Como se movem as estrelas do mar sem um cérebro? A resposta poderia impactar a robótica e mais

Você já viu uma estrela do mar se mover? Para muitos de nós, a estrela do mar parece imóvel, como uma rocha no fundo do oceano, mas na realidade, eles têm centenas de pés de tubo presos à sua barriga inferior. Estes pés esticam-se e contraem-se para se prenderem ao terreno acidentado, agarram-se às presas e, claro, movem-se.

Um pé tubular numa estrela do mar pode agir autonomamente na resposta aos estímulos, mas acoplados uns aos outros, podem sincronizar o seu movimento para produzir um movimento saltitante – a sua versão de corrida. Durante anos, pesquisadores têm se perguntado exatamente como uma estrela do mar realiza essa sincronização, já que ela não tem cérebro e um sistema nervoso completamente descentralizado.

A resposta, dos pesquisadores da Escola de Engenharia Viterbi da USC, foi recentemente publicada no Journal of the Royal Society Interface: Sea star a par de um comando de direcionalidade global a partir de um “braço dominante” com respostas individuais e localizadas a estímulos para alcançar uma locomoção coordenada. Em outras palavras, uma vez que a estrela do mar fornece uma instrução de como se mover, os pés individuais descobrem como conseguir isso por conta própria, sem mais comunicação.

Os pesquisadores, incluindo a professora Eva Kanso do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da USC Viterbi e Sina Heydari, Ph.D. da USC Viterbi.D., juntaram-se a eles Matt McHenry, professor associado de ecologia e biologia evolutiva na Universidade da Califórnia, Irvine; Amy Johnson, professora de biologia marinha no Bowdoin College; e Olaf Ellers, associado de pesquisa em biologia e matemática no Bowdoin College.

O trabalho se baseia em um modelo hierárquico de comportamento existente, mas vai mais longe ao explicar o quanto a locomoção por estrela do mar acontece localmente versus globalmente.

“O sistema nervoso não processa tudo no mesmo lugar ao mesmo tempo, mas se baseia na idéia de que a estrela do mar é competente e vai descobrir”, disse Kanso, um Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. “Se um pé de tubo empurrar contra o chão, os outros sentirão a força”. Este acoplamento mecânico é a única forma pela qual um pé tubular compartilha informações com outro”

O sistema nervoso de uma estrela do mar é caracterizado por um anel nervoso que envolve sua boca e se conecta a cada braço individual através de um nervo radial. Os músculos de cada pé tubular são estimulados por neurônios conectados aos nervos radial e anelar.

Todos os pés pisam na mesma direção enquanto rastejam, mas seu movimento não é sincronizado. No entanto, ao alcançar o movimento de salto, a estrela do mar parece coordenar dezenas de pés em dois ou três grupos sincronizados. A equipe de pesquisa, liderada por Kanso, observou os dois modos de movimento, e a transição entre eles. O resultado é um modelo que descreve quanto da locomoção de uma estrela do mar é determinada pela resposta sensorial-motora local ao nível dos pés do tubo versus comandos sensoriais-motores globais.

No mundo animal, o comportamento é frequentemente descrito por um de dois modelos de locomoção predominantes; comportamento como o voo de insectos é o resultado de feedback sensorial viajando através de um sistema central de processamento, que envia uma mensagem activando uma resposta, ou é o resultado de respostas completamente descentralizadas e individuais à informação sensorial, como em cardumes de peixes ou colónias de formigas.

Nenhum destes modelos parece descrever o movimento de uma estrela marinha.

“No caso da estrela marinha, o sistema nervoso parece confiar na física da interacção entre o corpo e o ambiente para controlar a locomoção. Todos os pés dos tubos estão ligados estruturalmente à estrela do mar e, portanto, uns aos outros”.

“Desta forma, existe um mecanismo de “informação” a ser comunicada mecanicamente entre os pés dos tubos. Um pé tubular individual só precisaria sentir seu próprio estado (propriocepção) e responder de acordo. Como seu estado é acoplado mecanicamente a outros pés tubulares, eles trabalham juntos coletivamente. Quando os pés tubulares começam a se mover, cada um produz uma força individual que se torna uma parte do ambiente sensorial. Desta forma, cada pé tubular também responde às forças produzidas por outros pés tubulares e eventualmente, eles estabelecem um ritmo um com o outro.

Esta é similar a outros modelos mecânicos de coordenação. Por exemplo, pegue um conjunto de metrônomos mecânicos, dispositivos usados para ajudar a manter o ritmo ou o tempo de um músico. Você pode iniciar um conjunto de 10 em todas as fases diferentes, descansando-os sobre a mesma superfície plana. Com o tempo, eles irão sincronizar-se. No jogo está o efeito de acoplamento mecânico visto com a estrela do mar; cada metrônomo está interagindo mecanicamente com as fases criadas pelos outros metrônomos e como tal, está efetivamente “comunicando” com os outros metrônomos até que comecem a bater em ritmo e sincronia completos.

Como o comportamento da estrela do mar pode nos ajudar a projetar sistemas robóticos mais eficientes

Compreendendo como um sistema nervoso distribuído, como o de uma estrela do mar, alcança movimentos complexos e coordenados podem levar a avanços em áreas como a robótica. Em sistemas robóticos, é relativamente simples programar um robô para realizar tarefas repetitivas. No entanto, em situações mais complexas, onde a personalização é necessária, os robôs enfrentam dificuldades. Como os robôs podem ser projetados para aplicar os mesmos benefícios a um problema ou ambiente mais complexo?

A resposta pode estar no modelo de estrela do mar, disse Kanso. “Usando o exemplo de uma estrela do mar, nós podemos projetar controladores para que o aprendizado possa acontecer hierarquicamente. Existe um componente descentralizado tanto para a tomada de decisões como para a comunicação com uma autoridade global. Isto pode ser útil para projetar algoritmos de controle para sistemas com múltiplos atuadores, onde estamos delegando muito do controle à física do acoplamento sistema-mecânico versus a entrada ou intervenção de um controlador central”

Next, Kanso e sua equipe irão analisar como o comando de direcionalidade global surge em primeiro lugar e o que acontece se houver estímulos concorrentes.