Ареалы и видообразование у двоякодышащих рыб
Два видов путейшающей рыбы, обитающих в пресных водоемах, находятся в Австралии, Южной Америке и Африке. Какая форма изоляции лежит в основе данного видообразования?
Теория дрейфа континентов
Знание какой теории в области геологии позволило учёным описать наиболее вероятный механизм формирования трех современных видов двоякодышащих рыб?
Эволюция и видообразование
- Географическая (пространственная) изоляция
- Теория дрейфа континентов (материков)
- Установлено, что Австралия, Южная Америка и Африка представляли единый континент
- Расхождение материков способствовало накоплению различных мутаций в каждой изолированной популяции
- Разные условия в каждой изолированной популяции привели к действию отбора в разных направлениях
- Репродуктивная изоляция привела к возникновению разных видов рыб
Размножение одуванчика
Одно растение одуванчика занимает площадь 10 квадратных сантиметров и дает в год более 100 семян. Почему потомство одной особи не занимает всю поверхность земного шара?
Ограничения на количество особей
- Многие семена не прорастают из-за неблагоприятных условий
- Конкуренция с другими растениями за свет и воду
- Пища для животных, грибов и бактерий
Популяционные волны и дрейф генов
Объясните, что такое популяционные волны и дрейф генов. Где дрейф генов наиболее действенен?
Определения
- Популяционные волны – периодические колебания численности популяции
- Случайное изменение доли гена в популяции
- Дрейф генов наиболее действенен в маленьких популяциях
Видообразование
Рассмотрите схемы 1 и 2, иллюстрирующие процессы видообразования. Где отражено географическое видообразование?
Географическое видообразование
- Исходный ареал разделился преградой
- Возникла географическая изоляция
- Обмен генами стал невозможен
- Накопление мутаций в каждой популяции
- Репродуктивная изоляция привела к возникновению новых видов
Эволюционные изменения
Как сформировались рудиментарные органы зрения у почвенных животных слепышей?
- Мутации привели к недоразвитию глаз
- Слепые особи получили преимущество
- Произошло увеличение численности особей с недоразвитыми глазами
Появление окраски
Объясните этапы появления расчленяющей окраски у полосатой рыбы-бабочки с точки зрения микроэволюции.
Эволюционные процессы в природе
Современная наука предоставляет нам возможность понять процессы эволюции живых организмов. Изучая различные аспекты исследований, мы можем яснее увидеть, каким образом живой мир изменяется со временем и в различных условиях.
Возникновение новых признаков у организмов
Появление новых признаков у организмов может быть обусловлено мутациями в их геноме. Эти мутации могут привести к образованию новых форм окраски тела, что имеет адаптивное значение для выживания в изменяющейся среде. Увеличение числа особей с новыми признаками может быть обусловлено их большей выживаемостью в процессе естественного отбора за счет меньшей заметности для хищников.
Эволюция покровительственной окраски у животных
Покровительственная окраска у животных может возникнуть в результате мутаций, которые приводят к возникновению нового признака. Организмы с этим новым признаком будут обладать преимуществом в борьбе за выживание, что в конечном итоге приведет к закреплению адаптивной мутации и формированию покровительственной окраски.
Географический способ видообразования
Географический способ видообразования характеризуется расширением ареала вида, возникновением физических преград рельефа и изоляцией популяций вида. Эти факторы приводят к изменению генофонда популяции и ее приспособлению к новым условиям среды, что может в конечном итоге привести к образованию нового вида.
Проблема устойчивости к антибиотикам
Устойчивость микроорганизмов к антибиотикам возникает в результате мутаций, которые обеспечивают им выживание при применении антибиотиков. Высокая скорость размножения микроорганизмов и быстрое распространение устойчивых мутаций приводят к необходимости поиска новых лекарственных препаратов для борьбы с инфекционными заболеваниями.
Эволюция окраски у гусениц
Изменение окраски тела у гусениц может быть обусловлено переходом на новый вид пищи. В процессе естественного отбора особи с полезными признаками, такими как зеленая окраска, выживают и передают их потомству. Постепенно популяция гусениц приспосабливается к новым условиям, что способствует сохранению вида в изменяющейся среде.
Выводы
Эволюционные процессы в природе позволяют организмам адаптироваться к различным условиям среды. Изучение этих процессов помогает нам лучше понять механизмы изменений в природе и принципы развития живых организмов.
Эволюционное формирование видов улиток на острове Оаху
На вулканическом острове Оаху обитает целых 25 видов улиток, каждый из которых обитает в своей долине с схожими условиями обитания. Это разнообразие видов улиток обусловлено географическим (аллопатрическим) видообразованием, которое произошло в результате следующих факторов:
Факторы образования видов улиток:
Разделение долин
- Скальные гребни разделяют долины, что создает изоляцию между популяциями улиток.
- Низкая миграционная способность улиток препятствует перемещению через скальные гребни.
Изоляция
- Изоляция популяций позволяет им развиваться отдельно друг от друга.
- Отсутствие обмена генами между изолированными популяциями.
Мутации и дрейф генов
- Мутации приводят к разнообразию в генофонде каждой популяции.
- Дрейф генов продолжает изменение генофонда с генерациями.
Эти факторы способствуют разделению и эволюции популяций, что объясняет появление такого многообразия видов улиток на острове Оаху.
Образование двух видов в генетически разнообразной популяции
Популяция организмов может разделиться на два вида при наличии изоляции и различных условиях обитания:
Возможные причины разделения популяции:
Географическая изоляция
- Образуется физическая преграда между частями популяции.
Экологическая изоляция
- Часть популяции меняет свою экологическую нишу.
Репродуктивная изоляция
- После изоляции невозможно скрещиваться и обмениваться генами.
Пример выведения нового вида через переселение собак в Австралию
Переселение собак в Австралию привело к образованию нового вида, дикой собаки динго:
Пространственная изоляция
- Популяция собак была изолирована от других континентов.
Мутации и естественный отбор
- В новых условиях жизни появились полезные мутации.
- Естественный отбор сохранил их и отбор нового генофонда.
Репродуктивная изоляция
- Новая популяция не могла скрещиваться с другими видами.
Значение эндемических популяций, как у севанской форели
Севанская форель является видом, который обитает лишь в одном озере, а отличающиеся популяции относятся к одному виду из-за:
Экологической изоляции
- Разные места и сроки нереста формируют разные популяции.
Отсутствие репродуктивной изоляции
- Обмен генами сохраняет идентичность вида.
Эндемические виды, как севанская форель, требуют защиты из-за их ограниченного ареала и важности для экосистемы.
Устойчивость собачьих блох к противоблошиному шампуню
Собачьи блохи, устойчивые к противоблошиному шампуню, могут возникнуть из-за:
- Мутаций
- Естественного отбора
- Репродуктивной изоляции
Эти факторы эволюции приводят к появлению новых признаков и возможности для собачьих блох стать устойчивыми к противоблошиной химии.
Таким образом, процессы эволюции и видообразования играют ключевую роль в обогащении биоразнообразия и адаптации видов к переменчивым условиям окружающей среды.
Эволюция резистентности у блох к яду шампуня
- В популяции блох присутствуют особи с различной степенью устойчивости к ядовитым веществам (разными мутациями).
- При обработке шампунем (в ходе борьбы за существование) неустойчивые к яду шампуня блохи погибают, а устойчивые выживают.
- Выжившие блохи передают гены устойчивости к яду (мутацию) своим потомкам (получим преимущество в размножении).
- В результате естественного отбора формируется новая популяция, устойчивая к яду шампуня.
Развитие устойчивости у блох
Альпатрическое видообразование у азиатской птицы зеленоватой камышевки
Вид азиатской птицы зеленоватой камышевки (Phylloscopus trochiloides) распространился на восток и запад Тибетского плато с юга, огибая непроходимые Гималаи. При этом образовалось множество подвидов, которые различаются по мотивам песни и окраске. Соседние подвиды способны свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство (например, P. viridanus и P. plumbeitarsus). Однако дальние подвиды не могут скрещиваться и давать плодовитое потомство (например, P. trochiloides и P. plumbeitarsus).
Отсутствие скрещивания у дальних подвидов
- Географическое (аллопатрическое) видообразование.
- Дальние подвиды долгое время не контактировали между собой (отсутствовал поток генов).
- В результате между подвидами накопились значимые генетические различия (генофонд подвидов стал различаться).
- Поэтому возникла репродуктивная изоляция.
Видообразование у тихоокеанской саламандры Ensatina
Виды тихоокеанской саламандры (Ensatina) распространены вокруг долины в Калифорнии, которая ограничена горным массивом. В процессе эволюции последовательно образовались виды, которые отличались друг от друга по окраске и другим морфологическим признакам. Соседние виды способны свободно скрещиваться (например, E.klauberi и E.oregonensis). Однако виды (E.klauberi и E.platensis), ареалы которых тоже соприкасаются, не могут скрещиваться.
Причины миграций у животных
Многие животные совершают в течение своей жизни регулярные или нерегулярные миграции по следующим причинам:
- Поиск пищи – например, миграции китов за кормом.
- Размножение – например, миграция лососей для нереста.
- Избегание погодных условий – например, перелеты птиц перед наступлением зимы.
Статья окончена.
- размножение; 2) например, миграция рыб из морей в реки на нерест; 3) смена экосистем (пожар в лесу, истощение природных ресурсов, увеличение внутривидовой конкуренции); 4) например, перемещение грызунов после пожара; 5) сезонные изменения условий обитания; 6) например, перелёты птиц (миграция северных оленей); 7) суточные изменения условий обитания; 8) например, вертикальная миграция зоопланктона (приливно-отливные миграции). В пунктах 2, 4, 6, 8 возможны иные подходящие по смыслу примеры.
20. Среди позвоночных животных известны случаи заразного рака: трансмиссивная венерическая опухоль собак, передающаяся половым путём, и лицевая опухоль тасманийского дьявола, передающаяся при укусах. Трансмиссивная венерическая опухоль собак появилась порядка 10 000 лет назад. После заражения у собак образуются опухоли на гениталиях, которые со временем регрессируют и не приводят к смерти хозяина, но некоторое время активно передаются другим особям. Лицевая опухоль тасманийского дьявола эволюционно молода, впервые была выявлена в 1996 году. В случае заражения приводит к смерти от истощения в течение 12–18 месяцев в практически 100 % случаев, так как опухоли на лице делают невозможным употребление пищи. Предположим, что 10 000 лет назад трансмиссивная венерическая опухоль собак была так же летальна, как лицевая опухоль тасманийского дьявола на данный момент. Объясните с точки зрения эволюционного учения Дарвина, как смертельный рак может превратиться в несмертельный.
- благодаря мутациям в исходной популяции раковых клеток у разных особей возникают опухоли, различающиеся по смертельности; 2) если носители раковых клеток слишком быстро и слишком часто умирают, то это сдерживает распространение раковых клеток в популяции носителей; 3) если носители раковых клеток не умирают от рака, то это способствует большему распространению раковых клеток в популяции носителей; 4) в ряду поколений носителей увеличивается доля носителей несмертельных линий рака.
21. На рисунке изображены формы клюва у представителей разных видов семейства цветочниц, обитающих на Гавайских островах. Укажите последовательность процессов, которые привели к формированию многообразия форм клюва с позиции современной синтетической теории эволюции. Как называется такая форма направленной эволюции? Чем она характеризуется?
- особи исходного вида, попавшие на острова, оказались в разных экологических нишах (разных условиях питания); 2) в каждой популяции возникали мутации; 3) разные мутации поддерживались естественным отбором; 4) накопление мутаций привело к репродуктивной изоляции; 5) дивергентная форма эволюции (дивергенции); 6) новые виды при такой форме образуются путём расхождения от одного общего предка.
22. Объясните с позиции современного эволюционного учения, как сформировались и сохранились в процессе эволюции ядовитые железы у древесной квакши.
- в исходной популяции появились мутировавшие особи с наличием ядовитых желёз; 2) они имели преимущество в борьбе за существование; 3) благодаря естественному отбору эти мутации распространялись (накапливались) в популяции.
23. Предковый вид ландышей был широко распространен в лиственных лесах Евразии несколько миллионов лет назад. Сейчас существует три вида ландышей, сохранившихся в Европе, Закавказье и на Дальнем Востоке. Как называется такой способ видообразования? Какое климатическое событие привело к дивергенции ландышей? Как происходило видообразование?
- географическое (аллопатрическое) видообразование; 2) оледенение в Северном полушарии (образование ледника); 3) в изолированных популяциях накапливались разные мутации; 4) в разных ареалах (условиях среды) действовали разные факторы; 5) произошла репродуктивная изоляция.
24. Лемуровые – семейство древесных теплолюбивых млекопитающих из отряда Приматы. Ископаемые остатки предков лемуров были найдены на разных континентах, но в настоящее время лемуры являются эндемиками Мадагаскара (острова у юго-восточного побережья Африки). Чем может объясняться сохранение этих животных на Мадагаскаре и вымирание в других регионах? Какие факторы эволюции способствовали дивергентному видообразованию лемуров в условиях Мадагаскара?
- Мадагаскар отделен от континентов (фауна острова изолирована); 2) на Мадагаскаре лемуры не имели конкурентов со схожими экологическими нишами; 3) на остальных территориях лемуры были вытеснены другими древесными млекопитающими (другими приматами); Факторы эволюции: 4) изоляция; 5) мутации ИЛИ наследственная изменчивость; 6) популяционные волны; 7) дрейф генов.
25. Закон Харди-Вайнберга гласит: при определённых условиях относительные частоты аллелей в популяции остаются неизменными из поколения в поколение. Закон справедлив, если соблюдается ряд условий. Какие это условия?
- популяция велика; 2) в популяции осуществляется свободное скрещивание (панмиксия); 3) отсутствует естественный отбор; 4) не возникает новых мутаций; 5) нет миграции в популяцию или из популяции.
26. У двух видов мохноногих хомячков ареалы не перекрываются: джунгарский хомячок живет в Западной Сибири и на севере Казахстана, а хомячок Кэмпбелла обитает на территории Забайкальского края, Бурятии, Монголии, Северного Китая. Если в лабораторных условиях пытаться скрестить особей разных видов, то в большинстве случаев наблюдается рождение стерильного потомства или гибель беременных самок из-за крупных размеров эмбрионов. Какие две формы изоляции описаны для этих видов хомячков? Какое значение имеет изоляция как фактор микроэволюции? Ответ поясните.
- географическая изоляция (неперекрывающиеся ареалы); 2) репродуктивная изоляция (невозможность формирования плодовитого потомства); 3) изолированные популяции (виды) накапливают различия в генофондах; 4) в условиях изоляции затрудняется обмен генами между популяциями ИЛИ в условиях изоляции сохраняется специфичность генофонда популяций (видов); 5) изоляция способствует видообразованию.
27. Рассмотрите схемы процессов видообразования А и Б. На какой схеме отражено экологическое (симпатрическое) видообразование? Ответ поясните. Как происходит этот процесс видообразования?
- А — экологическое (симпатрическое) видообразование; 2) в пределах исходного ареала сформировались разные экологические условия ИЛИ в пределах исходного ареала особями осваивались новые (разные) экологические ниши; 3) возникает экологическая изоляция; 4) обмен генов становится невозможным или затрудняется; 5) происходит накопление мутаций в каждой экологически изолированной группе особей; 6) возникает репродуктивная изоляция (особи из разных экологических групп теряют способность скрещиваться); 7) образуются новые виды.
28. Вид азиатской птицы зеленоватой камышевки (Phylloscopus trochiloides) распространился на восток и запад Тибетского плато с юга, огибая непроходимые Гималаи (направление распространения вида указано стрелками), где миграция из-за высоты гор невозможна. При этом образовалось множество подвидов, которые различаются по мотивам песни и окраске. Соседние подвиды способны свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство (например, P. viridanus и P. plumbeitarsus). Однако дальние подвиды не могут скрещиваться и давать плодовитое потомство (например, P. trochiloides и P. plumbeitarsus). Какой тип видообразования иллюстрирует данный пример? Почему у соседних подвидов (P. viridanus и P. plumbeitarsus) происходит скрещивание? Дайте аргументированный ответ.
- географическое (аллопатрическое) видообразование; 2) из-за отсутствия преград соседние подвиды могут мигрировать (осуществляется поток генов); 3) в результате между подвидами не накапливаются значимые генетические различия (не отличается генофонд подвидов); 4) отсутствует репродуктивная изоляция.
29. Виды тихоокеанской саламандры (Ensatina) распространены вокруг долины в Калифорнии, которая ограничена горным массивом. В процессе эволюции последовательно образовались виды, которые отличались друг от друга по окраске и другим морфологическим признакам (направление распространения видов указано на рисунке стрелками). Соседние виды способны свободно скрещиваться (например, E. klauberi и E. oregonensis). Однако виды (E. klauberi и E. platensis), ареалы которых тоже соприкасаются, не могут скрещиваться. Какой тип видообразования иллюстрирует данный пример? Почему у соседних подвидов (E. klauberi и E. oregonensis) происходит скрещивание? Дайте аргументированный ответ.
30. На рисунках продемонстрированы основные пути, ведущие к появлению новых видов: дивергентный, филетический, гибридогенный. Установите соответствие между основными путями и рисунками 1-3. Дайте характеристику каждого из путей.
- 1 – филетический путь (филогенез); 2) преобразование одного вида в другой (вида А в вид В); 3) 2 – гибридогенный путь; 4) скрещивание (слияние) двух видов (видов А и В) и образование нового вида (вида С); 5) 3 – дивергентный путь; 6) разделение одного вида (вида А) на два (виды А и В).
31. Какой способ видообразования изображён на рисунке? Объясните, какие факторы эволюции этому способствовали.
- географическое видообразование связано с расселением исходного вида на новые территории, расчленением исходного ареала непреодолимыми преградами; 2) в изолированных популяциях накапливались новые мутации; 3) в результате естественного отбора сохранились особи с новыми признаками; 4) прекращение скрещивания между особями различных популяций привело к репродуктивной изоляции, изменению генофонда популяций и образованию новых видов.
32. Пользуясь рисунком, определите способ изоляции, который привёл к появлению трёх родственных подвидов большой синицы и объясните его последствия. К какому результату эволюции может привести их репродуктивная изоляция? Ответ поясните.
- географическая изоляция; 2) репродуктивная изоляция может привести к образованию трех родственных видов синиц; 3) в результате изоляции прекращается скрещивание между особями разных популяций, обмен генами и накапливаются отличия.
33. На острове Святого Фомы обнаружено два вида безногих амфибий – кольчатых червяг, обитающих во влажной рыхлой почве. Известно, что около 300 тыс. лет назад вулкан, расположенный в центре острова, неоднократно извергался, изливая мощные потоки лавы. На основании этого факта предположите, какая форма видообразования связана с появлением двух видов червяг на острове Св. Фомы? Ответ поясните. Какие эволюционные факторы обеспечили образование этих видов червяг и какова роль каждого из этих факторов?
- географическое (аллопатрическое) видообразование; 2) разделение острова потоками лавы; 3) низкая миграционная способность червяг (невозможность преодолеть застывшие потоки лавы); 4) изоляция; 5) изоляция препятствует обмену генами между популяциями; 6) мутации; 7) мутации приводят к изменению генофонда в каждой популяции; 8) дрейф генов (эффект основателя); 9) каждая изолированная группа отличалась изначальным генофондом.
34. Объясните с позиции дарвинизма формирование устойчивости к пестицидам у паутинного клеща.
- в популяции клещей есть особи с различной степенью устойчивости к пестицидам (устойчивые и неустойчивые); 2) при обработке растений пестицидами менее устойчивые клещи погибают, а более устойчивые выживают; 3) выживающие клещи дают больше плодовитого потомства; 4) в результате в последующих поколениях в популяции доля клещей, устойчивых к инсектициду, становится всё больше.
35. Когда человечество впервые получило первый очищенный антибиотик – пенициллин и начало использовать его для борьбы с бактериальными инфекциями, пенициллин практически всегда способствовал уничтожению бактерий, чувствительных к нему. Однако через некоторое время обнаружилось, что отдельные штаммы некоторых видов бактерий, которые ранее были чувствительны к пенициллину, оказываются нечувствительными к антибиотику. Объясните с позиции современного эволюционного учения возникновение у бактерий устойчивости к пенициллину. Почему антибиотики бессильны против вирусных заболеваний?
- в популяции бактерий у отдельных особей возникают мутации, обеспечивающие устойчивость к пенициллину; 2) при контакте с пенициллином большая часть особей погибает, выживают только особи с устойчивостью; 3) выжившие особи передают гены устойчивости следующим поколениям, новая популяция оказывается устойчивой к пенициллину; 4) антибиотики воздействуют на структуры, которые присутствуют в бактериальной клетке (клеточная стенка, рибосомы), но отсутствуют у вирусов.
36. Предки современных кротов вели наземный образ жизни. Что могло способствовать изменению их среды обитания? Объясните эволюционный механизм редукции органов зрения у предков крота.
- Обилие пищи в почве (ослабление конкуренции за пищу в почве). 2) Глаза предков кротов, оказавшихся в почве, часто засорялись (инфицировались). 3) В предковой популяции возникали случайные мутации, приводившие к редукции органа зрения. 4) В результате естественного отбора выживали более приспособленные особи (с редуцированными глазами (принимать обратное утверждение про гибель особей с обычными глазами). 5) Данные особи передали эти мутации потомству и мутации распространились в популяциях вида.
Специалисты ИТМО разработали трехэтапный алгоритм по созданию манипуляционных, шагающих и носимых роботов. По сравнению с классическими методами такой подход упрощает процесс проектирования, а также позволяет создавать более эффективные, дешевые, легкие и компактные механизмы. Например, конструировать адаптивные кисти для антропоморфных роботов, которые смогут хватать объекты вслепую, а также энергоэффективных шагающих роботов, которые смогут перемещаться в пространстве с неполной картой окружения. Чтобы проверить метод, ученые разработали на его основе собственного прыгающего гибкого робота. Подробности ― в материале ITMO.NEWS.
Почему создавать мобильных и при этом энергоэффективных роботов непросто
Индустриальные роботы должны обеспечивать высокую точность и скорость движения. Чтобы достичь этих характеристик, специалисты используют мощные электроприводы, которые потребляют много энергии. Поэтому такие конструкции, как правило, необходимо запитывать от электросети ― а это значит, что и робот в таком случае может быть только стационарным.
С мобильными роботами всё иначе. Они не могут постоянно запитываться от розетки, поэтому инженерам нужно конструировать их таким образом, чтобы они могли эффективно использовать энергию от батареи с ограниченным зарядом. Дело в том, что чем мощнее батарея, тем она тяжелее. И чтобы перевозить ее, робот должен потратить больше энергии, а значит, увеличивать емкость батареи будет невыгодно. Поэтому ученым приходится делать конструкцию, которая будет по максимуму использовать естественную динамику механизма и требовать меньше энергии.
Как решают эту проблему
Для этого роботехники используют принцип морфологического проектирования. Он заключается в том, чтобы большую часть требуемой динамики для движения робота обеспечивать с помощью его физического исполнения: распределения массы, эластичности, механических связей. В таком случае система управления не целиком регулирует движения робота, а лишь поддерживает и корректирует уже существующую его естественную динамику.
Чтобы воплотить этот принцип, процесс проектирования роботов нужно формализовать. Для этого важно учитывать не только алгоритмы управления, но и проектирование механики робота. По словам инженера исследовательского центра ИТМО в сфере ИИ «Сильный искусственный интеллект в промышленности» Ивана Борисова, долгое время специалисты разрабатывали новые алгоритмы управления, а в качестве «железа» использовали те же комплектующие элементы и принципы, что и для индустриальных роботов.
Однако успех робота Cassie продемонстрировал, что для достижения высокой скорости, запаса хода и способности перемещаться в неструктурированной среде нужно пересмотреть саму парадигму конструирования. Ведь для роботов, которые контактируют со средой, важнее не точность, скорость и грузоподъемность, а адаптивность и энергоэффективность.
Что придумали в ИТМО
Ученые ИТМО использовали принципы морфологического проектирования и предложили собственный метод для создания механизмов для манипуляционных, локомоционных и носимых роботов. В его основе — трехэтапный алгоритм проектирования устройств.
Первый этап решает задачу открытой кинематики, то есть описывает, из скольких последовательных звеньев должен состоять механизм, какой длины должны быть его звенья, какую траекторию с их помощью нужно выстроить, чтобы добиться желаемого поведения и производительности.
Второй этап включает замыкание цепочки звеньев, из которых состоит механизм, то есть превращает открытую кинематику в замкнутую (когда каждое звено имеет больше двух присоединений и цепочка получается замкнутой). Алгоритм замыкания описывает, какие звенья нужно присоединить к исходному механизму, чтобы перенести приводы в иное сочленение, либо убрать лишние, а также добавить новые механические связи. В результате можно получить механизм с меньшей инерцией, либо вовсе избавиться от лишних приводов. Это позволит сэкономить энергию и увеличить скорость движения робота.
Третий этап описывает, куда нужно установить приводы, чтобы максимизировать их эффективность. Также на этом этапе в механизм интегрируют физические и виртуальные эластичные элементы, которые помогают роботу адаптироваться к окружающей среде, амортизировать неровности на поверхности, а также возвращать потраченную энергию.
Каждый параметр конструкции рассматривается с точки зрения повышения производительности и максимальной функциональности, поэтому такой подход позволяет создавать более эффективные устройства, отмечают авторы.
«С помощью нашего метода можно разработать любой рычажный механизм: механизм ноги для шагающего робота, механизм пальца для захватного устройства, элементы экзокостюма и другое. Кроме того, подход позволяет создавать роботов, которые могут функционировать в условиях неструктурированной и неизвестной среды. Например, шагающего робота, который даже в условиях плохой освещенности и неполноты данных сможет передвигаться вслепую, или антропоморфную кисть, которой можно хватать объекты наощупь», — рассказал инженер исследовательского центра ИТМО в сфере ИИ «Сильный искусственный интеллект в промышленности», участник проекта Иван Борисов.
На основе предложенного метода ученые ИТМО создали прыгающего робота, который может не только прыгать на месте, но и передвигаться по пересеченной местности. Устройство перемещается в режиме автоколебаний за счет работы привода и пружин, у него можно изменять скорость и направление движения. Разработанный метод позволил снизить требования к производительности электропривода робота в 4 раза. Чтобы создать робота с такой же производительностью классическими методами, нужно использовать более мощные и энерготребовательные приводы.
Как отмечает Иван Борисов, предложенный метод позволяет «выжать» максимум из комплектующих, максимизировать эффективность приводов, а также снизить энергопотребление за счет возвращения энергии с помощью эластичных элементов.
Что дальше
Разработанный метод ученые ИТМО представят на международной конференции по робототехнике IEEE International Conference on Robotics and Automation, которая считается одной из самых престижных в своей сфере (ее SJR равен 1,92). В этом году ИТМО станет единственным российским участником ICRA.
Кроме того, сейчас на основе предложенного метода исследователи создают программный продукт, который будет автоматически генерировать дизайн робототехнической системы. С помощью фреймворка можно будет создавать конструкцию роботов, траектории управляющих приводов, а также проверять полученные решения в имитационной среде.
В ИТМО уже создали такую программу для захватных устройств. Чтобы получить алгоритм по созданию робота, в программу достаточно загрузить объект, который нужно захватить и при необходимости отредактировать отдельные параметры. Например, если вы хотите создать устройство, которое будет хватать яблоки, достаточно указать характеристики фрукта (его форму, размер и другие параметры), и алгоритм сам сгенерирует структуру механизма, оптимизирует геометрические параметры и значения усилий в сочленениях, которые нужно приложить. Сейчас ученые работают над аналогичным алгоритмом, который будет генерировать механизмы открытой кинематики для шагающих роботов.
По словам разработчиков, метод имеет случайный характер, а пространство решений не ограничено. Это значит, что под одну задачу программа может создать несколько решений, из которых человек выберет наиболее подходящее.
Алгоритмы призваны помочь проектировщикам создавать механизмы для различных мехатронных и робототехнических систем. Специалисты смогут разрабатывать устройства, которые работают изолированно от окружения — например, индустриальных роботов для сварки и покраски, роботов для позиционного управления объектами, а также таких, которые взаимодействуют со средой — коллаборативных и манипуляционных роботов.
Индуктивное исследование предполагает получение обобщений на основе конкретных наблюдений, а дедуктивное – проверку гипотез, основанных на существующих теориях. Индуктивные и дедуктивные исследования – распространенная тема в методологии исследований, обозначающая два различных подхода к анализу данных. Оба метода имеют свои уникальные преимущества и недостатки, и выбор правильного подхода может существенно повлиять на результаты исследования.
Что такое индуктивное исследование?
Индуктивные исследования – это исследовательский подход, предполагающий сбор и анализ данных для разработки теории или гипотезы. При таком подходе исследователи начинают с конкретных наблюдений и данных, а затем работают над более общими теориями и выводами. Такой подход часто используется, когда о теме мало что известно или когда не существует теории, объясняющей проводимые наблюдения. Цель индуктивного исследования – разработать теорию, основанную на данных, и использовать ее для объяснения закономерностей или взаимосвязей в данных.
Процесс индуктивного исследования
Процесс индуктивного исследования включает в себя следующие этапы:
Сбор данных: Первым шагом в индуктивном исследовании является сбор данных. Это можно сделать с помощью различных методов, включая интервью, наблюдения, опросы и анализ документов.
Анализ данных: После того как данные собраны, наступает черед их анализа. Это предполагает выявление закономерностей и тем в данных. Индуктивное исследование в значительной степени опирается на методы анализа качественных данных, такие как кодирование и тематический анализ.
Выявление тем: После анализа данных исследователь приступает к выявлению тем, которые появляются в результате анализа. Эти темы представляют собой закономерности или общие черты в данных.
Развитие теорий: После определения тем исследователь приступает к разработке теорий или объяснений этих закономерностей. Теории основываются на данных и используются для объяснения наблюдаемых явлений.
Представление результатов: Заключительным этапом индуктивного исследования является представление результатов. Это может быть сделано в различных форматах, включая научные статьи, презентации и отчеты. Изложение результатов должно быть основано на данных и четко объяснять разработанные теории.
Что такое дедуктивное исследование?
Дедуктивное исследование – это форма исследования, которая начинается с теории или гипотезы и направлена на проверку их достоверности путем сбора и анализа данных. Исследователь начинает с общей теории или идеи, а затем разрабатывает конкретные гипотезы, основанные на этой теории. Затем эти гипотезы проверяются путем сбора данных, которые анализируются с целью определения того, подтверждают они или опровергают первоначальную теорию или гипотезы. Дедуктивные исследования часто используются в количественных исследованиях, где данные собираются с помощью структурированных методов, таких как опросы, эксперименты или статистический анализ.
Процесс дедуктивного исследования
Процесс дедуктивного исследования обычно включает в себя следующие этапы:
Формулировка вопроса или гипотезы исследования: Этот этап предполагает определение вопроса или гипотезы исследования, основанной на существующей теории или знаниях.
Разработка дизайна исследования: После того как сформулирован вопрос или гипотеза исследования, следующим шагом является разработка плана исследования, который описывает методы и процедуры, которые будут использоваться для проверки гипотезы.
Сбор данных: На этом этапе осуществляется сбор данных с использованием методов, соответствующих плану исследования. Например, если план исследования предполагает проведение опроса, то сбор данных будет осуществляться с помощью анкет.
Анализ данных: После того как данные собраны, наступает черед их анализа с целью проверки гипотезы. Для этого используются статистические методы и другие способы анализа, позволяющие определить, подтверждают ли данные гипотезу или опровергают ее.
Интерпретация результатов: Последний этап процесса дедуктивного исследования включает в себя интерпретацию результатов. На основе анализа данных делаются выводы и определяется, была ли гипотеза подтверждена или опровергнута.
Плюсы и минусы индуктивного исследования
Позволяют исследовать новые идеи и точки зрения.Может не дать воспроизводимых результатов.
Может привести к разработке новых теорий.Полученные результаты могут быть подвержены предвзятости исследователя.
Предоставляет богатые и подробные данные.Может не подходить для проверки конкретных гипотез.
Гибкость и способность адаптироваться к меняющимся исследовательским потребностям.Требуются большие объемы выборок для установления общих закономерностей.
Хорошо подходит для качественных методов исследования.Анализ может занимать много времени и ресурсов.
Может отражать сложность явлений реального мира.Не позволяет установить причинно-следственную связь.
Позволяет обнаружить неожиданные находки.Может не обобщаться на более крупные популяции или контексты.
Это может привести к разработке новых исследовательских вопросов.Полученные результаты могут быть трудно интерпретируемы или объяснимы.
Может учитывать точки зрения участников.Может быть трудно стандартизировать методы в разных исследованиях.
Может использоваться для создания гипотез или теорий.Может не подходить для конкретных прогнозов.
Может использоваться для изучения сложных социальных явлений.Возможны ошибки и несоответствия при сборе данных.
Плюсы и минусы дедуктивного исследования
Позволяют проверить конкретные гипотезы.Может не отражать всей сложности реальных явлений.
Результаты часто воспроизводимы и надежны.Может быть ограничен в изучении новых идей и перспектив.
Статистический анализ позволяет установить причинно-следственные связи.Может упускать из виду важные контекстуальные факторы или отклонения.
Хорошо подходит для количественных методов исследования.Требует априорных знаний или предположений.
Полученные результаты могут служить основой для разработки научно обоснованных практик.Проведение таких исследований может быть ресурсоемким и длительным.
Предлагает точные и количественные данные.Возможны ошибки и неточности измерений.
Можно получить данные, которые можно обобщить на всю популяцию.Может не отражать индивидуальный опыт или вариативность.
Позволяет контролировать внешние переменные.Может не отражать реальных ситуаций и условий.
Может привести к теоретическим достижениям.Возможно, не удастся учесть все возможные переменные.
Может использоваться для подтверждения или опровержения существующих теорий.На них может влиять предвзятость исследователя или его предположения.
Предоставляет четкие и структурированные протоколы исследований.Может не подойти для изучения субъективного опыта.
Примеры индуктивных и дедуктивных исследований
Подробнее об индуктивных и дедуктивных исследованиях можно узнать, посмотрев этот ролик видео на YouTube.
Закончились идеи для инфографики?
Mind the Graph это мощный инструмент, помогающий ученым усилить визуальное воздействие своих работ и привлечь внимание широкой аудитории. Mind the GraphУдобный интерфейс и интуитивно понятные инструменты позволяют легко создавать и модифицировать графику в соответствии с индивидуальными потребностями. Используя имеющиеся в платформе рисунки и шаблоны, исследователи могут эффективно донести сложные концепции и данные до широкой аудитории.
Подпишитесь на нашу рассылку
Эксклюзивный высококачественный контент об эффективных визуальных коммуникация в науке.
– Эксклюзивный гид
– Советы по дизайну
– Научные новости и тенденции
– Учебники и шаблоны