而，章魚如何利用這種機制在其自然棲息地的複雜和曲折的表面上搜索，尚不清楚。在這裏，我們研究章魚尋找隱藏在任務空間的多個小開口中的獎勵的策略，以及它如何使用多個觸手搜索這個任務空間的三個平行版本。我們發現，當觸手遇到表面上的多個開口時，它會執行從遠端到近端的搜索模式，從觸手能夠觸及的最遠的開口開始，然後逐漸向近端移動，優先連續搜索每個開口。這種策略使章魚能夠利用其高度靈活的肢體在複雜的表面上進行詳盡的搜索模式。

問題與動機

作者的研究問題包括：

  • 章魚在沒有視覺反饋的情況下，如何利用其觸手在複雜表面上進行搜索？
  • 章魚使用哪些策略來搜索隱藏在多個小開口中的獎勵？
  • 章魚如何使用多個觸手並行搜索三個並行的任務空間？
  • 章魚的觸手在遇到多個開口時，如何決定搜索的順序？
  • 章魚的觸手在搜索過程中表現出的獨立性如何？

背景介紹

這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

  1. 章魚臂的靈活性及其控制策略：
    • 章魚的臂具有極高的靈活性，可以在任何方向上彎曲，為它們提供了幾乎無限的可能性。
    • 章魚有效地控制其臂進行各種行為，包括運動、覓食、挖掘、探索和操縱。
    • 章魚的生物力學特性和控制策略可以用於開發具有相同能力範圍的軟機械人臂。
  2. 章魚的觸覺感覺系統和吸盤行為：
    • 章魚在沒有視覺反饋的情況下，必須依賴其吸盤內的複雜化學觸覺感覺系統。
    • 吸盤的招募在搜索行為中起着重要作用，導致臂部適應環境中的表面特徵。
    • 章魚如何在其自然棲息地的複雜和曲折的表面上使用這種機制進行搜索尚不清楚。
  3. 章魚臂的獨立性和自主性：
    • 章魚的臂表現出高度的獨立性，似乎在並行執行單獨的運動模式。
    • 儘管多臂行為和協調已經受到一些研究的關注，但很少有研究將臂部隔離在單獨的任務空間中以防止臂部互動和視覺遮擋。
    • 研究者旨在識別章魚在複雜任務空間中使用的搜索模式，以及它如何使用多臂同時搜索三個並行版本的任務空間。

綜上所述，這篇文獻的背景強調了章魚臂的靈活性、感覺系統以及獨立性在行為控制中的重要性，以及這些特性如何影響其在複雜環境中的搜索策略。

章節摘要

這篇論文是關於章魚臂在複雜表面上搜索策略的研究，論文的主要內容可以概括如下：

  1. 摘要：研究了章魚在沒有視覺反饋的情況下，如何依靠其吸盤內的複雜化學觸覺感官系統，在自然棲息地的複雜和曲折的表面上進行搜索。研究了章魚使用多個手臂在任務空間中搜索隱藏獎勵的策略。
  2. 引言：介紹了章魚臂的機械和行為靈活性，以及它們在章魚行為中的多樣性。討論了章魚臂的生物力學和控制策略如何啟發軟體機械人的發展。
  3. 方法：
    • 實驗對象**：包括四隻雄性太平洋紅章魚和一隻雌性巨型太平洋章魚。
    • 實驗設計**：使用FreeCAD設計的3D打印任務空間，訓練章魚通過頂部的食物進入任務空間。
    • 數據收集**：使用CMOS相機記錄實驗過程，並通過Python程序分析視頻。
    • 行為指標**：包括臂的大小、達到的距離、臂的彎曲度、表面貼合度和單元格佔用情況。
  4. 結果：
    • 搜索模式**：章魚臂在遇到多個開口時，採取遠端到近端的搜索模式。
    • 單元格佔用**：章魚臂傾向於按順序搜索每個開口。
    • 臂的獨立性**：在並行搜索時，臂的大小呈負相關，而臂的達到、彎曲和表面貼合度在並行和單獨搜索時沒有顯著差異。
  5. 討論：提出了章魚臂在複雜表面上搜索的策略，包括優先探索最遠端的開口，然後通過局部吸盤招募使臂部進入開口。討論了這種策略如何使章魚能夠在複雜表面上進行徹底的搜索。
  6. 致謝：感謝動物護理和收集方面的幫助，以及資金支持。
  7. 資金信息：感謝Ocean Memory Project和華盛頓大學心理學系的支持。

研究方法

這篇論文通過實驗研究了章魚在沒有視覺反饋的情況下如何使用其手臂搜索隱藏在複雜表面上的獎勵。以下是該研究方法論的主要組成部分：

  1. 實驗設計：
    • 設計了一個包含多個小開口的實驗裝置，這些開口通向更小的子區域，以模擬章魚的自然棲息地。
    • 實驗裝置被設計為三個並行的任務空間，以研究章魚如何使用多個手臂同時搜索。
    • 實驗過程中，章魚的視線被遮擋，迫使它們依賴觸覺反饋而不是視覺線索。
  2. 實驗對象：
  3. 訓練和實驗過程：
    • 通過在實驗裝置頂部放置食物，訓練章魚將手臂伸入裝置。
    • 訓練完成後，實驗裝置內部被替換為實驗任務空間，並開始實驗。
    • 給予章魚一定的時間在任務空間內搜索，並記錄它們的搜索行為。
  4. 數據收集和分析：
    • 使用高速攝像機記錄章魚手臂的運動，並使用自動化的Python程序進行視頻分析。
    • 通過背景減除和任務單元分割來追蹤手臂的運動。
    • 使用多種指標來描述搜索模式，包括手臂大小、手臂伸展距離、手臂彎曲度、表面貼合度和單元格佔用情況。
  5. 統計分析：
    • 利用時間滯後交叉相關分析來研究手臂伸展、手臂彎曲、表面貼合和單元格佔用之間的同步性。
    • 通過轉移概率圖來描述手臂在單元格之間的轉移概率。
    • 使用皮爾遜相關係數來評估同時在不同任務空間中搜索的手臂之間的獨立性。
    • 使用Kolmogorov-Smirnov檢驗來比較不同手臂搜索模式的分佈。
  6. 結果解釋：
    • 通過分析，揭示了章魚手臂在遇到多個開口時採用的從遠端到近端的搜索模式。
    • 發現章魚手臂在搜索過程中表現出高度的靈活性和獨立性。
    • 提出了章魚可能採用的搜索機制，即通過觸覺反饋優先處理最遠端的開口，然後逐步向近端搜索。

這篇論文的方法論分析結果表明，章魚能夠有效地控制其手臂，在沒有視覺反饋的情況下，通過觸覺反饋進行複雜的搜索任務。

研究結論

根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：

  1. 章魚臂搜索策略：章魚在沒有視覺反饋的情況下，依靠其觸手的複雜化學觸覺系統進行搜索，表現出一種從遠端到近端的搜索模式，優先搜索最遠的開口，然後逐步向近端進行。
  2. 章魚臂的獨立性：儘管章魚的多臂行為表現出一定程度的獨立性，但當它們在搜索過程中同時使用多個觸手時，這些觸手在大小、伸展、彎曲和表面貼合方面並不比單獨搜索時表現出更顯著的相關性或不相關性。
  3. 章魚臂的靈活性和控制策略：章魚的臂部表現出極高的靈活性，其控制策略可能為開發具有相同能力範圍的軟機械人肢體提供啟示。
  4. 章魚臂的搜索行為：在複雜和曲折的表面搜索隱藏的獎勵時，章魚的臂部表現出一種策略，即通過觸手的招募和遠端抑制來執行徹底的搜索模式。
  5. 章魚臂的表面貼合機制：章魚的臂部在搜索過程中會根據觸手的化學觸覺反饋調整其形狀，以適應環境表面的特徵。
  6. 章魚臂的探索-利用平衡：章魚在搜索過程中可能會在探索未知區域和利用已知信息之間做出權衡，即使在有吸引性化學線索指示食物存在的情況下，也可能選擇執行完整的搜索模式。

這些結論為理解章魚臂的搜索行為和控制策略提供了重要的見解，並且指出了章魚如何適應其自然環境中的複雜表面進行有效搜索。

術語表

這篇文章的術語表如下：

  • 章魚（Octopus）：一種海洋軟體動物，以其高度靈活的手臂和多樣的行為而聞名，包括運動、覓食、探索、挖掘和操縱。
  • 軟機械人（Soft Robotics）：一種利用柔性材料和設計原理來模仿自然界生物的機械人技術。
  • 生物力學（Biomechanics）：研究生物體運動和力的科學，包括肌肉、骨骼和神經系統如何協同工作以產生運動。
  • 控制策略（Control Strategies）：生物體或機械人用來指導其運動和行為的內在機制。
  • 觸覺感受器（Chemotactile Sensory System）：一種感覺系統，能夠通過化學物質的變化來檢測和定位刺激源。
  • 吸盤（Suckers）：章魚手臂上的結構，用於吸附和探索環境。
  • 神經索（Nerve Cord）：在章魚手臂中延伸的神經結構，協調行為和處理感覺信息。
  • 運動路徑（Motor Pathways）：神經系統中負責特定運動的神經通路。
  • 自主性（Autonomy）：指章魚手臂在沒有大腦直接控制的情況下執行行為的能力。
  • 行為記錄（Behavioral Recording）：通過實驗觀察和記錄生物體的行為模式。
  • 三維打印（3D Printing）：一種製造技術，通過逐層添加材料來創建三維物體。
  • CMOS 相機（CMOS Camera）：一種使用互補金屬氧化物半導體傳感器的數字相機，常用於高速成像。
  • 背景減除（Background Subtraction）：一種圖像處理技術，用於從視頻幀中分離出移動對象。
  • 細胞佔據（Cell Occupancy）：在實驗中，指章魚手臂佔據特定空間單元的情況。
  • 皮爾遜相關係數（Pearson Correlation Coefficient）：一種統計度量，用於評估兩個變量之間的線性相關程度。
  • 表面一致性（Surface Conformation）：章魚手臂與任務空間表面形狀的匹配程度。
  • 行為程序（Behavioral Program）：指導生物體行為的一系列預設指令或規則。
  • 抑制信號（Inhibitory Signal）：一種神經信號，用於減少或阻止特定區域的活動。
  • 招募（Recruitment）：在章魚手臂中，指吸盤對刺激的響應並引發鄰近吸盤也朝向刺激源移動的過程。
  • 探索-利用平衡（Exploration-Exploitation Balance）：在決策過程中，探索新的可能性與利用已知信息之間的權衡。
  • 自由度（Degrees of Freedom）：在運動學中，指描述一個系統可能運動狀態的獨立變量的數量。
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