С каждым годом в небе всё больше самолётов: по данным FlightRadar24, прямо сейчас в воздухе находятся 12 385 судов, и это без учёта военных. Через несколько лет к ним могут присоединиться тысячи беспилотных почтовых дронов для доставки товаров и посылок.

В такой ситуации возникает вопрос: как обеспечить безопасность воздушных полётов? Существует ли способ создать автоматическую систему ухода от столкновений, чтобы она действовала на всех пилотируемых и беспилотных судах? Что ж, в разработке эффективных навигационных систем авиационная промышленность может многому научиться у птиц и насекомых. Птицы освоили навигацию в воздухе 150 миллионов лет назад, а насекомые — 350 миллионов лет назад. У них большая фора в области НИОКР.

Очевидно, за долгое время эволюции птицы и насекомые выработали определённые алгоритмы для ухода от столкновений в полёте. Учёные предполагают, что такие алгоритмы должны быть более эффективными именно у птиц, потому что их корпус не укреплён экзоскелетом, как у насекомых. Птицы тяжелее, чем насекомые, и летают на более высоких скоростях. У них хрупкие тела. Очевидно, что столкновение в полёте будет для птиц весьма болезненным. Такая птица с меньшей вероятностью оставит потомство. То есть система ухода от столкновений в полёте — явно благоприятный признак в естественном отборе.

В предыдущие годы учёные исследовали, как птицы уходят от препятствий, пролетают в узкие щели и держат дистанцию в стае. Но ещё никогда не исследовался вопрос: что происходит, когда две птицы летят на встречных курсах. Как они поступают в таком случае?

Профессор Мандиам Сринивазан (Mandyam Srinivasan) из Университета Квинсленда (Австралия) поставил задачу изучить, какие именно стратегии применяют птицы для избежания столкновения на встречных курсах. Для этого с двух сторон туннеля длиной 21,6 метра выпускались пары птиц навстречу другу. Представляющие интерес потенциальные действия птиц принимались за гипотезы в байесовской сети для вычисления их вероятности. Предсказанные вероятности сравнивалась с наблюдаемыми фактами. Таким образом исследователи делали выводы о стратегиях ухода от столкновений, которые действуют у птиц.


Испытательный туннель. Синими и красными пунктирными линиями показаны поля зрения камер наблюдения

Перед началом испытаний 10 волнистых попугайчиков (Melopsittacus undulatus) мужского пола были обучены пролетать туннель от начала до конца в одиночку.

Дронго, один из десяти волнистых попугайчиков, принимавших участие в исследовании

За 4 дня было записано 102 экспериментальных полётов 7 пар, составленных из 10 волнистых попугайчиков. Не было зафиксировано ни одного столкновения. Затем провели анализ видеозаписей с фиксацией, каким образом птицы смещались в стороны или по высоте при приближении друг к другу.

Результаты оказались довольно неожиданными. Как видно из таблицы, птицы показали склонность почти всегда смещаться вправо, хотя вероятность такого смещения сильно варьируется от особи к особи.


 

Это очень любопытный вывод. Проведённые ранее исследования на пчёлах показали, что пчёлы склонны смещаться влево при сближении друг с другом. Так или иначе, но склонность смещаться в какую-то определённую сторону является важным знанием. Очевидно, это знание должно быть одинаковым у всех особей в популяции. Если птицы будут при сближении смещаться в случайную сторону, то при выборе влево/вправо вероятность столкновения составит 50%.

Попугайчики в туннеле летали на разной высоте. Учёные обнаружили, что некоторые конкретные особи явно предпочитают лететь ниже/выше другой конкретной особи, что не укладывается нормальное распределение.


Предпочтение конкретной особи лететь выше или ниже другой особи

Несмотря на отдельные случаи изменения высоты полёта, в целом птицы при сближении не меняют высоту, а смещаются в горизонтальной плоскости. Чаще всего — вправо. Учёные делают вывод о наличии у волнистых попугайчиков своеобразных правил движения, зашитых на «аппаратном уровне». Вероятно, это может быть связано с разницей в левом и правом полушариях головного мозга. Так, у попугайчиков правое полушарие и левый глаз отвечают за тактические задачи, такие как обнаружение вероятного столкновения в полёте. В свою очередь, левое полушарие и правый глаз занимаются другими вещами, такими как обслуживание полёта и контроль скорости. Кстати, это одно из эволюционных преимуществ животных с разными функциями левого и правого полушарий (подробнее см. научную работу «Выживание с асимметричным мозгом: преимущества и недостатки церебральной латерализации»).

Таким образом, исследование подтвердило, что наличие самых простых общих правил позволит животным или машинам избежать столкновения.

Во-первых, нужно договориться смещаться в одну сторону. Неважно — влево или вправо, но все должны смещаться в одну сторону.

Во-вторых, выработать алгоритм изменения высоты. Один из участников движения должен смещаться вверх, а другой — вниз. Правила изменения высоты можно реализовать разными способами. Например, присвоить иерархический порядковый номер каждому отдельному самолёту. При встрече самолёт с более высоким номером в иерархии всегда смещается вверх, а с более низким — вниз. Универсальную иерархию непросто внедрить, да и она требует обмена информацией между судами перед сближением. Другой вариант — установить каждому самолёту правило случайного смещения вверх или вниз. В этом случае риск столкновения уменьшится со 100% до 50%.

Учёным пока не удалось понять, каким образом птицы выбирают направление смещения по высоте. Возможно, у них тоже действует некая иерархия.

Статья опубликована 28 сентября 2016 года в журнале PLOS One (doi: 10.1371/journal.pone.0162435).