Kan søstjernebevægelse inspirere til bedre robotter?

Har du nogensinde set en havstjerne bevæge sig? For mange af os, havstjerne virker ubevægelig, som en sten på havbunden, men i virkeligheden, de har hundredvis af rørfødder fastgjort til deres underliv. Disse fødder strækker sig og trækker sig sammen for at fastgøre til ujævnt terræn, hold fast i byttet og, selvfølgelig, bevæge sig.

Enhver rørfod på en havstjerne kan handle autonomt som reaktion på stimuli, men koblet sammen, de kan synkronisere deres bevægelse for at producere en hoppende bevægelse - deres version af løb. Årevis, forskere har spekuleret på præcis, hvordan en havstjerne opnår denne synkronisering, da den ikke har nogen hjerne og et helt decentraliseret nervesystem.

Svaret, fra forskere ved USC Viterbi School of Engineering, blev offentliggjort i dag i Journal of the Royal Society Interface :søstjernepar en global retningskommando fra en "dominerende arm" med individ, lokaliserede reaktioner på stimuli for at opnå koordineret bevægelse. Med andre ord, når havstjernen giver en instruktion om, hvilken vej man skal bevæge sig, de enkelte fødder finder ud af, hvordan de kan opnå dette på egen hånd, uden yderligere kommunikation.

Forskerne, herunder professor Eva Kanso i USC Viterbis afdeling for rum- og maskinteknik og Sina Heydari, en USC Viterbi Ph.D. kandidat, fik selskab af Matt McHenry, lektor i økologi og evolutionær biologi ved University of California, Irvine; Amy Johnson, professor i havbiologi ved Bowdoin College; og Olaf Ellers, forskningsassistent i biologi og matematik ved Bowdoin College.

Arbejdet bygger på en eksisterende hierarkisk adfærdsmodel, men går videre med at forklare, hvor meget af havstjernens bevægelse, der sker lokalt versus globalt.

"Nervesystemet behandler ikke alt på samme sted på samme tid, men bygger på tanken om, at havstjernen er kompetent og vil finde ud af det, "sagde Kanso, en Zohrab A. Kaprielian -stipendiat i teknik. "Hvis en rørfod skubber mod jorden, de andre vil mærke kraften. Denne mekaniske kobling er den eneste måde, hvorpå en rørfod deler information med en anden. "

En tredje model for bevægelse

En havstjernes nervesystem er kendetegnet ved en nervering, der omgiver munden og forbinder til hver enkelt arm gennem en radial nerve. Musklerne i hver rørfod stimuleres af neuroner forbundet til radial- og ringnerverne.

Alle fødder træder i samme retning, mens de kravler, men deres bevægelse er ikke synkroniseret. Imidlertid, når du opnår den hoppende gangart, havstjerne ser ud til at koordinere snesevis af fødder i to eller tre synkroniserede grupper. Forskergruppen, ledet af Kanso, kiggede på begge bevægelsesmåder, og overgangen mellem dem. Resultatet er en model, der beskriver, hvor meget af en søstjernes bevægelse, der bestemmes af lokal sensorisk-motorisk reaktion på rørfødder-niveau versus globale sensorisk-motoriske kommandoer.

I dyreverdenen, adfærd er ofte beskrevet af en af ​​to fremherskende modeller for bevægelse; adfærd såsom insektflyvning er resultatet af sensorisk feedback, der rejser gennem et centralt behandlingssystem, som sender en besked, der aktiverer et svar, eller det er resultatet af fuldstændig decentraliseret, individuelle reaktioner på sensoriske oplysninger såsom i fiskeskoler eller myrkolonier.

Ingen af ​​disse modeller synes at beskrive bevægelsen af ​​en havstjerne.

"I tilfælde af havstjernen, nervesystemet ser ud til at stole på fysikken i interaktionen mellem kroppen og miljøet for at kontrollere bevægelse. Alle rørfødderne er fastgjort strukturelt til havstjernen og dermed, til hinanden."

På denne måde, der er en mekanisme til "information", der skal kommunikeres mekanisk mellem rørfødderne. En individuel rørfod behøver kun at føle sin egen tilstand (proprioception) og reagere i overensstemmelse hermed. Fordi dens tilstand er mekanisk koblet til andre rørfødder, de arbejder sammen. Når rørfødderne begynder at bevæge sig, hver producerer en individuel kraft, der bliver en del af det sansemiljø. På denne måde, hver rørfod reagerer også på de kræfter, der produceres af andre rørfødder og til sidst, de etablerer en rytme med hinanden.

Dette ligner andre mekaniske koordineringsmodeller. For eksempel, tage et sæt mekaniske metronomer, enheder, der bruges til at holde rytmen eller tiden til en musiker. Du kan starte et sæt på 10 på alle forskellige faser, hviler dem på den samme flade overflade. Over tid, de vil synkronisere. På spil er den mekaniske koblingseffekt set med havstjernen; hver metronom interagerer mekanisk med de faser, der er skabt af de andre metronomer, og som sådan, "kommunikerer" effektivt med de andre metronomer, indtil de begynder at slå i fuldstændig rytme og synkronisering.

Hvordan havstjernens adfærd kan hjælpe os med at designe mere effektive robotiksystemer

Forståelse for hvordan et distribueret nervesystem, som en havstjerne, opnår komplekse, koordinerede bevægelser kan føre til fremskridt inden for områder som robotik. I robotsystemer, det er relativt ligetil at programmere en robot til at udføre gentagne opgaver. Imidlertid, i mere komplekse situationer, hvor tilpasning er påkrævet, robotter står over for vanskeligheder. Hvordan kan robotter konstrueres til at anvende de samme fordele på et mere komplekst problem eller miljø?

Svaret ligger måske i sea star -modellen, Sagde Kanso. "Ved hjælp af eksemplet med en havstjerne, vi kan designe controllere, så læring kan ske hierarkisk. Der er en decentral komponent til både beslutningstagning og til kommunikation til en global myndighed. Dette kan være nyttigt til at designe kontrolalgoritmer til systemer med flere aktuatorer, hvor vi delegerer meget af kontrollen til systemets fysik - mekanisk kobling - kontra input eller intervention fra en central controller. "

Næste, Kanso og hendes team vil se på, hvordan den globale retningskommando opstår i første omgang, og hvad der sker, hvis der er konkurrerende stimuli.