Comment les étoiles de mer se déplacent-elles sans cerveau ? La réponse pourrait avoir un impact sur la robotique et plus

Avez-vous déjà vu une étoile de mer bouger ? Pour beaucoup d’entre nous, les étoiles de mer semblent immobiles, comme un rocher au fond de l’océan, mais en réalité, elles ont des centaines de pieds tubulaires attachés à leur ventre. Ces pieds s’étirent et se contractent pour se fixer sur des terrains accidentés, s’accrocher à des proies et, bien sûr, se déplacer.

Tout pied tubulaire d’une étoile de mer peut agir de manière autonome en répondant à des stimuli, mais couplés ensemble, ils peuvent synchroniser leur mouvement pour produire un mouvement de rebond – leur version de la course. Pendant des années, les chercheurs se sont demandés exactement comment une étoile de mer accomplit cette synchronisation, étant donné qu’elle n’a pas de cerveau et un système nerveux complètement décentralisé.

La réponse, des chercheurs de l’USC Viterbi School of Engineering, a été récemment publiée dans le Journal of the Royal Society Interface : l’étoile de mer couple une commande de direction globale provenant d’un « bras dominant » avec des réponses individuelles et localisées aux stimuli pour obtenir une locomotion coordonnée. En d’autres termes, une fois que l’étoile de mer fournit une instruction sur la façon de se déplacer, les pieds individuels trouvent comment y parvenir par eux-mêmes, sans autre communication.

Les chercheurs, dont le professeur Eva Kanso du département d’ingénierie aérospatiale et mécanique de l’USC Viterbi et Sina Heydari, candidate au doctorat de l’USC Viterbi.D., ont été rejoints par Matt McHenry, professeur associé d’écologie et de biologie évolutive à l’Université de Californie, Irvine ; Amy Johnson, professeur de biologie marine au Bowdoin College ; et Olaf Ellers, chercheur associé en biologie et en mathématiques au Bowdoin College.

Ces travaux s’appuient sur un modèle hiérarchique de comportement existant, mais vont plus loin en expliquant la part de la locomotion de l’étoile de mer qui se produit localement par rapport à celle qui se produit globalement.

« Le système nerveux ne traite pas tout au même endroit et au même moment, mais s’appuie sur l’idée que l’étoile de mer est compétente et va se débrouiller », a déclaré Kanso, un boursier Zohrab A. Kaprielian en ingénierie. « Si un pied tubulaire pousse contre le sol, les autres ressentent la force. Ce couplage mécanique est le seul moyen par lequel un pied tubulaire partage des informations avec un autre. »

Le système nerveux d’une étoile de mer se caractérise par un anneau nerveux qui entoure sa bouche et se connecte à chaque bras individuel par un nerf radial. Les muscles de chaque pied tubulaire sont stimulés par des neurones connectés aux nerfs radiaux et annulaires.

Tous les pieds marchent dans la même direction en rampant, mais leur mouvement n’est pas synchronisé. Cependant, lorsqu’elle réalise la démarche sautillante, l’étoile de mer semble coordonner des dizaines de pieds en deux ou trois groupes synchronisés. L’équipe de recherche, dirigée par Kanso, a étudié les deux modes de déplacement et la transition entre les deux. Le résultat est un modèle qui décrit la part de la locomotion d’une étoile de mer déterminée par une réponse sensori-motrice locale au niveau des pieds tubes par rapport aux commandes sensori-motrices globales.

Dans le monde animal, le comportement est souvent décrit par l’un des deux modèles dominants de locomotion ; un comportement tel que le vol des insectes est le résultat d’un retour sensoriel voyageant à travers un système de traitement central, qui envoie un message activant une réponse, ou il est le résultat de réponses individuelles complètement décentralisées à des informations sensorielles, comme dans les bancs de poissons ou les colonies de fourmis.

Aucun de ces modèles ne semble décrire le mouvement d’une étoile de mer.

« Dans le cas de l’étoile de mer, le système nerveux semble s’appuyer sur la physique de l’interaction entre le corps et l’environnement pour contrôler la locomotion. Tous les pieds tubulaires sont structurellement attachés à l’étoile de mer et donc les uns aux autres »

De cette façon, il existe un mécanisme permettant de communiquer mécaniquement des « informations » entre les pieds tubulaires. Un pied tubulaire individuel aurait seulement besoin de sentir son propre état (proprioception) et de répondre en conséquence. Comme son état est couplé mécaniquement aux autres pieds tubulaires, ils travaillent ensemble de manière collective. Lorsque les pieds tubulaires commencent à bouger, chacun produit une force individuelle qui devient une partie de l’environnement sensoriel. De cette façon, chaque pied tubulaire répond également aux forces produites par les autres pieds tubulaires et finalement, ils établissent un rythme les uns avec les autres.

Ce phénomène est similaire à d’autres modèles mécaniques de coordination. Par exemple, prenez un ensemble de métronomes mécaniques, des dispositifs utilisés pour aider à garder le rythme ou le temps pour un musicien. Vous pouvez démarrer un jeu de 10 métronomes à toutes les phases différentes, en les faisant reposer sur la même surface plane. Avec le temps, ils se synchroniseront. En jeu, l’effet de couplage mécanique observé avec l’étoile de mer ; chaque métronome interagit mécaniquement avec les phases créées par les autres métronomes et, en tant que tel,  » communique  » efficacement avec les autres métronomes jusqu’à ce qu’ils commencent à battre en rythme et en synchronie complets.

Comment le comportement de l’étoile de mer peut nous aider à concevoir des systèmes robotiques plus efficaces

Comprendre comment un système nerveux distribué, comme celui d’une étoile de mer, réalise des mouvements complexes et coordonnés pourrait conduire à des avancées dans des domaines tels que la robotique. Dans les systèmes robotiques, il est relativement simple de programmer un robot pour effectuer des tâches répétitives. Cependant, dans des situations plus complexes où la personnalisation est nécessaire, les robots sont confrontés à des difficultés. Comment les robots peuvent-ils être conçus pour appliquer les mêmes avantages à un problème ou un environnement plus complexe ?

La réponse pourrait se trouver dans le modèle de l’étoile de mer, a déclaré Kanso. « En utilisant l’exemple d’une étoile de mer, nous pouvons concevoir des contrôleurs pour que l’apprentissage puisse se faire de manière hiérarchique. Il existe une composante décentralisée pour la prise de décision et pour la communication avec une autorité globale. Cela pourrait être utile pour concevoir des algorithmes de contrôle pour les systèmes avec de multiples actionneurs, où nous déléguons une grande partie du contrôle à la physique du système – le couplage mécanique – au lieu de l’entrée ou de l’intervention d’un contrôleur central. »

A la suite, Kanso et son équipe examineront comment la commande de directionnalité globale surgit en premier lieu et ce qui se passe s’il y a des stimuli concurrents.

.