Jak gwiazdy morskie poruszają się bez mózgu? The answer could impact robotics and more

Czy kiedykolwiek widzieliście poruszającą się gwiazdę morską? Dla wielu z nas gwiazda morska wydaje się nieruchoma, jak skała na dnie oceanu, ale w rzeczywistości ma setki rurkowatych stóp przymocowanych do ich podbrzusza. Te stopy rozciągają się i kurczą, aby przyczepić się do szorstkiego terenu, trzymać się zdobyczy i, oczywiście, poruszać się.

Każda jedna stopa rurowa na gwieździe morskiej może działać autonomicznie w odpowiedzi na bodźce, ale połączone razem, mogą zsynchronizować swój ruch, aby wytworzyć odbijający się ruch-ich wersja biegania. Przez lata badacze zastanawiali się dokładnie, jak gwiazda morska osiąga tę synchronizację, biorąc pod uwagę, że nie ma mózgu i całkowicie zdecentralizowanego układu nerwowego.

Odpowiedź, od naukowców z USC Viterbi School of Engineering, została niedawno opublikowana w Journal of the Royal Society Interface: gwiazda morska sprzęga globalne polecenie kierunkowości z „dominującego ramienia” z indywidualnymi, zlokalizowanymi odpowiedziami na bodźce, aby osiągnąć skoordynowaną lokomocję. Innymi słowy, gdy gwiazda morska dostarczy instrukcję, w którą stronę się poruszać, poszczególne stopy wymyślają, jak to osiągnąć na własną rękę, bez dalszej komunikacji.

Badacze, w tym profesor Eva Kanso w USC Viterbi’s Department of Aerospace and Mechanical Engineering i Sina Heydari, doktorant USC Viterbi Ph.D., dołączyli Matt McHenry, profesor nadzwyczajny ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine; Amy Johnson, profesor biologii morskiej w Bowdoin College; oraz Olaf Ellers, pracownik naukowy w dziedzinie biologii i matematyki w Bowdoin College.

Praca opiera się na istniejącym hierarchicznym modelu zachowania, ale idzie dalej w wyjaśnianiu, jak wiele z lokomocji gwiazdy morskiej dzieje się lokalnie w porównaniu z globalnie.

„System nerwowy nie przetwarza wszystkiego w tym samym miejscu i w tym samym czasie, ale opiera się na idei, że gwiazda morska jest kompetentna i wymyśli to”, powiedział Kanso, Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. „Jeśli jedna stopa rury naciska na ziemię, inne będą czuć siłę. To mechaniczne sprzężenie jest jedynym sposobem, w jaki jedna stopa rurki dzieli się informacjami z drugą.”

Układ nerwowy gwiazdy morskiej charakteryzuje się pierścieniem nerwowym, który otacza jej usta i łączy się z każdym indywidualnym ramieniem poprzez nerw promieniowy. Mięśnie każdej stopy rurowej są stymulowane przez neurony połączone z nerwami promieniowymi i pierścieniowymi.

Wszystkie stopy robią kroki w tym samym kierunku podczas pełzania, ale ich ruch nie jest zsynchronizowany. Jednakże, gdy osiągnięcie odbijając chód, gwiazda morska wydają się koordynować dziesiątki stóp do dwóch lub trzech zsynchronizowanych grup. Zespół badawczy, kierowany przez Kanso, przyjrzał się obu trybom ruchu oraz przejściom między nimi. Rezultatem jest model, który opisuje, jak wiele z lokomocji gwiazdy morskiej jest określane przez lokalne sensoryczno-motoryczne odpowiedzi na poziomie stóp rurki versus globalne sensoryczno-motoryczne polecenia.

W świecie zwierząt, zachowanie jest często opisywane przez jeden z dwóch dominujących modeli lokomocji; zachowanie takie jak lot owadów jest wynikiem sensorycznego sprzężenia zwrotnego podróżującego przez centralny system przetwarzania, który wysyła wiadomość aktywującą odpowiedź, lub jest wynikiem całkowicie zdecentralizowanych, indywidualnych odpowiedzi na informacje sensoryczne, takie jak w ławicach ryb lub koloniach mrówek.

Żaden z tych modeli wydaje się opisywać ruch gwiazdy morskiej.

„W przypadku gwiazdy morskiej, układ nerwowy wydaje się polegać na fizyce interakcji między ciałem a środowiskiem do kontroli lokomocji. All of the tube feet are attached structurally to the sea star and thus, to each other.”

In this way, there is a mechanism for „information” to be communicated mechanically between tube feet. Indywidualna stopa rura musiałaby tylko wyczuć swój własny stan (propriocepcja) i reagować odpowiednio. Ponieważ jego stan jest sprzężony mechanicznie z innymi stopami rurowymi, pracują one razem kolektywnie. Gdy stopy rurowe zaczynają się poruszać, każda z nich wytwarza indywidualną siłę, która staje się częścią środowiska sensorycznego. W ten sposób każda stopa rurowa reaguje również na siły wytwarzane przez inne stopy rurowe i ostatecznie ustanawiają one ze sobą rytm.

Jest to podobne do innych mechanicznych modeli koordynacji. Na przykład, weź zestaw mechanicznych metronomów, urządzeń używanych do pomocy w utrzymaniu rytmu lub czasu dla muzyka. Możesz rozpocząć zestaw 10 na wszystkich różnych fazach, opierając je na tej samej płaskiej powierzchni. Z czasem będą się one synchronizować. W grze jest mechaniczny efekt sprzężenia widziany z gwiazdą morską; każdy metronom mechanicznie oddziałuje z fazami tworzonymi przez inne metronomy i jako taki skutecznie „komunikuje się” z innymi metronomami, aż zaczną bić w całkowitym rytmie i synchronizacji.

Jak zachowanie gwiazdy morskiej może nam pomóc zaprojektować bardziej wydajne systemy robotyki

Zrozumienie, jak rozproszony system nerwowy, taki jak u gwiazdy morskiej, osiąga złożone, skoordynowane ruchy, może prowadzić do postępów w dziedzinach takich jak robotyka. W systemach robotyki, to jest stosunkowo proste, aby zaprogramować robota do wykonywania powtarzających się zadań. Jednak w bardziej złożonych sytuacjach, w których wymagane jest dostosowanie do indywidualnych potrzeb, roboty napotykają na trudności. Jak roboty mogą być zaprojektowane, aby zastosować te same korzyści do bardziej złożonego problemu lub środowiska? Odpowiedź może leżeć w modelu gwiazdy morskiej, powiedział Kanso. „Używając przykładu gwiazdy morskiej, możemy zaprojektować kontrolery tak, aby uczenie się odbywało się hierarchicznie. Istnieje zdecentralizowany komponent zarówno do podejmowania decyzji, jak i do komunikowania się z globalnym autorytetem. Może to być przydatne do projektowania algorytmów kontroli dla systemów z wieloma siłownikami, gdzie przekazujemy wiele kontroli fizyce systemu – mechanicznemu sprzężeniu – w przeciwieństwie do wkładu lub interwencji centralnego kontrolera.”

Następnie Kanso i jej zespół przyjrzą się, jak powstaje globalna komenda kierunkowości i co się dzieje, gdy istnieją konkurencyjne bodźce.

.