Бывало ли у вас такое, что вы еле передвигаетесь? Подумайте о морских звездах — существах, чье движение основано на координации сотен крошечных трубчатых ножек для ориентации в сложной среде, несмотря на отсутствие центрального «мозга».
Другими словами, кажется, будто каждая нога живёт своей собственной жизнью. Для лаборатории Kanso Bioinspired Motion Lab, расположенной в инженерной школе Витерби Университета Южной Калифорнии (USC Viterbi School of Engineering Department of Aerospace & Mechanical Engineering), морские звёзды представляют собой интригующее явление.
Лаборатория Kanso специализируется на расшифровке физики потоков в живых системах, часто применяя эти знания для разработки робототехники.
Теперь исследователи из Университета Южной Калифорнии раскрывают секрет этой децентрализованной системы передвижения.
Это может произвести революцию в проектировании автономных роботов. Одна мысль на каждую ногу В недавней статье лаборатории , опубликованной в журнале PNAS под названием «Динамика амбулакральных ножек определяет адаптацию в движении морских звезд» , показано, что движение морских звезд направляется локальной обратной связью от отдельных амбулакральных ножек, каждая из которых динамически регулирует свою адгезию к поверхности в ответ на различную степень механического напряжения.
«Мы начали работать над морскими звездами в лаборатории МакГенри в Калифорнийском университете в Ирвайне, а позже объединились с биологами из Университета Монса в Бельгии», — сказала Ева Кансо, директор лаборатории Кансо и профессор аэрокосмической и машиностроительной инженерии, физики и астрономии.
«Вместе с доцентом Сильвеном Габриэлем и аспиранткой Амандин Дериду из лаборатории SYMBIOSE мы разработали специальный 3D-печатный «рюкзак» для морской звезды.
Загружая и выгружая рюкзак, мы могли наблюдать и измерять, как каждая трубчатая ножка реагирует на дополнительный вес».
Что же обнаружили исследователи? Каждая амбулакральная ножка реагировала независимо на изменение нагрузки.
«С самого начала мы предположили, что морские звезды используют иерархическую и распределенную стратегию управления, при которой каждая амбулакральная ножка принимает локальные решения о том, когда прикрепиться к поверхности и отсоединиться от нее, основываясь на локальных механических сигналах, а не управляясь центральным контроллером», — сказал Кансо.
Эксперименты позволили команде проверить и количественно оценить эти локальные реакции.
«В Университете Южной Калифорнии мы разработали математическую модель, показывающую, как простые локальные правила управления, связанные посредством механики тела, могут приводить к скоординированному передвижению всего животного».
Морская звезда передвигается по стеклянной поверхности (фотография снизу), демонстрирующая прикрепление и отсоединение амбулакральных ножек.
Источник изображения: лаборатория МакГенри в Калифорнийском университете в Ирвайне.
Нет мозгов — нет проблем Эта модель адаптивного движения, основанная на локальной обратной связи, имеет большое значение для проектирования мягкой и многоконтактной робототехники.
Потенциальные области применения на суше, под водой и даже на других планетах включают децентрализованные системы передвижения для роботов, перемещающихся по неровной, вертикальной и перевернутой местности — средам, которые препятствуют постоянной связи с центральным «контроллером миссии» или человеком, принимающим решения.
Нет мозга? Нет проблем.
«Мы также проводили эксперименты, в которых переворачивали морскую звезду вверх ногами — морфология трубчатых ножек позволяет морской звезде продолжать двигаться», — сказал Кансо.
«Представьте, что вы делаете стойку на руках.
Ваша нервная система немедленно даст вам понять, что вы находитесь в положении, противоположном силе тяжести.
Но у морской звезды нет такого коллективного распознавания». Надежность за счет избыточности Вместо этого морская звезда обладает локальными знаниями о том, что каждая амбулакральная ножка по-разному реагирует на силу гравитации.
Скоординированное движение обусловлено тем, что ножки механически связаны с телом; когда одна ножка толкает, движение затрагивает другие ножки.
В результате локальные сбои не обязательно останавливают всю систему, что обеспечивает повышенную прочность и устойчивость. Это существенное преимущество для автономных роботов, перемещающихся в экстремальных условиях, где они могут переворачиваться, терять или набирать груз, а также отключаться от центрального источника связи.
В то время как быстро движущиеся животные (от насекомых до гимнастов) полагаются на «центральные генераторы паттернов» — специализированные нейронные цепи, расположенные в стволе головного мозга и создающие ритмичные двигательные паттерны, — медленно движущиеся морские звезды способны динамически адаптироваться к изменениям окружающей среды.
Итак, оказывается, у безмозглости есть свои преимущества.
Морская звезда адаптируется к приливным силам, течениям или меняющейся неровности местности и просто плывет по течению.
Рубрика: Технологии. Читать весь текст на android-robot.com.