Вы когда-нибудь видели, как движется морская звезда? Многим из нас морские звезды кажутся неподвижными, как скала на дне океана, но на самом деле к их брюху прикреплены сотни трубчатых ножек. Эти ноги растягиваются и сжимаются, чтобы прикрепиться к пересеченной местности, удержать добычу и, конечно же, двигаться.
Любая трубчатая ступня на морской звезде может действовать автономно, реагируя на раздражители, но в сочетании друг с другом они могут синхронизировать свои движения, создавая подпрыгивающие движения - их версию бега. В течение многих лет исследователи задавались вопросом, как именно морская звезда осуществляет эту синхронизацию, учитывая, что у нее нет мозга и полностью децентрализованная нервная система.
Ответ исследователей Инженерной школы Университета Южной Калифорнии в Витерби был опубликован сегодня в Журнале Королевского общества Интерфейс: пара морских звезд глобальная команда направленности от «доминирующей руки» с индивидуальными, локализованными реакциями на раздражители для достижения координированных движений. Другими словами, как только морская звезда дает указание, в каком направлении двигаться, отдельные ноги сами выясняют, как этого добиться, без дальнейшего общения.
Исследователи, в том числе профессор Эва Кансо из Департамента аэрокосмической и машиностроительной промышленности Университета Южной Калифорнии в Витерби и Сина Хейдари, доктор философии Университета Южной Калифорнии в Витерби. кандидат, к ним присоединился Мэтт МакГенри, адъюнкт-профессор экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Ирвине; Эми Джонсон, профессор морской биологии Боудойнского колледжа; и Олаф Эллерс, научный сотрудник в области биологии и математики в колледже Боудойн.
Работа основана на существующей иерархической модели поведения, но идет дальше в объяснении того, какая часть передвижения морских звезд происходит локально, а не глобально.
«Нервная система не обрабатывает все в одном и том же месте в одно и то же время, а полагается на идею о том, что морская звезда компетентна и со всем разберется», - сказал Кансо, научный сотрудник Зохраб А. Каприелян в Инжиниринг. «Если одна трубчатая опора упирается в землю, другие почувствуют силу. Это механическое соединение - единственный способ, которым одна трубчатая опора обменивается информацией с другой».
Третья модель передвижения
Нервная система морской звезды характеризуется нервным кольцом, которое окружает ее рот и соединяется с каждой отдельной рукой через радиальный нерв. Мышцы каждой ножки трубки стимулируются нейронами, связанными с лучевым и кольцевым нервами.
Все ноги шагают в одном направлении при ползании, но их движения не синхронизированы. Однако, достигая подпрыгивающей походки, морская звезда, кажется, координирует десятки футов в две или три синхронизированные группы. Исследовательская группа во главе с Кансо рассмотрела оба режима движения и переход между ними. Результатом стала модель, которая описывает, в какой степени передвижение морской звезды определяется локальными сенсомоторными реакциями на уровне ножек трубы по сравнению с глобальными сенсомоторными командами.
В мире животных поведение часто описывается одной из двух преобладающих моделей передвижения; поведение, такое как полет насекомого, является результатом сенсорной обратной связи, проходящей через центральную систему обработки данных, которая посылает сообщение, активирующее реакцию, или результатом полностью децентрализованных индивидуальных реакций на сенсорную информацию, например, в косяках рыб или колониях муравьев.
Ни одна из этих моделей не описывает движение морской звезды.
"В случае с морской звездой нервная система, по-видимому, полагается на физику взаимодействия между телом и окружающей средой для управления движением. Все трубчатые ножки конструктивно прикреплены к морской звезде и, таким образом,, друг другу."
Таким образом, существует механизм механической передачи «информации» между трубчатыми опорами. Индивидуальной трубчатой стопе нужно было бы только ощущать свое собственное состояние (проприоцепция) и реагировать соответствующим образом. Поскольку его состояние механически связано с другими трубчатыми ножками, они работают вместе. Когда трубчатые ножки начинают двигаться, каждая создает индивидуальную силу, которая становится частью сенсорной среды. Таким образом, каждая трубчатая ножка также реагирует на силы, создаваемые другими трубчатыми ножками, и в конечном итоге они устанавливают ритм друг с другом.
Это похоже на другие механические модели координации. Например, возьмем набор механических метрономов, устройств, которые помогают музыканту поддерживать ритм или ритм. Вы можете начать сет из 10 упражнений на разных фазах, положив их на одну и ту же плоскую поверхность. Со временем они синхронизируются. В игре проявляется эффект механического сцепления, наблюдаемый с морской звездой; каждый метроном механически взаимодействует с фазами, создаваемыми другими метрономами, и, как таковой, эффективно «общается» с другими метрономами, пока они не начинают бить в полном ритме и синхронности.
Как поведение морских звезд может помочь нам в разработке более эффективных робототехнических систем
Понимание того, как распределённая нервная система, такая как у морской звезды, осуществляет сложные скоординированные движения, может привести к прогрессу в таких областях, как робототехника. В робототехнических системах относительно просто запрограммировать робота на выполнение повторяющихся задач. Однако в более сложных ситуациях, когда требуется настройка, роботы сталкиваются с трудностями. Как можно спроектировать роботов, чтобы они применяли те же преимущества к более сложной проблеме или среде?
Ответ может заключаться в модели морской звезды, сказал Кансо. «На примере морской звезды мы можем спроектировать контроллеры так, чтобы обучение могло происходить иерархически. Существует децентрализованный компонент как для принятия решений, так и для связи с глобальным авторитетом. Это может быть полезно для разработки алгоритмов управления для систем с несколькими исполнительные механизмы, где мы делегируем большую часть управления физике системы - механическому соединению - вместо ввода или вмешательства центрального контроллера."
Далее Кансо и ее команда рассмотрят, как в первую очередь возникает глобальная команда направленности и что происходит, если есть конкурирующие стимулы.
Работа частично поддерживается грантом Центра фундаментальных исследований Управления военно-морских исследований, номер премии ONR: N00014-17-1-2062.