Med hjälp av robotfiskar, forskare vid New York University Tandon School of Engineering visar hur informationsteori kan ge insikt i orsak-och-verkan-sambandet mellan rovdjur och bytesdjur i djurriket.

I en artikel publicerad i American Institute of Physics' Kaos:En tvärvetenskaplig tidskrift för icke-linjär vetenskap , forskargruppen ledd av Maurizio Porfiri, en professor i mekanisk och rymdteknik vid NYU Tandon, validerade användningen av informationsteori för att studera interaktioner mellan rovdjur och bytesdjur. Genom att använda robotfisk, forskningen ger en grund för kontrollerade experiment av orsakssamband inom sådana interaktioner.

"Inom ett sammanhang av två entiteter - rovdjuret och bytet - som söker helt olika resultat, robotik ger oss ett verktyg för att validera begreppet överföringsentropi för att upptäcka orsak-och-verkan samband och svara på vissa biologiska frågor, " sa Porfiri. "Frågan vi i slutändan vill förstå är, om vi sätter ihop ett rovdjur och dess byte, hur påverkar de varandra? Hur förändras rovdjurets beteende på grund av närvaron av bytet, och hur förändrar närvaron av rovdjuret bytesresponsen?"

Transferentropi undersöker överföringen av information mellan två enheter och har blivit allmänt tillämpad inom områden som neurovetenskap och ekonomi, men det har först nyligen dykt upp som ett verktyg för att studera djurs beteende. Forskningen som beskrivs i artikeln undersöker hur en kombination av robotik och överföringsentropi kan erbjuda ny insikt i analysen av interaktioner mellan rovdjur och bytesdjur och förbättra vår förståelse av rädsla och ångest.

Pappret, "Informationsteori och robotik möts för att studera interaktioner mellan rovdjur och bytesdjur, " skrevs av Porfiri, gästforskare och huvudförfattare Daniele Neri, NYU Tandon Dynamical Systems Laboratory Manager och forskare Tommaso Ruberto, och Tandon-forskaren Gabrielle Cord-Cruz.

I tidigare experiment, Porfiri och andra forskare visade giltigheten av robotstimuli för experiment på djurbeteende, visar att zebrafiskar uppvisade ett likvärdigt svar på både levande och robotiska repliker av andra zebrafiskar och rovdjur.

Deras robotbaserade plattform gör det möjligt att manipulera och exakt kontrollera interaktioner bättre än vad som är möjligt när man endast använder levande djur. När det gäller deras senaste experiment, teamet exponerade levande byten – zebrafisk – för både en levande röd tiger oscar och en 3D-version av rovfisken. Zebrafisken simmade fritt inom en arenaliknande uppställning runt både det verkliga och robotiska rovdjuret, som i båda fallen var begränsad till mitten av tanken. Roboten färdades på en dynamisk och anpassningsbar bana som var förprogrammerad för att efterlikna den levande fiskens typiska rovrörelser för att framkalla ett svar inom zebrafisken.

Forskarna spårade zebrafiskens svar på både repliken och det levande rovdjuret. Genom att framkalla en kontrollerad rädsla inom zebrafisken från robotstimulansen, forskningen visade hur överföringsentropi kan isolera det enriktade orsak-och-verkan-förhållandet mellan en robotreplika och zebrafisken. Å andra sidan, experimentera med levande rovdjur, de hittade en tvåriktad interaktion mellan zebrafisken och rovdjuret, där var och en påverkade den andras beteende.

Ytterligare utvecklingar av deras innovativa robotplattform innefattade att konstruera robotrovdjuret för att reagera på zebrafiskens rörelser i realtid för framtida experiment. Detta kommer att tillåta forskare att ytterligare manipulera interaktionen mellan robotrovdjuret och zebrafisken så att zebrafisken kommer att orsaka beteendet hos rovdjuret.

Porfiri och hans team sa att de hoppas att framtida studier kommer att avslöja mer om hur djur kommunicerar med varandra, samt ge insikter i de evolutionära aspekterna av socialt beteende och vilka bestämningsfaktorer som framkallar rädsla och ångestrelaterade reaktioner bland zebrafiskar och även andra djur, inklusive människor.