Descobertas sobre a locomoção das estrelas do mar podem ajudar no desenvolvimento de sistemas mais simples e descentralizados em robótica

Resumo: Grande parte da locomoção de uma estrela do mar é determinada pela resposta sensório-motora local ao nível dos pés tubulares, em oposição aos comandos sensório-motores globais. Parece que o sistema nervoso depende da física da interação entre o corpo e o ambiente para controlar o movimento. As descobertas ajudarão no desenvolvimento de novos sistemas robóticos que utilizam um componente descentralizado para aprender hierarquicamente.

Fonte: USC

Você já viu uma estrela do mar se mexer? Para muitos de nós, as estrelas do mar parecem imóveis, como uma rocha no fundo do oceano, mas, na verdade, elas têm centenas de pés tubulares presos à barriga. Esses pés se alongam e se contraem para se prenderem a terrenos acidentados, segurar a presa e, é claro, se moverem.

Qualquer pé tubular em uma estrela do mar pode agir autonomamente em resposta a estímulos, mas, acoplados, eles podem sincronizar seu movimento para produzir um movimento saltitante – sua versão de corrida. Durante anos, os pesquisadores se perguntaram exatamente como uma estrela do mar realiza essa sincronização, já que não tem cérebro e tem um sistema nervoso completamente descentralizado.

A resposta, de pesquisadores da USC Viterbi School of Engineering, foi publicada recentemente no Journal of the Royal Society Interface: a estrela do mar acopla um comando de direcionalidade global de um “braço dominante” com respostas individuais localizadas a estímulos para obter uma locomoção coordenada. Em outras palavras, uma vez que a estrela do mar fornece uma instrução sobre como se mover, os pés individuais descobrem como fazer isso por conta própria, sem comunicação adicional.

Os pesquisadores, incluindo a professora Eva Kanso, do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da USC Viterbi, e Sina Heydari, Ph.D. da USC Viterbi. candidato, foram acompanhados por Matt McHenry, professor associado de ecologia e biologia evolutiva da Universidade da Califórnia, Irvine; Amy Johnson, professora de biologia marinha no Bowdoin College; e Olaf Ellers, pesquisador associado em biologia e matemática no Bowdoin College.

O trabalho se baseia em um modelo hierárquico existente de comportamento, mas vai além ao explicar quanto da locomoção das estrelas do mar acontece localmente versus globalmente.

“O sistema nervoso não processa tudo no mesmo lugar ao mesmo tempo, mas depende da ideia de que a estrela do mar é competente e vai descobrir isso”, disse Kanso, bolsista de Engenharia do Zohrab A. Kaprielian. “Se um pé tubular empurra o chão, os outros sentirão a força. Este acoplamento mecânico é a única maneira pela qual um pé tubular compartilha informações com outro. ”

O sistema nervoso de uma estrela do mar é caracterizado por um anel nervoso que circunda sua boca e se conecta a cada braço individual por meio de um nervo radial. Os músculos de cada pé tubular são estimulados por neurônios conectados aos nervos radial e anelar.

Todos os pés dão passos na mesma direção enquanto engatinham, mas seus movimentos não são sincronizados. No entanto, ao atingir o passo saltitante, a estrela do mar parece coordenar dezenas de pés em dois ou três grupos sincronizados. A equipe de pesquisa, liderada por Kanso, analisou os dois modos de movimento e a transição entre eles. O resultado é um modelo que descreve quanto da locomoção de uma estrela do mar é determinada pela resposta sensório-motora local no nível dos pés do tubo em comparação com os comandos sensório-motores globais.

No mundo animal, o comportamento é frequentemente descrito por um dos dois modelos predominantes de locomoção; comportamento como o vôo do inseto é o resultado do feedback sensorial viajando através de um sistema de processamento central, que envia uma mensagem ativando uma resposta, ou é o resultado de respostas individuais completamente descentralizadas às informações sensoriais, como em cardumes de peixes ou colônias de formigas.

Crédito: Kanso Bio-Inspired Motion Lab.

Nenhum desses modelos parece descrever o movimento de uma estrela do mar.

“No caso da estrela do mar, o sistema nervoso parece contar com a física da interação entre o corpo e o meio ambiente para controlar a locomoção. Todos os pés do tubo estão ligados estruturalmente à estrela do mar e, portanto, uns aos outros. ”

Desta forma, existe um mecanismo de “informação” a ser comunicada mecanicamente entre os pés tubulares. Um pé tubular individual só precisaria sentir seu próprio estado (propriocepção) e responder de acordo. Como seu estado é acoplado mecanicamente a outros pés tubulares, eles trabalham juntos em conjunto. À medida que os pés tubulares começam a se mover, cada um produz uma força individual que se torna parte do ambiente sensorial. Dessa forma, cada pé tubular também está respondendo às forças produzidas por outros pés tubulares e, eventualmente, eles estabelecem um ritmo entre si.

Isso mostra uma estrela do mar em uma praia
O sistema nervoso de uma estrela do mar é caracterizado por um anel nervoso que circunda sua boca e se conecta a cada braço individual por meio de um nervo radial. Os músculos de cada pé tubular são estimulados por neurônios conectados aos nervos radial e anelar. A imagem é de domínio público.

Isso é semelhante a outros modelos mecânicos de coordenação. Por exemplo, pegue um conjunto de metrônomos mecânicos, dispositivos usados ​​para ajudar a manter o ritmo ou o tempo de um músico. Você pode iniciar um conjunto de 10 em todas as fases diferentes, colocando-os na mesma superfície plana. Com o tempo, eles serão sincronizados. Em jogo está o efeito de acoplamento mecânico visto com a estrela do mar; cada metrônomo está interagindo mecanicamente com as fases criadas pelos outros metrônomos e, como tal, está efetivamente “se comunicando” com os outros metrônomos até que eles comecem a bater em ritmo e sincronia completos.

Como o comportamento das estrelas do mar pode nos ajudar a projetar sistemas de robótica mais eficientes

Compreender como um sistema nervoso distribuído, como o de uma estrela do mar, atinge movimentos complexos e coordenados pode levar a avanços em áreas como a robótica. Em sistemas de robótica, é relativamente simples programar um robô para realizar tarefas repetitivas. No entanto, em situações mais complexas em que a personalização é necessária, os robôs enfrentam dificuldades. Como os robôs podem ser projetados para aplicar os mesmos benefícios a um ambiente ou problema mais complexo?

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Isso mostra neurônios

A resposta pode estar no modelo da estrela do mar, disse Kanso. “Usando o exemplo de uma estrela do mar, podemos projetar controladores para que o aprendizado aconteça de forma hierárquica. Há um componente descentralizado tanto para a tomada de decisões quanto para a comunicação com uma autoridade global. Isso pode ser útil para projetar algoritmos de controle para sistemas com vários atuadores, onde delegamos muito do controle à física do sistema – acoplamento mecânico – versus a entrada ou intervenção de um controlador central. ”

A seguir, Kanso e sua equipe verão como o comando de direcionalidade global surge em primeiro lugar e o que acontece se houver estímulos concorrentes.

Financiamento: O trabalho é parcialmente financiado por uma bolsa do Centro de Pesquisa Básica do Office of Naval Research, Número do Prêmio ONR: N00014-17-1-2062.

Sobre este artigo de pesquisa em neurociência

Fonte:
USC
Contatos de mídia:
Michael Rozansky – USC
Fonte da imagem:
A imagem é de domínio público.

Pesquisa original: Acesso livre
“Estrela do mar inspirada rastejando e saltando”. Sina Heydari, Amy Johnson, Olaf Ellers, Matthew J. McHenry e Eva Kanso.
Interface do Jornal da Royal Society doi: 10.1098 / rsif.2019.0700.

Resumo

Estrela do mar inspirada em rastejar e pular

A superfície oral das estrelas do mar é forrada com arranjos de pés tubulares que lhes permitem alcançar uma locomoção altamente controlada em vários terrenos. A atividade dos pés tubulares é orquestrada por um sistema nervoso que se distribui por todo o corpo sem um cérebro central. Ainda não se sabe como esse sistema nervoso distribuído produz uma locomoção coordenada. Desenvolvemos modelos matemáticos da biomecânica dos pés tubulares e do corpo da estrela do mar. No modelo, os pés são acoplados mecanicamente por meio de sua ligação estrutural a um corpo rígido. Formulamos leis de controle hierárquico que capturam características salientes do sistema nervoso das estrelas do mar. Ou seja, no nível do pé do tubo, os cursos de energia e recuperação seguem um controlador de feedback dependente do estado. No nível do sistema, um comando de direcionalidade é comunicado através do sistema nervoso a todos os pés tubulares. Estudamos as andaduras de locomoção proporcionadas por este modelo de controle hierárquico. Descobrimos que esses pés tubulares minimamente acoplados se coordenam para gerar uma locomoção robusta para a frente, que lembra o movimento de rastreamento das estrelas do mar, em vários terrenos e para parâmetros heterogêneos de pés tubulares e condições iniciais. Nosso modelo também prevê uma transição de rastejar para saltar de forma consistente com experimentos recentes. Concluímos comentando as implicações dessas descobertas para a compreensão da neuromecânica das estrelas do mar e sua aplicação potencial a sistemas robóticos autônomos.

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