Muestran la intrincada arquitectura muscular del brazo del pulpo con un modelo computacional sin precedentes
Un equipo de investigación ha publicado recientemente un estudio en Proceedings of the National Academy of Sciences. El artículo, que aparece en la portada, describe un modelo computacional sin precedentes que muestra la intrincada arquitectura muscular del brazo de un pulpo.
El modelo se utiliza a su vez para explicar cómo la mecánica estructural simplifica drásticamente el control del brazo al orquestar automáticamente movimientos recurrentes tridimensionales complejos a partir de patrones simples de contracción muscular.
Los investigadores han estado colaborando en este trabajo desde 2019 con el objetivo general de desarrollar la capacidad del "ciberpulpo", es decir, crear sistemas de control robótico que puedan replicar los complejos movimientos de los brazos del pulpo.
En muchos animales, incluidos los humanos, un cerebro centralizado actúa como centro de toma de decisiones o controlador del resto del cuerpo. En cambio, los "cerebros" de los pulpos están distribuidos a lo largo de los ocho brazos, de modo que cada uno puede funcionar de forma independiente. Además, la fisiología del pulpo permite que cada brazo alcance un rango de movimiento descrito por grados de libertad casi infinitos, lo que hace que el cálculo sea extremadamente complejo.
"La motivación general es descubrir cómo controlar un sistema complejo con muchos grados de libertad y encontrar una alternativa a la ejecución de cálculos costosos", dijo el profesor asociado Mattia Gazzola, del Departamento de Ciencias Mecánicas e Ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "El pulpo es un interesante modelo animal que se ha estudiado desde la década de 1980. [Los investigadores] quieren conocer el 'secreto' de sus capacidades".
"Me parece muy interesante aprender de los animales vivos y traducir algunos de los conocimientos en ideas para el diseño de robots blandos", añadió el profesor asistente Noel Naughton, de la Universidad Tecnológica de Virginia, sobre su motivación para el estudio.
En trabajos anteriores, los investigadores trabajaron con un equipo interdisciplinario para desarrollar un enfoque teórico para controlar un modelo simplificado del brazo de un pulpo. En este trabajo, el equipo empleó imágenes por resonancia magnética y datos histológicos y biomecánicos para simular un brazo realista compuesto por casi 200 grupos musculares entrelazados.
También utilizaron el seguimiento de imágenes para registrar los movimientos de un pulpo vivo mientras realizaba tareas en un tanque. El pulpo fue colocado en un lado de una lámina de plexiglás con un agujero por el que solo podía pasar un brazo. En los experimentos, se colocó un objeto tentador en el lado opuesto de la lámina y los investigadores pudieron luego grabar en vídeo al pulpo tratando de alcanzar el objeto y manipulándolo.
"Fue casi como trabajar con un niño pequeño", recuerda Gazzola sobre la observación del pulpo. "Hay que saber cómo acercarse [al pulpo] y mantenerlo interesado".
A partir de las imágenes, el equipo extrajo datos de movimiento y demostró en una simulación que su enfoque de control podía replicar los movimientos complejos exhibidos por el brazo del pulpo.
"Utilizamos topología y geometría diferencial para aplicar un conjunto de resultados teóricos fundamentales al brazo para describir su forma y controlarlo a través de la actuación muscular", dijo Gazzola.
Para describir el movimiento del brazo, el equipo desarrolló plantillas simples de activación muscular que podían lograr un movimiento tridimensional complejo. "En lugar de trabajar con miles de grados de libertad, relacionamos dos magnitudes topológicas (retorcimiento y torsión) con la dinámica muscular", dijo Gazzola.
"Estas dos cantidades están controladas cada una por diferentes grupos musculares cuya coactivación da lugar a una tercera cantidad topológica, que describe los cambios morfológicos tridimensionales del brazo, es decir, su movimiento".
Vídeo: Comparación cualitativa de los movimientos de simulación con los comportamientos de los brazos de pulpo observados experimentalmente. Crédito: Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2318769121
Su modelo computacional de alta fidelidad es un hito tanto en biología, donde puede ayudar a explicar la impresionante capacidad del pulpo, como en ingeniería. "El modelo computacional es un útil banco de pruebas para que los expertos en robótica prueben sus algoritmos", afirmó el profesor Noel Naughton.
El estudio a largo plazo representa esfuerzos interdisciplinarios de varios grupos de investigación y varios estudiantes del campus a lo largo de los años. De hecho, el equipo sigue cambiando: Tekinalp, que se graduará en diciembre de 2024, pasará a ocupar un puesto posdoctoral en la Universidad de Maryland, College Park.
"Tanto para Noel como para mí, fue alentador ver la estrecha cooperación entre los estudiantes de nuestros dos grupos de investigación", dijo Mehta.
Entre los próximos pasos de este trabajo, los investigadores prevén ampliar sus técnicas de simulación para investigar métodos de control de los ocho brazos de forma colaborativa (por ejemplo, imitando el modo en que un pulpo podría trabajar con varios objetos a la vez). También esperan traducir sus hallazgos en prototipos robóticos para realizar pruebas experimentales.
"Nuestra comprensión teórica sigue siendo un enfoque intuitivo", dijo Naughton sobre los próximos pasos adicionales. "Queremos desarrollar un marco automatizado para que nuestro modelo de pulpo pueda aprender a realizar tareas por sí solo".
El estudio titulado "Topology, dynamics, and control of a muscle-architected soft arm", se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences
