Schopnost některých druhů hmyzu pohybovat se rovně ve složitém terénu fascinuje vědce už desítky let. Teď se skupina evropských expertů pokusila přenést toto poznání do praxe.
Oficiálně se jmenují vrubouni, v Egyptě se jim říká skarabové, v tuzemsku hovniválové. Kromě toho, že vynikají ve vytváření velmi pravidelných kuliček z exkrementů, jsou tito brouci také mistry geometrie v jiném ohledu: Pohybují se po nesmírně rovných přímkách. Evropští vědci teď tuto „superschopnost“ studují, aby pochopili, jak světelné znečištění škodí přírodě – a také zvažují, jak vše využít v robotice.
Vrubouni si vytvořili díky evoluci sofistikovaný navigační systém, díky kterému si snadno udrží přímý směr. A to i v podmínkách, v nichž i zkušený lidský cestovatel snadno zabloudí a točí se pak v kruhu. Přitom mají mozek menší než zrnko rýže, upozorňuje odborný časopis Horizon Europe. Jak to tito zástupci hmyzí říše dělají?
Než se vydají na cestu se svým smrdutým „pokladem“, do něhož později samička naklade larvy, nejprve si „naskenují“ oblohu nad sebou. Tento snímek si uloží do paměti a podle něj pak určují svou trasu. „V obdobích silné konkurence se na jednom místě s trusem můžou shromáždit až tisíce brouků,“ uvedla bioložka Marie Dackeová, která se specializuje na smyslové vnímání na Lundské univerzitě ve Švédsku. „Díky tomu, že se pohybují naprosto rovně, mohou každým krokem maximalizovat vzdálenost mezi sebou, ostatními brouky a hnojištěm,“ nastínila.
Kromě toho, že tato pozoruhodná schopnost prohlubuje naše porozumění chování zvířat, mohla by také inspirovat vývoj efektivnějších navigačních systémů pro autonomní roboty, drony, bezpilotní automobily a technologie působící v náročných prostředích, tvrdí vědkyně. Vrubouny zkoumala v rámci evropského projektu UltimateCOMPASS šest let.
Stálá aktivita a rozmanitá prostředí
Jednou z výhod studia vrubounů podle ní je, že jsou aktivní jak ve dne, tak v noci a žijí v rozmanitých prostředích – od hustých lesů až po pouště a savany. V každých podmínkách přitom může mít výhody jiný způsob orientace. Už déle se ví, že různé druhy hmyzu k orientaci využívají různé podněty, jako jsou poloha Slunce, Měsíce, hvězd a Mléčné dráhy, stejně jako směr větru.
Švédští badatelé s brouky experimentovali v terénu i v laboratoři; pomocí zrcadel manipulovali s polohou slunce a pomocí ventilátorů simulovali směr a rychlost větru, čímž izolovali vliv jednotlivých orientačních podnětů.
Experimenty ukázaly, že brouci dynamicky měnili míru, do jaké se v různých časech spoléhali na vítr a slunce. Zdálo se, že využívají oba podněty současně místo toho, aby mezi nimi přepínali. Čím výše na obloze bylo slunce, tím více se brouci spoléhali na vítr, což naznačuje, že v závislosti na měnících se podmínkách upravují relativní význam jednotlivých podnětů.
Nečekaně přizpůsobivý hmyz
Lidé mají tendenci schopnosti hmyzu vzhledem k jeho velikosti podceňovat. Jenže chování vrubounů ukazuje, že umí reagovat z okamžiku na okamžik podle toho, jak se zrovna mění prostředí. „Způsob, jakým tak rychle přizpůsobují celý svůj orientační systém okolnímu světu, skrývá tajemství toho, proč se dokážou orientovat ve dne i v noci a za různých úhlů výšky slunce nad obzorem,“ vysvětluje Dackeová.
Její tým také zjistil, že v noci brouci využívají vzorce polarizovaného světla kolem Měsíce. Jejich oči totiž obsahují receptory citlivé na zelené vlnové délky, které jsou dostupné v měsíčním světle.
Entomologové studovali i brouky, kteří opakovaně cestovali mezi hromadou hnoje a svou podzemní norou. Dokázali pomocí drobných elektrod zmapovat, jak vnitřní kompas vrubounů funguje. A toho pak využila druhá skupina vědců, která se na projektu UltimateCOMPASS podílí, tedy experti na biorobotiku pod vedením Barbary Webbová z Edinburghu. Ty zajímalo, jak se dají tyto poznatky aplikovat právě v robotice a také v alternativních navigačních a kompasových systémech.
„Hmyz dokáže některé věci, které robotům moc nejdou,“ přiznala Webbová. „Pokud pochopíme, jak to svedou, možná se nám podaří přijít s účinnými řešeními pro robotiku,“ míní. Její tým využil výše získané informace k návrhu miniaturního neuronového obvodu pro robota, který je založený právě na mozku skarabů. Pak testovali, jestli tento robot dokáže napodobit pohyby hmyzu při vystavení slunečnímu záření a větru různé intenzity, výšky a směru. Robot se choval v zásadě stejně, přiblížila výsledky vědkyně.
„Hmyz řeší navigační problémy pomocí drobných neuronových sítí,“ vysvětlila Webbová. „To ukazuje, že tyto úkony lze provádět mimořádně efektivním způsobem s velmi nízkou spotřebou energie,“ doplnila s tím, že poznatky o hmyzu by se daly uplatnit v kompasových systémech inspirovaných přírodou, které slouží jako záloha v případě selhání GPS – a to i pro činnosti v oblastech, jako je zemědělství.
„Ráda bych viděla malé, jednoduché a efektivní roboty pro různé kontexty,“ prohlásila Webbová. „Jednou z oblastí použití je precizní zemědělství, kde by například pomáhaly aplikovat pesticidy pouze na ty části pole, kde jsou potřeba – namísto postřikování celé plochy.“
Světelné znečištění škodí
Kromě robotiky poskytl projekt UltimateCOMPASS vědců i důležité poznatky o tom, jak světelné znečištění hmyz ovlivňuje. Umělé světlo totiž narušovalo schopnost brouků využívat přirozené signály na obloze, což ovlivňovalo jejich schopnost normálně se orientovat a přitahovalo je k umělým světelným zdrojům. To vedlo ke zvýšené konkurenci mezi nimi a snížilo jejich schopnost rozptýlit se a vyhýbat se sobě navzájem.
„Díky pochopení toho, jak světelné znečištění ovlivňuje orientaci živočichů, můžeme poskytnout informace lidem, kteří navrhují osvětlení ve městech, aby se dopad na zvířata snížil,“ doplnila Dackeová.