WikiEdge:BioRxiv-2023.07.31.551380

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  • 标题：Octopus arm search strategies over complex surfaces
  • 中文标题：章鱼臂在复杂表面上的搜索策略
  • 发布日期：2023-08-01
  • 作者：Sivitilli, D. M.; Zulch, A.; Gire, D. H.
  • 分类：animal behavior and cognition
  • 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.07.31.551380

摘要：尽管章鱼的触手极度灵活，可能的配置几乎无穷无尽，但章鱼在进行各种行为时，包括行走、觅食、挖掘、探索和操纵，都能有效地控制其触手。如果适当地描述，章鱼的生物力学特性和控制策略可以应用于具有相同能力范围的软机器人肢体的开发中。在没有视觉反馈的操作中，章鱼必须依赖其吸盘内的复杂化学触觉感觉系统，而在这些条件下，吸盘的招募在搜索行为中起着突出的作用，使触手适应环境中的表面特征。然而，章鱼如何利用这种机制在其自然栖息地的复杂和曲折的表面上搜索，尚不清楚。在这里，我们研究章鱼寻找隐藏在任务空间的多个小开口中的奖励的策略，以及它如何使用多个触手搜索这个任务空间的三个平行版本。我们发现，当触手遇到表面上的多个开口时，它会执行从远端到近端的搜索模式，从触手能够触及的最远的开口开始，然后逐渐向近端移动，优先连续搜索每个开口。这种策略使章鱼能够利用其高度灵活的肢体在复杂的表面上进行详尽的搜索模式。

问题与动机

作者的研究问题包括：

  • 章鱼在没有视觉反馈的情况下，如何利用其触手在复杂表面上进行搜索？
  • 章鱼使用哪些策略来搜索隐藏在多个小开口中的奖励？
  • 章鱼如何使用多个触手并行搜索三个并行的任务空间？
  • 章鱼的触手在遇到多个开口时，如何决定搜索的顺序？
  • 章鱼的触手在搜索过程中表现出的独立性如何？

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

  1. 章鱼臂的灵活性及其控制策略：
    • 章鱼的臂具有极高的灵活性，可以在任何方向上弯曲，为它们提供了几乎无限的可能性。
    • 章鱼有效地控制其臂进行各种行为，包括运动、觅食、挖掘、探索和操纵。
    • 章鱼的生物力学特性和控制策略可以用于开发具有相同能力范围的软机器人臂。
  2. 章鱼的触觉感觉系统和吸盘行为：
    • 章鱼在没有视觉反馈的情况下，必须依赖其吸盘内的复杂化学触觉感觉系统。
    • 吸盘的招募在搜索行为中起着重要作用，导致臂部适应环境中的表面特征。
    • 章鱼如何在其自然栖息地的复杂和曲折的表面上使用这种机制进行搜索尚不清楚。
  3. 章鱼臂的独立性和自主性：
    • 章鱼的臂表现出高度的独立性，似乎在并行执行单独的运动模式。
    • 尽管多臂行为和协调已经受到一些研究的关注，但很少有研究将臂部隔离在单独的任务空间中以防止臂部互动和视觉遮挡。
    • 研究者旨在识别章鱼在复杂任务空间中使用的搜索模式，以及它如何使用多臂同时搜索三个并行版本的任务空间。

综上所述，这篇文献的背景强调了章鱼臂的灵活性、感觉系统以及独立性在行为控制中的重要性，以及这些特性如何影响其在复杂环境中的搜索策略。

章节摘要

这篇论文是关于章鱼臂在复杂表面上搜索策略的研究，论文的主要内容可以概括如下：

  1. 摘要：研究了章鱼在没有视觉反馈的情况下，如何依靠其吸盘内的复杂化学触觉感官系统，在自然栖息地的复杂和曲折的表面上进行搜索。研究了章鱼使用多个手臂在任务空间中搜索隐藏奖励的策略。
  2. 引言：介绍了章鱼臂的机械和行为灵活性，以及它们在章鱼行为中的多样性。讨论了章鱼臂的生物力学和控制策略如何启发软体机器人的发展。
  3. 方法：
    • 实验对象**：包括四只雄性太平洋红章鱼和一只雌性巨型太平洋章鱼。
    • 实验设计**：使用FreeCAD设计的3D打印任务空间，训练章鱼通过顶部的食物进入任务空间。
    • 数据收集**：使用CMOS相机记录实验过程，并通过Python程序分析视频。
    • 行为指标**：包括臂的大小、达到的距离、臂的弯曲度、表面贴合度和单元格占用情况。
  4. 结果：
    • 搜索模式**：章鱼臂在遇到多个开口时，采取远端到近端的搜索模式。
    • 单元格占用**：章鱼臂倾向于按顺序搜索每个开口。
    • 臂的独立性**：在并行搜索时，臂的大小呈负相关，而臂的达到、弯曲和表面贴合度在并行和单独搜索时没有显著差异。
  5. 讨论：提出了章鱼臂在复杂表面上搜索的策略，包括优先探索最远端的开口，然后通过局部吸盘招募使臂部进入开口。讨论了这种策略如何使章鱼能够在复杂表面上进行彻底的搜索。
  6. 致谢：感谢动物护理和收集方面的帮助，以及资金支持。
  7. 资金信息：感谢Ocean Memory Project和华盛顿大学心理学系的支持。

研究方法

这篇论文通过实验研究了章鱼在没有视觉反馈的情况下如何使用其手臂搜索隐藏在复杂表面上的奖励。以下是该研究方法论的主要组成部分：

  1. 实验设计：
    • 设计了一个包含多个小开口的实验装置，这些开口通向更小的子区域，以模拟章鱼的自然栖息地。
    • 实验装置被设计为三个并行的任务空间，以研究章鱼如何使用多个手臂同时搜索。
    • 实验过程中，章鱼的视线被遮挡，迫使它们依赖触觉反馈而不是视觉线索。
  2. 实验对象：
  3. 训练和实验过程：
    • 通过在实验装置顶部放置食物，训练章鱼将手臂伸入装置。
    • 训练完成后，实验装置内部被替换为实验任务空间，并开始实验。
    • 给予章鱼一定的时间在任务空间内搜索，并记录它们的搜索行为。
  4. 数据收集和分析：
    • 使用高速摄像机记录章鱼手臂的运动，并使用自动化的Python程序进行视频分析。
    • 通过背景减除和任务单元分割来追踪手臂的运动。
    • 使用多种指标来描述搜索模式，包括手臂大小、手臂伸展距离、手臂弯曲度、表面贴合度和单元格占用情况。
  5. 统计分析：
    • 利用时间滞后交叉相关分析来研究手臂伸展、手臂弯曲、表面贴合和单元格占用之间的同步性。
    • 通过转移概率图来描述手臂在单元格之间的转移概率。
    • 使用皮尔逊相关系数来评估同时在不同任务空间中搜索的手臂之间的独立性。
    • 使用Kolmogorov-Smirnov检验来比较不同手臂搜索模式的分布。
  6. 结果解释：
    • 通过分析，揭示了章鱼手臂在遇到多个开口时采用的从远端到近端的搜索模式。
    • 发现章鱼手臂在搜索过程中表现出高度的灵活性和独立性。
    • 提出了章鱼可能采用的搜索机制，即通过触觉反馈优先处理最远端的开口，然后逐步向近端搜索。

这篇论文的方法论分析结果表明，章鱼能够有效地控制其手臂，在没有视觉反馈的情况下，通过触觉反馈进行复杂的搜索任务。

研究结论

根据提供的文献内容，这篇论文的主要结论可以概括如下：

  1. 章鱼臂搜索策略：章鱼在没有视觉反馈的情况下，依靠其触手的复杂化学触觉系统进行搜索，表现出一种从远端到近端的搜索模式，优先搜索最远的开口，然后逐步向近端进行。
  2. 章鱼臂的独立性：尽管章鱼的多臂行为表现出一定程度的独立性，但当它们在搜索过程中同时使用多个触手时，这些触手在大小、伸展、弯曲和表面贴合方面并不比单独搜索时表现出更显著的相关性或不相关性。
  3. 章鱼臂的灵活性和控制策略：章鱼的臂部表现出极高的灵活性，其控制策略可能为开发具有相同能力范围的软机器人肢体提供启示。
  4. 章鱼臂的搜索行为：在复杂和曲折的表面搜索隐藏的奖励时，章鱼的臂部表现出一种策略，即通过触手的招募和远端抑制来执行彻底的搜索模式。
  5. 章鱼臂的表面贴合机制：章鱼的臂部在搜索过程中会根据触手的化学触觉反馈调整其形状，以适应环境表面的特征。
  6. 章鱼臂的探索-利用平衡：章鱼在搜索过程中可能会在探索未知区域和利用已知信息之间做出权衡，即使在有吸引性化学线索指示食物存在的情况下，也可能选择执行完整的搜索模式。

这些结论为理解章鱼臂的搜索行为和控制策略提供了重要的见解，并且指出了章鱼如何适应其自然环境中的复杂表面进行有效搜索。

术语表

这篇文章的术语表如下：

  • 章鱼（Octopus）：一种海洋软体动物，以其高度灵活的手臂和多样的行为而闻名，包括运动、觅食、探索、挖掘和操纵。
  • 软机器人（Soft Robotics）：一种利用柔性材料和设计原理来模仿自然界生物的机器人技术。
  • 生物力学（Biomechanics）：研究生物体运动和力的科学，包括肌肉、骨骼和神经系统如何协同工作以产生运动。
  • 控制策略（Control Strategies）：生物体或机器人用来指导其运动和行为的内在机制。
  • 触觉感受器（Chemotactile Sensory System）：一种感觉系统，能够通过化学物质的变化来检测和定位刺激源。
  • 吸盘（Suckers）：章鱼手臂上的结构，用于吸附和探索环境。
  • 神经索（Nerve Cord）：在章鱼手臂中延伸的神经结构，协调行为和处理感觉信息。
  • 运动路径（Motor Pathways）：神经系统中负责特定运动的神经通路。
  • 自主性（Autonomy）：指章鱼手臂在没有大脑直接控制的情况下执行行为的能力。
  • 行为记录（Behavioral Recording）：通过实验观察和记录生物体的行为模式。
  • 三维打印（3D Printing）：一种制造技术，通过逐层添加材料来创建三维物体。
  • CMOS 相机（CMOS Camera）：一种使用互补金属氧化物半导体传感器的数字相机，常用于高速成像。
  • 背景减除（Background Subtraction）：一种图像处理技术，用于从视频帧中分离出移动对象。
  • 细胞占据（Cell Occupancy）：在实验中，指章鱼手臂占据特定空间单元的情况。
  • 皮尔逊相关系数（Pearson Correlation Coefficient）：一种统计度量，用于评估两个变量之间的线性相关程度。
  • 表面一致性（Surface Conformation）：章鱼手臂与任务空间表面形状的匹配程度。
  • 行为程序（Behavioral Program）：指导生物体行为的一系列预设指令或规则。
  • 抑制信号（Inhibitory Signal）：一种神经信号，用于减少或阻止特定区域的活动。
  • 招募（Recruitment）：在章鱼手臂中，指吸盘对刺激的响应并引发邻近吸盘也朝向刺激源移动的过程。
  • 探索-利用平衡（Exploration-Exploitation Balance）：在决策过程中，探索新的可能性与利用已知信息之间的权衡。
  • 自由度（Degrees of Freedom）：在运动学中，指描述一个系统可能运动状态的独立变量的数量。
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