[论文解读] Dancing Honey bee Robot Elicits Dance-Following and Recruits Foragers

Tim Landgraf, David Bierbach+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Insect and Arachnid Ecology and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 1被引用 18

一句话总结

本研究提出RoboBee，一种仿生蜜蜂数码机器人，能够精确复制摇摆舞的运动、振动和视觉线索，成功引发活体工蜂的自然摇摆舞跟随行为。跟随该机器人的蜜蜂随后利用舞姿传递的方向信息，准确飞向食物源，该结果通过谐振雷达追踪得到证实——这是首次成功通过机器人舞者招募蜜蜂的案例。

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.

研究动机与目标

• 探究仿生机器人是否能引发活体蜜蜂数码舞跟随行为。
• 确定蜜蜂能否解码来自机器人摇摆舞的方向与距离信息。
• 评估机器人舞者在招募工蜂方面相较于自然舞姿的有效性。
• 识别摇摆舞中哪些线索对吸引并指导舞步跟随者至关重要。
• 开发一种可实现标准化、可重复舞姿交流的机器人平台，用于实验神经科学研究。

提出的方法

• 设计了一款仿生机器人（RoboBee），在垂直蜂巢板表面精确复现摇摆舞的运动、振动和视觉线索。
• 机器人生成具有可变持续时间与方向的精确摇摆步态，以编码特定飞行方向向量。
• 使用高速摄像机记录蜂巢内互动，分析舞步跟随行为与轨迹模式。
• 采用谐振雷达追踪跟随机器人舞姿的蜜蜂飞行路径。
• 蜜蜂佩戴应答器，其飞行轨迹在离巢后被记录。
• 行为反应与自然舞步跟随行为进行比较，包括运动动力学与路径整合表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 仿生机器人能否引发与自然舞姿相似的活体蜜蜂数码舞跟随行为？
• RQ2 蜜蜂在多大程度上能解码来自机器人摇摆舞的方向与距离信息？
• RQ3 由机器人招募的蜜蜂飞行轨迹与由活体舞者招募的蜜蜂相比有何异同？
• RQ4 摇摆舞中哪些线索对吸引并指导舞步跟随者至关重要？
• RQ5 为何机器人吸引的舞步跟随者数量少于自然舞者？

主要发现

• RoboBee成功引发活体蜜蜂数码舞跟随行为，跟随者能准确追踪摇摆与返回阶段，其运动动力学与自然舞步跟随行为高度相似。
• 跟随机器人舞姿的蜜蜂表现出与自然舞姿中观察到的一致平均运动轨迹，表明其准确解码了舞姿信号。
• 四只蜜蜂在跟随机器人后成功通过谐振雷达追踪；所有飞行路径均表明蜜蜂利用了机器人传递的方向信息来引导觅食飞行。
• 一只蜜蜂在跟随31次摇摆步后直接飞向机器人指示的位置；另一只蜜蜂在跟随47次后，初始飞行方向正确，随后转向30°外一个先前已知的食物源。
• 未跟随机器人的对照组蜜蜂则直接飞向其先前经验过食物源，证实当蜜蜂解码机器人方向信号时，该信号具有有效性。
• 尽管成功实现招募，但仅在13天中的8天观察到舞步跟随行为，表明机器人对跟随者的吸引力仍不理想，可能因缺少热或化学线索所致。