Cum se mișcă stelele de mare fără creier? Răspunsul ar putea avea impact asupra roboticii și nu numai

Ați văzut vreodată o stea de mare mișcându-se? Pentru mulți dintre noi, steaua de mare pare nemișcată, ca o piatră de pe fundul oceanului, dar în realitate, ele au sute de picioare tubulare atașate de burta lor. Aceste picioare se întind și se contractă pentru a se atașa de terenul accidentat, pentru a se agăța de pradă și, bineînțeles, pentru a se mișca.

Care picior tubular de la o stea de mare poate acționa în mod autonom pentru a răspunde la stimuli, dar, cuplate împreună, ele își pot sincroniza mișcarea pentru a produce o mișcare de săritură – versiunea lor de alergare. Timp de ani de zile, cercetătorii s-au întrebat cum anume reușește o stea de mare să realizeze această sincronizare, având în vedere că nu are creier și are un sistem nervos complet descentralizat.

Răspunsul, dat de cercetătorii de la USC Viterbi School of Engineering, a fost publicat recent în Journal of the Royal Society Interface: steaua de mare cuplează o comandă de direcționalitate globală de la un „braț dominant” cu răspunsuri individuale și localizate la stimuli pentru a realiza o locomoție coordonată. Cu alte cuvinte, odată ce steaua de mare oferă o instrucțiune cu privire la direcția în care trebuie să se deplaseze, picioarele individuale își dau seama cum să realizeze acest lucru pe cont propriu, fără alte comunicări.

Cercetătorii, printre care se numără profesorul Eva Kanso din cadrul Departamentului de Inginerie Aerospațială și Mecanică al USC Viterbi și Sina Heydari, doctorandă la USC Viterbi.D., au fost însoțiți de Matt McHenry, profesor asociat de ecologie și biologie evoluționistă la Universitatea din California, Irvine; Amy Johnson, profesor de biologie marină la Bowdoin College; și Olaf Ellers, cercetător asociat în biologie și matematică la Bowdoin College.

Lucrarea se bazează pe un model ierarhic existent al comportamentului, dar merge mai departe în a explica cât de mult din locomoția stelei de mare se întâmplă la nivel local față de global.

„Sistemul nervos nu procesează totul în același loc și în același timp, ci se bazează pe ideea că steaua de mare este competentă și își va da seama”, a declarat Kanso, un bursier Zohrab A. Kaprielian în inginerie. „Dacă un picior tubular împinge împotriva solului, celelalte vor simți forța. Această cuplare mecanică este singura modalitate prin care un picior tubular împărtășește informații cu altul.”

Sistemul nervos al unei stele de mare este caracterizat de un inel nervos care îi înconjoară gura și se conectează la fiecare braț individual printr-un nerv radial. Mușchii fiecărui picior tubular sunt stimulați de neuronii conectați la nervii radial și inelar.

Toate picioarele pășesc în aceeași direcție în timp ce se târăsc, dar mișcarea lor nu este sincronizată. Cu toate acestea, atunci când realizează mersul săltăreț, steaua de mare pare să coordoneze zeci de picioare în două sau trei grupuri sincronizate. Echipa de cercetători, condusă de Kanso, a analizat ambele moduri de mișcare, precum și tranziția dintre ele. Rezultatul este un model care descrie cât de mult din locomoția unei stele de mare este determinată de răspunsul senzorial-motor local la nivelul picioarelor tubulare față de comenzile senzorial-motorii globale.

În lumea animală, comportamentul este adesea descris de unul dintre cele două modele predominante de locomoție; comportamentul, cum ar fi zborul insectelor, este rezultatul unui feedback senzorial care călătorește printr-un sistem central de procesare, care trimite un mesaj care activează un răspuns, sau este rezultatul unor răspunsuri individuale, complet descentralizate, la informații senzoriale, cum ar fi în bancurile de pești sau în coloniile de furnici.

Nici unul dintre aceste modele nu pare să descrie mișcarea unei stele de mare.

„În cazul stelei de mare, sistemul nervos pare să se bazeze pe fizica interacțiunii dintre corp și mediu pentru a controla locomoția. Toate picioarele tubulare sunt atașate structural de steaua de mare și, astfel, unele de altele.”

În acest fel, există un mecanism de comunicare mecanică a „informațiilor” între picioarele tubulare. Un picior tubular individual ar trebui doar să își simtă propria stare (propriocepție) și să răspundă în consecință. Deoarece starea sa este cuplată mecanic cu alte picioare tubulare, acestea lucrează împreună în mod colectiv. Pe măsură ce picioarele tubulare încep să se miște, fiecare produce o forță individuală care devine o parte a mediului senzorial. În acest fel, fiecare picior tubular răspunde, de asemenea, la forțele produse de alte picioare tubulare și, în cele din urmă, stabilesc un ritm unul cu celălalt.

Acest lucru este similar cu alte modele mecanice de coordonare. De exemplu, să luăm un set de metronoame mecanice, dispozitive folosite pentru a ajuta la menținerea ritmului sau a timpului pentru un muzician. Puteți începe un set de 10 la toate fazele diferite, sprijinindu-le pe aceeași suprafață plană. În timp, acestea se vor sincroniza. În joc se află efectul de cuplare mecanică observat la steaua de mare; fiecare metronom interacționează mecanic cu fazele create de celelalte metronoame și, ca atare, „comunică” efectiv cu celelalte metronoame până când acestea încep să bată în ritm și sincronizare completă.

Cum ne poate ajuta comportamentul stelei de mare să proiectăm sisteme robotice mai eficiente

Înțelegerea modului în care un sistem nervos distribuit, precum cel al stelei de mare, realizează mișcări complexe și coordonate ar putea duce la progrese în domenii precum robotica. În sistemele robotice, este relativ simplu să programezi un robot pentru a îndeplini sarcini repetitive. Cu toate acestea, în situații mai complexe în care este necesară personalizarea, roboții se confruntă cu dificultăți. Cum pot fi proiectați roboții pentru a aplica aceleași beneficii unei probleme sau unui mediu mai complex?

Răspunsul ar putea să se afle în modelul stelei de mare, a spus Kanso. „Folosind exemplul unei stele de mare, putem proiecta controlere astfel încât învățarea să se producă ierarhic. Există o componentă descentralizată atât pentru luarea deciziilor, cât și pentru comunicarea către o autoritate globală. Acest lucru ar putea fi util pentru a proiecta algoritmi de control pentru sisteme cu mai mulți actuatori, unde delegăm o mare parte din control fizicii sistemului – cuplarea mecanică – în loc de aportul sau intervenția unui controler central.”

În continuare, Kanso și echipa sa vor analiza modul în care apare în primul rând comanda de direcționalitate globală și ce se întâmplă dacă există stimuli concurenți.

.