Hogyan mozognak a tengeri csillagok agy nélkül? A válasz hatással lehet a robotikára és másra

Láttál már valaha tengeri csillagot mozogni? Sokunk számára a tengeri csillagok mozdulatlannak tűnnek, mint egy szikla az óceán fenekén, de valójában több száz csőláb csatlakozik az aljukhoz. Ezek a lábak nyúlnak és húzódnak össze, hogy megtapadjanak az egyenetlen terepen, megragadják a zsákmányt, és persze mozogjanak.

A tengeri csillag bármelyik csőlába önállóan is reagálhat az ingerekre, de együttesen szinkronizálva a mozgásukat, ugráló mozgást produkálnak – ez az ő változatuk a futásról. A kutatók évek óta azon tűnődnek, hogy a tengeri csillag pontosan hogyan éri el ezt a szinkronizálást, mivel nincs agya és teljesen decentralizált idegrendszere.

A választ, amelyet a USC Viterbi School of Engineering kutatói adtak, nemrég publikálták a Journal of the Royal Society Interface című folyóiratban: a tengeri csillag egy “domináns kar” globális irányítási parancsát párosítja az ingerekre adott egyéni, lokalizált válaszokkal, hogy összehangolt mozgást érjen el. Más szóval, miután a tengeri csillag utasítást ad arra, hogy merre kell mozogni, az egyes lábak további kommunikáció nélkül maguktól kitalálják, hogyan érjék el ezt.

A kutatók, köztük Eva Kanso professzor a USC Viterbi Repülés- és Gépészmérnöki Tanszékéről és Sina Heydari, a USC Viterbi Ph.D. jelölt, Matt McHenry, az Irvine-i Kaliforniai Egyetem ökológia és evolúciós biológia docense, Amy Johnson, a Bowdoin College tengerbiológia professzora és Olaf Ellers, a Bowdoin College biológia és matematika kutató munkatársa.

A munka a viselkedés már létező hierarchikus modelljére épül, de továbbmegy annak magyarázatában, hogy a tengeri csillagok helyváltoztatásának mekkora része történik lokálisan, szemben a globális mozgással.

“Az idegrendszer nem dolgoz fel mindent ugyanazon a helyen, egyszerre, hanem arra az elképzelésre támaszkodik, hogy a tengeri csillag kompetens, és majd kitalálja” – mondta Kanso, a Zohrab A. Kaprielian mérnöki ösztöndíjas. “Ha az egyik csőláb nekinyomódik a talajnak, a többi is érzi az erőt. Ez a mechanikai csatolás az egyetlen módja annak, hogy az egyik csőláb információt osszon meg a másikkal.”

A tengeri csillag idegrendszerét egy ideggyűrű jellemzi, amely körülveszi a száját, és minden egyes karjához egy sugáridegen keresztül csatlakozik. Az egyes csőlábak izmait a radiális és a gyűrűs idegekhez kapcsolódó neuronok stimulálják.”

Minden láb ugyanabba az irányba lép kúszás közben, de mozgásuk nem szinkronizált. Az ugráló járás elérésekor azonban úgy tűnik, hogy a tengeri csillag több tíz lábát két vagy három szinkronizált csoportba koordinálja. A Kanso által vezetett kutatócsoport mindkét mozgásmódot, illetve a köztük lévő átmenetet vizsgálta. Az eredmény egy olyan modell, amely leírja, hogy a tengeri csillagok helyváltoztatásának mekkora részét határozza meg a csőlábak szintjén a helyi érzékszervi-motoros válasz, szemben a globális érzékszervi-motoros parancsokkal.

Az állatvilágban a viselkedést gyakran a helyváltoztatás két uralkodó modelljének egyikével írják le; a viselkedés, mint például a rovarok repülése, egy központi feldolgozórendszeren keresztül haladó érzékszervi visszajelzés eredménye, amely egy választ aktiváló üzenetet küld, vagy pedig az érzékszervi információkra adott teljesen decentralizált, egyéni válaszok eredménye, mint például a halrajokban vagy hangyakolóniákban.

Egyik modell sem látszik leírni a tengeri csillag mozgását.

“A tengeri csillag esetében úgy tűnik, hogy az idegrendszer a test és a környezet közötti kölcsönhatás fizikájára támaszkodik a mozgás irányításában. A csőlábak mindegyike szerkezetileg kapcsolódik a tengeri csillaghoz, és így egymáshoz is.”

Ezzel a mechanikai mechanizmussal a csőlábak közötti “információközlés” mechanizmusa valósul meg. Az egyes csőlábnak csak a saját állapotát kellene érzékelnie (propriocepció), és ennek megfelelően reagálnia. Mivel az állapota mechanikusan összekapcsolódik a többi csőlábbal, azok együttesen működnek. Ahogy a csőlábak mozogni kezdenek, mindegyikük egyéni erőt termel, amely az érzékelési környezet részévé válik. Ily módon minden egyes csőláb reagál a többi csőláb által termelt erőkre is, és végül ritmust alakítanak ki egymással.

Ez hasonló a koordináció más mechanikai modelljeihez. Vegyünk például egy sor mechanikus metronómot, olyan eszközöket, amelyeket arra használnak, hogy segítsenek tartani a ritmust vagy az időt egy zenésznek. Elindíthatunk egy 10 darabos készletet minden különböző fázisban, ugyanarra a sík felületre támasztva őket. Idővel szinkronizálódni fognak. Itt a tengeri csillagoknál megfigyelhető mechanikai összekapcsolódási hatás játszódik le; minden egyes metronóm mechanikusan kölcsönhatásba lép a többi metronóm által létrehozott fázisokkal, és mint ilyenek, hatékonyan “kommunikálnak” a többi metronómmal, amíg azok teljes ritmusban és szinkronban kezdenek ütni.

Hogyan segíthet a tengeri csillag viselkedése hatékonyabb robotikai rendszerek tervezésében

Ezzel a megértéssel, hogy egy olyan elosztott idegrendszer, mint a tengeri csillagoké, hogyan ér el komplex, összehangolt mozgásokat, olyan területeken lehet előrelépést elérni, mint a robotika. A robotikai rendszerekben viszonylag egyszerű egy robotot ismétlődő feladatok elvégzésére programozni. Az összetettebb helyzetekben azonban, ahol testreszabásra van szükség, a robotok nehézségekbe ütköznek. Hogyan lehet a robotokat úgy tervezni, hogy ugyanazokat az előnyöket egy összetettebb problémára vagy környezetre is alkalmazzák?

A válasz talán a tengeri csillag modelljében rejlik, mondta Kanso. “A tengeri csillag példáját használva úgy tervezhetünk vezérlőket, hogy a tanulás hierarchikusan történjen. Van egy decentralizált komponens mind a döntéshozatalhoz, mind a globális hatósággal való kommunikációhoz. Ez hasznos lehet több működtetővel rendelkező rendszerek vezérlőalgoritmusainak tervezésénél, ahol a vezérlés nagy részét a rendszer fizikájára – mechanikai csatolás – bízzuk, szemben egy központi vezérlő bemenetével vagy beavatkozásával.”

A következőkben Kanso és csapata azt fogja megvizsgálni, hogyan keletkezik egyáltalán a globális irányítási parancs, és mi történik, ha egymással versengő ingerek vannak.

.