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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

你见过海星移动吗?对我们许多人来说,海星彷佛一动不动,就像海底的一块石头一样,但实际上,它们的腹部稀有百个管足。这些脚舒展和紧缩,以附着在曲折的地形上,捕抓猎物,然后游走移动。

海星上的任何一尽管足都可以自立地对刺激做出反映,然则合在一路,它们又能同步运动以孕育发生弹跳运动。多年来,钻研职员不停想知道海星若何实现这种同步,由于它没有大年夜脑并且神经系统是完全分散的。

谜底是由南加州大年夜学维特比工程学院的钻研职员在《英国皇家学会界面杂志》上颁发的论文揭晓的,海星经由过程“布置臂”发出的全局性指令,以及个体对刺激的局部反映来实现和谐运动。换句话说,一旦海星供给了一条关于移动偏向的指令,那么每个脚就可以自行办理若何实现这一目标,而无需进一步沟通。

钻研职员包括南加州大年夜学维特比航空航天和机器工程系的伊娃·坎索(Eva Kanso)教授以及攻读博士学位的西娜·海达里(Sina Heydari)。加州大年夜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)生物学和数学钻研助理Olaf Ellers也加入这一钻研中。。

这项事情建立在现有行径层次模型的根基上,但进一步说清楚明了海星运动在局部照样整体发生了若干。

工程学钻研员坎索说:“神经系统不能在同一光阴在同一地点处置惩罚所有器械,而是寄托海星有能力并会办理这一问题。” “假如一个管足推到地面,其他的管足就会感到到力。这种机器耦合是一个管足与另一个管足共享信息的独一要领。”

第三种模式运动

海星神经系统的特性是环抱其嘴部的神经环,并经由过程一个神经连接到每个零丁的手臂。连接到脚神经和环神经的神经元刺激每尽管足的肌肉。

爬行时,所有脚都朝同一偏向行走,然则它们的运动不合步。然则,当进行弹跳步态时,海星彷佛将数十英尺的间隔和谐为两个或三个同步组。由坎索引导的钻研小组钻研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到运动相应相对付总体感到运动敕令确定的。

在动物界,行径平日由两种主要的运动模型之一来描述。昆虫飞行等行径是感到反馈经由过程一其中央处置惩罚系统通报的结果,这个系统发送一个信息来激活一个反映,或者是完全分散的结果,个体对感到信息的反映,比如鱼群或蚁群。

但这两种模型彷佛都不能描述海星的运动。

“就海星而言,神经系统彷佛依附于身段与情况之间互相感化的物理学来节制运动。所有管足都在布局上与海星相连,是以彼此相连。 ”

经由过程这种要领,存在用于在管足之间机器地传达“信息”的机制。单个管足只必要感知自己的状态(本体感到)并做出响应的相应即可。因为其状态与其他管足机器耦合,是以它们可以一路事情。跟着管足开始移动,每个管足都邑孕育发生一个零丁的力,该力成为感到情况的一部分。这样,每个管足也会相应其他管足所孕育发生的力,终极它们彼此建立起一种节奏。

这类似于其他的机器模型的和谐。例如,拿一套机器节拍器来说,它是一种赞助音乐家维持节奏或节制光阴的装配。以不合节奏开始一组10个节拍器,将它们放置在同一平面上。跟着光阴的流逝,它们将同步。发挥感化的是与海星看到的机器耦合效应。每个节拍器都与其他节拍器创建的节拍进行机器交互,是以,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。

海星行径若何赞助我们设计更高效的机械人系统

懂得一个散播式的神经系统,比如海星,是若何实现繁杂的、和谐的运动的,可能会在机械人等领域带来冲破。在机械人系统中,对机械人进行编程以履行重复性义务相对简单。然则,在必要定制更繁杂的环境下,机械人则面临艰苦。若何设计机械人,使它们能在更繁杂的问题或情况中发挥同样的感化?

坎索说,谜底可能在于海星模型。“以海星为例,我们可以设计节制器,使进修可以分层进行。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。这对付设计具有多个系统的节制算法可能很有用。履行器,我们将许多节制权委托给系统的物理部分(机器耦合),而不是中央节制器的输入或干预。”

接下来,坎索和她的团队将首先钻研全局偏向性敕令的孕育发生要领,以及假如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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