Come si muovono le stelle marine senza un cervello? La risposta potrebbe avere un impatto sulla robotica e altro

Hai mai visto una stella marina muoversi? A molti di noi, le stelle marine sembrano immobili, come una roccia sul fondo dell’oceano, ma in realtà, hanno centinaia di piedi tubolari attaccati al loro ventre. Questi piedi si allungano e si contraggono per attaccarsi al terreno accidentato, per aggrapparsi alla preda e, naturalmente, per muoversi.

Ognuno dei piedi tubolari di una stella marina può agire autonomamente per rispondere agli stimoli, ma accoppiati insieme, possono sincronizzare il loro movimento per produrre un movimento rimbalzante – la loro versione della corsa. Per anni, i ricercatori si sono chiesti esattamente come una stella di mare realizza questa sincronizzazione, dato che non ha un cervello e un sistema nervoso completamente decentralizzato.

La risposta, dai ricercatori della USC Viterbi School of Engineering, è stata recentemente pubblicata sul Journal of the Royal Society Interface: stella di mare coppia un comando di direzionalità globale da un “braccio dominante” con risposte individuali, localizzate agli stimoli per ottenere una locomozione coordinata. In altre parole, una volta che la stella di mare fornisce un’istruzione su come muoversi, i singoli piedi capiscono come raggiungere questo obiettivo da soli, senza ulteriori comunicazioni.

I ricercatori, tra cui il professor Eva Kanso del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica della USC Viterbi e Sina Heydari, un candidato al Ph.D., sono stati affiancati da Matt McHenry, professore associato di ecologia e biologia evolutiva all’Università della California, Irvine; Amy Johnson, professore di biologia marina al Bowdoin College; e Olaf Ellers, ricercatore associato in biologia e matematica al Bowdoin College.

Il lavoro si basa su un modello gerarchico esistente di comportamento, ma va oltre nello spiegare come gran parte della locomozione delle stelle marine avviene localmente rispetto a quella globale.

“Il sistema nervoso non elabora tutto nello stesso posto allo stesso tempo, ma si basa sull’idea che la stella marina è competente e capirà tutto”, ha detto Kanso, uno Zohrab A. Kaprielian Fellow in Ingegneria. “Se un piede tubolare spinge contro il terreno, gli altri sentiranno la forza. Questo accoppiamento meccanico è l’unico modo in cui un piede tubolare condivide informazioni con un altro.”

Il sistema nervoso di una stella di mare è caratterizzato da un anello nervoso che circonda la bocca e si collega ad ogni singolo braccio attraverso un nervo radiale. I muscoli di ogni piede tubolare sono stimolati da neuroni collegati ai nervi radiali e anulari.

Tutti i piedi camminano nella stessa direzione mentre strisciano, ma il loro movimento non è sincronizzato. Tuttavia, quando si raggiunge l’andatura saltellante, le stelle di mare sembrano coordinare decine di piedi in due o tre gruppi sincronizzati. Il team di ricerca, guidato da Kanso, ha esaminato entrambe le modalità di movimento e la transizione tra di esse. Il risultato è un modello che descrive quanta parte della locomozione di una stella di mare è determinata dalla risposta sensoriale-motoria locale a livello dei piedi del tubo rispetto ai comandi sensoriali-motori globali.

Nel mondo animale, il comportamento è spesso descritto da uno dei due modelli prevalenti di locomozione; il comportamento come il volo degli insetti è il risultato del feedback sensoriale che viaggia attraverso un sistema di elaborazione centrale, che invia un messaggio che attiva una risposta, o è il risultato di risposte individuali completamente decentralizzate alle informazioni sensoriali come nei banchi di pesci o nelle colonie di formiche.

Nessuno di questi modelli sembra descrivere il movimento di una stella marina.

“Nel caso della stella marina, il sistema nervoso sembra affidarsi alla fisica dell’interazione tra il corpo e l’ambiente per controllare la locomozione. Tutti i piedi tubolari sono attaccati strutturalmente alla stella di mare e quindi l’uno all’altro.”

In questo modo, c’è un meccanismo di comunicazione meccanica delle “informazioni” tra i piedi tubolari. Un piede tubolare individuale avrebbe solo bisogno di percepire il proprio stato (propriocezione) e rispondere di conseguenza. Poiché il suo stato è accoppiato meccanicamente agli altri piedi tubolari, essi lavorano insieme collettivamente. Quando i piedi tubolari cominciano a muoversi, ognuno produce una forza individuale che diventa parte dell’ambiente sensoriale. In questo modo, ogni piede tubolare risponde anche alle forze prodotte da altri piedi tubolari e alla fine, stabiliscono un ritmo l’uno con l’altro.

Questo è simile ad altri modelli meccanici di coordinazione. Per esempio, prendiamo un set di metronomi meccanici, dispositivi utilizzati per aiutare a mantenere il ritmo o il tempo per un musicista. Si può iniziare un set di 10 a tutte le fasi diverse, appoggiandoli sulla stessa superficie piana. Col tempo, si sincronizzeranno. In gioco c’è l’effetto di accoppiamento meccanico visto con la stella di mare; ogni metronomo sta interagendo meccanicamente con le fasi create dagli altri metronomi e, come tale, sta effettivamente “comunicando” con gli altri metronomi finché non iniziano a battere in completo ritmo e sincronia.

Come il comportamento della stella di mare può aiutarci a progettare sistemi robotici più efficienti

Comprendere come un sistema nervoso distribuito, come quello di una stella di mare, realizza movimenti complessi e coordinati potrebbe portare a progressi in settori come la robotica. Nei sistemi robotici, è relativamente semplice programmare un robot per eseguire compiti ripetitivi. Tuttavia, in situazioni più complesse in cui è richiesta la personalizzazione, i robot devono affrontare delle difficoltà. Come possono i robot essere progettati per applicare gli stessi vantaggi a un problema o ambiente più complesso?

La risposta potrebbe trovarsi nel modello della stella marina, ha detto Kanso. “Usando l’esempio di una stella di mare, possiamo progettare i controllori in modo che l’apprendimento possa avvenire gerarchicamente. C’è una componente decentralizzata sia per il processo decisionale che per la comunicazione a un’autorità globale. Questo potrebbe essere utile per progettare algoritmi di controllo per sistemi con attuatori multipli, dove stiamo delegando molto del controllo alla fisica del sistema – l’accoppiamento meccanico – piuttosto che l’input o l’intervento di un controller centrale.”

In seguito, Kanso e il suo team studieranno come nasce il comando di direzionalità globale e cosa succede se ci sono stimoli concorrenti.