Zebravinken leren zingen van een robot in een universiteitslab

Een robotvink in de trainingsruimte van het Instituut Biologie Leiden.

Foto Hedayatullah Amid

Reportage

Biologie Hoe leert een zebravinkmannetje zingen? Een robot in een Leids laboratorium helpt om dat te begrijpen.

In een geluiddichte kamer van de Universiteit Leiden staan Prince en John Lennon. Ze kunnen zingen als de beste. Het onderste deel van de snavel gaat ritmisch op en neer, de kop beweegt van links naar rechts, het verenkleed is felgekleurd: twee volwassen zebravinkmannetjes in de bloei van hun leven.

Zo lijkt het. Maar wie de kamer in het Sylviusgebouw van de universiteit binnenstapt om de vogels van dichtbij te bekijken, ziet algauw: dit zijn geen échte zebravinken. Dit zijn robotvinken. Pootloze modelvogels op een grijze pvc-buis, waarin kabeltjes zijn verwerkt die in verbinding staan met een kastje vol elektronica. Prince en John Lennon zingen deuntjes op commando, ten behoeve van de wetenschap.

„Zebravinken zijn ontzettend vocaal”, vertelt Katharina Riebel, onderzoeker bij het Instituut Biologie Leiden, onderdeel van de universiteit. „De groep die wij hier hebben kwettert de hele dag door. Maar dat zijn vooral korte roepen. Bij deze soort kunnen alleen de mannetjes echt uitgebreid zingen, om een partner te imponeren. Wij willen nu achterhalen hoe de overdracht van het repertoire van mannetjes op jonge vogels precies in z’n werk gaat. Hoe leren zebravinken zingen?”

Aanvankelijk deden Riebel en collega’s onderzoek met behulp van geluidsopnames, die ze aan jonge zebravinken lieten horen. „Dat is binnen de biologie de standaardmanier: wil je weten hoe een dier geluiden aanleert, dan speel je geluiden af. Daarbij wordt geheel voorbijgegaan aan het visuele aspect.”

Mannetjeszebravinken in het Instituut Biologie Leiden.
Foto’s Hedayatullah Amid

Opgezette vogel

„En dat terwijl bekend is hoe belangrijk gezichtsuitdrukkingen zijn om een taal te leren”, vult taalwetenschapper Judith Varkevisser aan, die als promovendus bij het project betrokken was. „Baby’s letten bijvoorbeeld heel goed op lipbewegingen.”

Om die reden besloot Riebel, samen met onderzoekers van de Vrije Universiteit Amsterdam (VU) en de Vrije Universiteit Berlijn, tot een nieuwe aanpak: het ontwerpen van een robotvink. Zo zou het mogelijk zijn om het leerproces in detail te bestuderen, bijvoorbeeld door vinkenzang af te spelen in combinatie met specifieke kopbewegingen. Of door te onderzoeken of ze óók leren van een vogel die wel z’n snavel beweegt maar geen geluid maakt.

Een jonge mannelijke zebravink leert zingen in de eerste drie maanden van zijn leven. Tussen de 35 en 65 dagen zijn ze ontvankelijk voor een melodie, blijkt uit onderzoek. Riebel: „In de daaropvolgende maand gaan ze oefenen en lijkt het steeds meer. Als ze rond de 100 dagen oud zijn hebben ze hun eigen lied.” Daarna lukt het niet meer.

Het was belangrijk dat de robotvink écht zou lijken, en niet verstoten zou worden. „We zijn zelfs op bezoek geweest bij een taxidermist, om te vragen of hij ons zou kunnen helpen met het inbouwen van een robot in een opgezette vogel”, vertelt mechanisch ingenieur en instrumentmaker Rogier Elsinga in de werkplaats aan de VU. „Maar die zag dat niet zitten. Toen zijn we er maar eentje gaan namaken.”

Op basis van (op natuurlijke wijze) overleden zebravinken uit de vriezer maakte Elsinga met ecoloog Wouter Halfwerk een gedetailleerde scan, de basis voor een 3D-print. „We hebben ervoor gezorgd dat de vorm overeenkomt met die van levende vinken. Zelfs de bolling van de kop hebben we net zo lang bijgeschaafd tot we de goede curve hadden.”

Elke mannetjesvink werd natuurgetrouw beschilderd: strepen op de borst, kenmerkende kring rond de ogen. „Daar hadden we iemand voor gevraagd die in zijn vrije tijd van die piepkleine actiefiguurtjes beschildert”, zegt Elsinga.

Robotvinken in het Instituut Biologie Leiden. Foto Hedayatullah Amid

Hogesnelheidscamera

Voor het binnenwerk deed hij vanuit een onverwachte hoek inspiratie op. „Mijn dochters hadden een nieuw speeltje: een Digibird, een interactief vogeltje dat terugzingt als je ertegen fluit. Die vogel kan óók z’n kop bewegen en z’n snavel openen, en dat mechaniek bleek precies te passen in ons ontwerp.” Net als bij echte vogels beweegt bij de RoboFinch alleen het onderste deel van de snavel; het bovenste deel blijft op z’n plek.

Om precies te weten welke bewegingen kop en snavel maken, en hoe vaak, filmde Judith Varkevisser echte zebravinken met een hogesnelheidscamera, met 120 frames per seconde. „Vogels kunnen meer details onderscheiden binnen dezelfde tijd dan mensen.”

Elsinga’s elektronicacollega’s Peter Wiersma en Wesley Delmeer van de VU-werkplaats bouwden in het kastje onder de vogel een microcontroller in, waardoor de robot levensechte kop- en snavelbewegingen kan maken. Ook de riedeltjes zijn natuurgetrouw: elke robot zing een liedje van een andere vogel uit het Leidse lab. Elsinga: „Eigenlijk hadden we ook de borst nog natuurgetrouw op- en neer willen laten bewegen, alsof de vogel aan het ademen is, maar dat werd te tijdrovend.”

Zo klinkt de robotzebravink.

Fragment en uitsnede uit video van VU Amsterdam en Instituut Biologie Leiden

Agressief gedrag

Inmiddels zijn er acht robotzebravinken in gebruik. Aanvankelijk waren het allemaal mannetjes, omdat het onderzoek zich op het leerproces van jonge vinken richtte. Riebel: „Maar intussen zijn we ook benieuwd geworden naar de interactie tussen mannelijke en vrouwelijke vogels.” Bijvoorbeeld: welke riedeltjes vinden vrouwelijke vinken aantrekkelijk?

Tijdens de experimenten wordt een echte vogel in dezelfde ruimte als een van de robotvinken gebracht, en blootgesteld aan drie ‘zangsessies’. In een sessie klinkt zang, maar is de robot niet te zien. In een andere beweegt de robot wel, maar zonder geluid. En in een derde sessie is er geluid én beweging. Riebel: „Met opzet variëren we de volgorde van die sessies, zodat we zeker weten dat er geen sprake is van gewenning.”

Zo’n nepvogel ruikt natuurlijk ook heel anders

Rogier Elsinga mechanisch ingenieur en instrumentmaker

„Van tevoren waren we een beetje zenuwachtig over de interactie tussen de zebravinken en de robots”, vertelt Varkevisser. Riebel vult aan: „We maakten ons zorgen dat de vogels het mechaniek zouden beschadigen als ze met hun snavel aan de robot zaten. Zebravinken staan erom bekend dat ze hun soortgenoten poetsen, en soms zaadjes aanbieden.” Elsinga: „Daarom plaatsten we een transparant schot tussen de RoboFinch en de vogels. Toen we zagen dat ze vooral nieuwsgierig reageerden, hebben we het schot weggehaald.” Aan weerszijden van de robot werden twee horizontale stokken gemonteerd, waarop de vinken op een afstandje konden plaatsnemen. „Tot onze verrassing was die afstand nauwelijks nodig. Ze gingen vrijwel meteen dicht bij de robotvink zitten, alsof ze hem als soortgenoot accepteerden.”

De échte veertjes en de op-en-neer gaande borst waren dus minder essentieel dan gedacht. „En je moet bedenken: zo’n nepvogel ruikt natuurlijk ook heel anders. Maar dat bleek evenmin een probleem.” Riebel: „We hebben nog speciaal onderzocht of het zachte klikgeluid dat je tijdens het zingen van de robot hoort verstorend zou werken op het leerproces, maar dat was niet het geval. Het klikgeluid werd ook niet geïmiteerd door de jonge vogels.”

Hoewel de eerste onderzoeksresultaten nog niet gepubliceerd zijn, zijn de onderzoekers al positief gestemd over het experiment. „We hebben de programmering van de vogel met opzet open source gepubliceerd, in de hoop dat andere onderzoekers voortbouwen op ons ontwerp”, zegt Elsinga. Met een glimlach: „De robotvink kan zich nog altijd doorontwikkelen. Wat dat betreft is het net evolutie.”