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Physics informed algorithms for sensing and navigating turbulent environments

Descripción del proyecto

Nuevos algoritmos que emulan peces hambrientos en aguas turbulentas favorecen la navegación humana

La naturaleza es una fuente de inspiración para los científicos e ingenieros que buscan desarrollar sistemas artificiales con aplicaciones pertinentes para las necesidades humanas. La capacidad de los organismos para percibir y responder a su entorno proporciona un rico repertorio de fenómenos dignos de emular. Entre estos está la capacidad de los peces para atrapar a sus presas en entornos turbulentos, que se puede aplicar a ámbitos como el servicio de rescate, búsqueda y salvamento y a la localización de minas explosivas. El equipo del proyecto RIDING, financiado con fondos europeos, investiga la forma en que los peces integran múltiples estímulos sensoriales y combinan la detección con la navegación para adaptarse a las aguas turbulentas y atrapar a sus presas. El conocimiento servirá para desarrollar algoritmos basados en la física que aprovechan la mecánica computacional de fluidos y el aprendizaje automático para realizar estos cálculos.

Objetivo

Living systems developed dramatically efficient strategies to sense and navigate turbulent environments. Understanding these strategies is key to many real world applications required to function in the presence of turbulence: from search and rescue to demining and patrolling. While much is known on navigation in smooth environments, these approaches fail in the presence of turbulence. RIDING aims at elucidating the computations organisms use to extract useful information from turbulent stimuli and navigate to a target. A key observation is that organisms rely on multiple sensory cues, despite the distortions due to turbulence. Explaining this puzzle requires blending fluid dynamics with biological behavior. I will achieve this goal by developing physics-based algorithms elucidating the computations that support three fundamental pillars of biological behavior: 1) combine navigation with sensing, 2) balance multiple senses, 3) adapt to different environments. The result will be a comprehensive theory integrating biological behavior in a computational framework based on fluid dynamics. Predictions will be tested via experiments on fishes, known to routinely perform turbulent navigation combining multiple senses across distinct sensory environments. This multidisciplinary project leverages methods from physics, computer science and biology. In summary, the objectives of RIDING are to:
O1. Assemble a massive dataset of chemical and mechanical signals emitted by a target using computational fluid mechanics and asymptotic methods.

O2. Develop algorithmic approaches for sensing and navigation using tools from machine learning trained on multiple sensory signals from O1.
O3. Examine how sensory signals from O1 and algorithms from O2 vary in different environments.
O4. Test predictions by recording prey capture in the laboratory using three species of fish. Analysis includes a fascinating species which evolved unique sensory “legs” to catch prey in different environment

Régimen de financiación

ERC-COG - Consolidator Grant

Institución de acogida

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI GENOVA
Aportación neta de la UEn
€ 1 973 485,00
Dirección
VIA BALBI 5
16126 Genova
Italia

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Región
Nord-Ovest Liguria Genova
Tipo de actividad
Higher or Secondary Education Establishments
Enlaces
Coste total
€ 1 973 485,00

Beneficiarios (1)