海星运动能激发出更好的机器人吗?

 
你见过海星移动吗?对我们许多人来说，海星似乎一动不动，就像海底的一块岩石一样，但实际上，它们的腹部有数百个管脚。这些脚伸展和收缩，以附着在崎rough的地形上，抓住猎物，然后移动。
海星上的任何一只管脚都可以自主地对刺激做出反应，但是结合在一起，它们可以同步运动以产生弹跳运动(它们的运行方式)。多年来，研究人员一直想知道海星如何实现这种同步，因为它没有大脑并且神经系统完全分散。
答案是由南加州大学维特比工程学院的研究人员今天在皇家学会接口期刊上发表的：海星将来自“支配臂”的全球定向命令与对刺激的个别局部响应实现协调的运动。换句话说，一旦海星提供了一条关于移动方向的指令，那么每个脚就可以自行解决如何实现这一目标，而无需进一步沟通。
研究人员包括USC Viterbi航空航天和机械工程系的Eva Kanso教授以及USC Viterbi博士学位的Sina Heydari。加州大学尔湾分校生态与进化生物学副教授马特·麦克亨利(Matt McHenry)加入了候选人。鲍登学院海洋生物学教授艾米·约翰逊(Amy Johnson);以及鲍登学院(Bowdoin College)生物学和数学研究助理Olaf Ellers。
这项工作建立在现有的行为层次模型的基础上，但进一步解释了海星运动在本地还是全球发生了多少。
研究人员的海星计算模型模仿了现实生活中的海星，协调其管脚爬行和弹跳。图片提供：艾米·约翰逊(Amy Johnson)和奥拉夫·埃勒斯(Olaf Ellers)
Zohrab A. Kaprielian工程学研究员Kanso说：“神经系统不能在同一时间在同一地点处理所有东西，而是依靠海星有能力并会解决这一问题。” “如果一个管脚推到地面，其他的管脚就会感觉到力。这种机械耦合是一个管脚与另一个管脚共享信息的唯一方式。”
运动的第三种模式
海星的神经系统的特征是围绕其嘴部的神经环，并通过a神经连接到每个单独的手臂。连接到foot神经和环神经的神经元刺激每只管脚的肌肉。
爬行时，所有脚都朝同一方向行走，但是它们的运动不同步。但是，当达到弹跳步态时，海星似乎将数十英尺协调为两个或三个同步组。由坎索(Kanso)领导的研究小组研究了两种运动模式以及它们之间的过渡。结果是一个模型，该模型描述了海鸟的运动量是由管脚水平处的局部感觉运动响应相对于总体感觉运动命令确定的。
在动物界，行为通常由两种主要的运动模型之一来描述。昆虫飞翔等行为是通过中央处理系统传递感觉信息的结果，该处理系统发送激活响应的消息，或者是完全分散化的对诸如鱼群或蚁群等感觉信息的单个响应的结果。
这些模型似乎都不能描述海星的运动。
“就海星而言，神经系统似乎依赖于身体与环境之间相互作用的物理学来控制运动。所有管脚都在结构上与海星相连，因此彼此相连。 ”
以这种方式，存在用于在管脚之间机械地传达“信息”的机制。单个管脚只需要感知自己的状态(本体感觉)并做出相应的响应即可。由于其状态与其他管脚机械耦合，因此它们可以一起工作。随着管脚开始移动，每个管脚都会产生一个单独的力，该力成为感觉环境的一部分。这样，每个管脚也会响应其他管脚所产生的力，最终它们会彼此建立节奏。
这类似于其他的机械协调模型。例如，使用一组机械节拍器，这些设备用于帮助音乐家保持节奏或时间。您可以在所有不同阶段开始一组10个，将它们放置在同一平面上。随着时间的流逝，它们将同步。发挥作用的是海星所产生的机械耦合效应。每个节拍器都与其他节拍器创建的阶段进行机械交互，因此，它们有效地与其他节拍器进行“通信”，直到它们开始以完全的节奏和同步节奏跳动。
海星行为如何帮助我们设计更高效的机器人系统
了解像海星一样的分布式神经系统如何实现复杂，协调的动作可能会导致机器人技术等领域的进步。在机器人系统中，对机器人进行编程以执行重复性任务相对简单。但是，在需要定制的更复杂的情况下，机器人会遇到困难。如何设计机器人以将相同的好处应用于更复杂的问题或环境?
坎索说，答案可能在于海星模型。 “以海洋之星为例，我们可以设计控制器，使学习可以分层进行。在决策和向全球权威机构进行交流时，都有一个分散的组件。这对于设计具有多个系统的控制算法可能很有用。执行器，我们将许多控制权委托给系统的物理部分(机械耦合)，而不是中央控制器的输入或干预。”
接下来，Kanso和她的团队将首先研究全球方向性命令的产生方式，以及在存在竞争性刺激的情况下会发生什么情况。