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海星无需沟通上百条管足就能同时运动 为机器人更高效提供新思路
2020-01-10 10:59 前瞻网   

 

你见过海星移动吗?对我们许多人来说,海星似乎一动不动,就像海底的一块石头一样,但实际上,它们的腹部有数百个管足。这些脚伸展和收缩,以附着在崎岖的地形上,捕抓猎物,然后游走移动。

海星上的任何一只管足都可以自主地对刺激做出反应,但是合在一起,它们又能同步运动以产生弹跳运动。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是完全分散的。

答案是由南加州大学维特比工程学院的研究人员在《英国皇家学会界面杂志》上发表的论文揭晓的,海星通过“支配臂”发出的全局性指令,以及个体对刺激的局部反应来实现协调运动。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。

研究人员包括南加州大学维特比航空航天和机械工程系的伊娃·坎索(Eva Kanso)教授以及攻读博士学位的西娜·海达里(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)、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也加入这一研究中。。

这项工作建立在现有行为层次模型的基础上,但进一步解释了海星运动在局部还是整体发生了多少。

工程学研究员坎索说:“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。” “如果一个管足推到地面,其他的管足就会感觉到力。这种机械耦合是一个管足与另一个管足共享信息的唯一方式。”

第三种模式运动

海星神经系统的特征是围绕其嘴部的神经环,并通过一个神经连接到每个单独的手臂。连接到脚神经和环神经的神经元刺激每只管足的肌肉。

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,当进行弹跳步态时,海星似乎将数十英尺的距离协调为两个或三个同步组。由坎索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。得出了一个模型,该模型描述了海星的运动量是由管足水平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。昆虫飞行等行为是感觉反馈通过一个中央处理系统传递的结果,这个系统发送一个信息来激活一个反应,或者是完全分散的结果,个体对感觉信息的反应,比如鱼群或蚁群。

但这两种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。所有管足都在结构上与海星相连,因此彼此相连。 ”

通过这种方式,存在用于在管足之间机械地传达“信息”的机制。单个管足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足机械耦合,因此它们可以一起工作。随着管足开始移动,每个管足都会产生一个单独的力,该力成为感觉环境的一部分。这样,每个管足也会响应其他管足所产生的力,最终它们彼此建立起一种节奏。

这类似于其他的机械模型的协调。例如,拿一套机械节拍器来说,它是一种帮助音乐家保持节奏或控制时间的装置。以不同节奏开始一组10个节拍器,将它们放置在同一平面上。随着时间的流逝,它们将同步。发挥作用的是与海星看到的机械耦合效应。每个节拍器都与其他节拍器创建的节拍进行机械交互,因此,它们有效地与其他节拍器进行“交流”,直到它们开始以完全相同的节奏打拍子。

海星行为如何帮助我们设计更高效的机器人系统

了解一个分布式的神经系统,比如海星,是如何实现复杂的、协调的运动的,可能会在机器人等领域带来突破。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,在需要定制更复杂的情况下,机器人则面临困难。如何设计机器人,使它们能在更复杂的问题或环境中发挥同样的作用?

坎索说,答案可能在于海星模型。“以海星为例,我们可以设计控制器,使学习可以分层进行。在个体决策和向全局决策进行交流时,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,坎索和她的团队将首先研究全局方向性命令的产生方式,以及如果存在竞争刺激会发生什么。

原文出处:https://techxplore.com/news/2020-01-sea-star-movement-robots.html

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责任编辑: 3976DBC

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