Shoaling with Fish: Using Miniature Robotic Agents to Close the Interaction Loop with Groups of Zebrafish Danio rerio

حیوانات رباتیک امروزه برای انواع مختلفی از تحقیقات، مانند رباتیک الهام گرفته از زیستی، بیومیمتیک و مطالعات رفتار حیوانات توسعه یافته اند. به طور خاص، در مورد تحقیقات رفتار جمعی حیوانات، دستگاه رباتیک می‌تواند با تولید و بهره‌برداری از سیگنال‌های مربوط به رفتار اجتماعی با حیوانات تعامل کند. این روبات‌ها زمانی که توسط جامعه حیوانات به‌عنوان یکسان تلقی شوند، می‌توانند به ابزارهای قدرتمندی برای مطالعه رفتارهای حیوانات تبدیل شوند، زیرا می‌توانند در عین حال تغییرات رفتار را زیر نظر بگیرند و بر انتخاب‌های جمعی جامعه حیوانات تأثیر بگذارند.

در این کتاب، ما ابزارهای رباتیک جدیدی را ارائه می کنیم که می توانند دسته ماهی ها را به منظور مطالعه رفتارهای جمعی آنها ادغام کنند. ما از وضعیت فعلی هنر در رفتار اجتماعی گورخرماهی برای تعریف مشخصات روبات‌ها استفاده کردیم و برای بهبود پیشرفت‌های آن‌ها تحلیل محرک‌ها را انجام دادیم. کنترل‌کننده‌های الهام‌گرفته از زیست‌شناسی بر اساس داده‌های استخراج‌شده از آزمایش‌های گورخرماهی برای ربات‌ها طراحی شدند تا حرکت گورخرماهی را در زیر آب تقلید کنند.

آزمایش‌هایی که شامل گروه‌های مختلط ماهی و روبات‌ها بود، سیستم رباتیک را واجد شرایط دانست. در میان یک دسته گورخرماهی ادغام شود و بتواند بر تصمیمات جمعی ماهی تأثیر بگذارد. این نتایج برای زمینه مطالعات تعامل حیوان و ربات بسیار امیدوارکننده است، زیرا ما تأثیر روبات‌ها را در آزمایش‌های طولانی مدت و به طور مکرر با همان ترتیب پاسخ از حیوانات نشان دادیم.

Robotic animals are nowadays developed for various types of research, such as bio-inspired robotics, biomimetics and animal behavior studies. More specifically, in the case of collective animal behavior research, the robotic device can interact with animals by generating and exploiting signals relevant for social behavior. Once perceived by the animal society as conspecific, these robots can become powerful tools to study the animal behaviors, as they can at the same time monitor the changes in behavior and influence the collective choices of the animal society.

In this book, we present novel robotized tools that can integrate shoals of fish in order to study their collective behaviors. We used the current state of the art on the zebrafish social behavior to define the specifications of the robots, and we performed stimuli analysis to improve their developments. Bio-inspired controllers were designed based on data extracted from experiments with zebrafish for the robots to mimic the zebrafish locomotion underwater.

Experiments involving mixed groups of fish and robots qualified the robotic system to be integrated among a zebrafish shoal and to be able to influence the collective decisions of the fish. These results are very promising for the field of animal-robot interaction studies, as we showed the effect of the robots in long-duration experiments and repetitively, with the same order of response from the animals.