[논문 리뷰] Dancing Honey bee Robot Elicits Dance-Following and Recruits Foragers

Tim Landgraf, David Bierbach외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 19.

Insect and Arachnid Ecology and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 1인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 생체모방 꿀벌 로봇인 RoboBee를 제시하며, 정밀한 운동, 진동 및 시각적 자극을 통해 춤을 모방함으로써 살아있는 수색 벌에서 자연스러운 춤 따라하기 행동을 유도한다. 춤을 따라한 벌들은 이후 춤을 통해 얻은 방향 정보를 바탕으로 정확하게 먹이원으로 향하는 것을 확인한 바, 조화파장 레이더 추적을 통해 입증되었는데, 이는 로봇 춤사위가 벌을 성공적으로 모집한 최초의 사례이다.

ABSTRACT

The honey bee dance communication system is one of the most popular examples of animal communication. Forager bees communicate the flight vector towards food, water, or resin sources to nestmates by performing a stereotypical motion pattern on the comb surface in the darkness of the hive. Bees that actively follow the circles of the dancer, so called dance-followers, may decode the message and fly according to the indicated vector that refers to the sun compass and their visual odometer. We investigated the dance communication system with a honeybee robot that reproduced the waggle dance pattern for a flight vector chosen by the experimenter. The dancing robot, called RoboBee, generated multiple cues contained in the biological dance pattern and elicited natural dance-following behavior in live bees. By tracking the flight trajectory of departing bees after following the dancing robot via harmonic radar we confirmed that bees used information obtained from the robotic dance to adjust their flight path. This is the first report on successful dance following and subsequent flight performance of bees recruited by a biomimetic robot.

연구 동기 및 목표

• 생체모방 로봇이 꿀벌에서 자연스러운 춤 따라하기 행동을 유도할 수 있는지 조사하기.
• 벌이 로봇의 움직임 춤으로부터 방향성 및 거리 정보를 해독할 수 있는지 확인하기.
• 자연적 춤과 비교하여 로봇 춤사위가 수색 벌을 모집하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기.
• 춤 따라하기 행동을 유도하고 지시하기 위해 움직임 춤에서 필수적인 자극은 무엇인지 특정하기.
• 실험 신경과학에 적합한 표준화되고 반복 가능한 춤 소통 기능을 갖춘 로봇 플랫폼 개발하기.

제안 방법

• 생체모방 로봇(RoboBee)을 설계하여 수평면에 부착된 수직 꿀벌 둥지 표면에서 춤의 운동, 진동 및 시각적 자극을 재현하였다.
• 특정 비행 방향을 코드화하기 위해 변동 가능한 지속시간과 방향을 가진 정밀한 움직임 춤을 생성하였다.
• 고속 비디오를 사용하여 하우스 내 상호작용을 기록하여 춤 따라하기 행동과 궤적 패턴을 분석하였다.
• 조화파장 레이더를 사용하여 로봇의 춤을 따라한 벌의 비행 경로를 추적하였다.
• 벌에 전자표식을 부착하고 둥지 외부로 나온 후의 비행 궤적을 기록하였다.
• 운동 역학과 경로 통합의 측면에서 자연적 춤 따라하기 행동과 비교하여 행동 반응을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생체모방 로봇이 자연적 춤과 유사한 방식으로 살아있는 꿀벌에서 춤 따라하기 행동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 벌이 로봇의 움직임 춤으로부터 방향성 및 거리 정보를 어느 정도 해독하는가?
• RQ3 로봇에 의해 모집된 벌의 비행 궤적은 자연적 춤사위를 따라한 벌과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 움직임 춤에서 충족되어야 할 필수 자극은 무엇인가?
• RQ5 왜 자연적 춤사위보다 로봇에 따라하는 충족 벌의 수가 적은가?

주요 결과

• Rob오Bee는 살아있는 꿀벌에서 춤 따라하기 행동을 성공적으로 유도하였으며, 따라하는 벌들은 움직임 춤의 움직임과 복귀 단계를 운동 역학이 자연적 춤 따라하기와 유사하게 추적하였다.
• 로봇의 춤을 따라한 벌들은 자연적 춤과 유사한 일관된 평균 운동 궤적을 보였으며, 이는 춤 신호를 정확히 해독하고 있음을 시사한다.
• 로봇의 춤을 따라한 4只의 벌이 조화파장 레이더로 추적되었으며, 모든 비행 궤적은 로봇이 제공한 방향 정보를 이용해 수색 비행을 유도하고 있음을 나타냈다.
• 한 벌은 로봇의 충동 31회를 따라 31번의 움직임 춤을 한 후 바로 로봇이 지시한 위치로 직접 비행했으며, 다른 벌은 47회의 움직임 춤을 따라 방향을 정확히 향한 후 30도 떨어진 이전에 알고 있던 먹이원으로 방향을 바꾸었다.
• 로봇의 춤을 따라하지 않은 대조군 벌들은 이전에 경험한 먹이원으로 바로 비행했으며, 이는 로봇의 방향 정보가 해독되었을 경우 효과가 있음을 확인한다.
• 성공적인 모집에도 불구하고, 13일 중 8일 동안만 춤 따라하기 행동이 관찰되어, 로봇이 따라하는 벌을 끌어들이는 데 있어 여전히 최적의 매력도를 갖추지 못하고 있음을 시사한다. 이는 열 또는 화학적 자극이 누락되어 있을 가능성이 있다.