La locomoción de las estrellas de mar podría ayudar a diseñar en robótica sistemas más simples y descentralizados
¿Alguna vez has visto moverse una estrella de mar? Para muchos de nosotros, las estrellas de mar parecen inmóviles, como una roca en el fondo del océano, pero en realidad tienen cientos de patas tubulares unidas a su vientre. Estas patas se estiran y contraen para adherirse al accidentado terreno, aferrarse a la presa y, por supuesto, moverse.
Cualquier pata tubular de una estrella de mar común (Asterias rubens) puede actuar de manera autónoma en respuesta a los estímulos pero, unidas, pueden sincronizar su movimiento para producir un movimiento de rebote, su versión de correr. Durante años, los investigadores se han preguntado exactamente cómo logra una estrella de mar esta sincronización, dado que no tiene cerebro y un sistema nervioso completamente descentralizado.
La respuesta, de investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la Universidad del Sur de California (USC), se publicó ayer en el Journal of the Royal Society Interface. La estrella de mar combina un comando de direccionalidad global de un "brazo dominante" con respuestas individuales y localizadas a estímulos para lograr una locomoción coordinada. En otras palabras, una vez que la estrella de mar proporciona una instrucción sobre la forma de moverse, las patas individuales descubren cómo lograrlo por su cuenta, sin mayor comunicación.
Los investigadores, incluida la profesora Eva Kanso en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de USC Viterbi y Sina Heydari, un Ph.D. de USC Viterbi. candidato, se unieron Matt McHenry, profesor asociado de ecología y biología evolutiva en la Universidad de California, Irvine; Amy Johnson, profesora de biología marina en Bowdoin College; y Olaf Ellers, investigador asociado en biología y matemáticas en el Bowdoin College.
El trabajo se basa en un modelo de comportamiento jerárquico existente, pero va más allá al explicar cuánto de la locomoción de las estrellas de mar ocurre localmente versus globalmente.
Vídeo: El modelo computacional de los investigadores de estrellas de mar imita a una estrella de mar de la vida real al coordinar sus patas tubulares para gatear y rebotar.
"El sistema nervioso no procesa todo en el mismo lugar al mismo tiempo, sino que confía en la idea de que la estrella de mar es competente y lo resolverá", dijo Kanso, miembro de ingeniería de Zohrab A. Kaprielian. "Si una pata tubular empuja contra el suelo, las demás sentirán la fuerza. Este acoplamiento mecánico es la única forma en que una pata tubular comparte información con otra".
Un tercer modelo de locomoción
El sistema nervioso de una estrella de mar se caracteriza por un anillo nervioso que rodea su boca y se conecta a cada brazo individual a través de un nervio radial. Los músculos de cada pata tubular son estimulados por neuronas conectadas a los nervios radial y anular.
Todas las patas caminan en la misma dirección mientras gatean, pero su movimiento no está sincronizado. Sin embargo, al lograr la marcha de rebote, la estrella de mar parece coordinar decenas de patas en dos o tres grupos sincronizados. El equipo de investigación, dirigido por Kanso, analizó ambos modos de movimiento y la transición entre ellos. El resultado es un modelo que describe cuánto de la locomoción de una estrella de mar está determinada por la respuesta sensorial-motora local a nivel de las patas tubulares frente a los comandos sensoriales-motrices globales.
En el mundo animal, a menudo se describe el comportamiento por uno de los dos modelos predominantes de locomoción. El comportamiento como el vuelo de insectos es el resultado de la retroalimentación sensorial que viaja a través de un sistema de procesamiento central, que envía un mensaje que activa una respuesta, o es el resultado de respuestas individuales completamente descentralizadas a la información sensorial, como en bancos de peces o colonias de hormigas.
Ninguno de estos modelos parece describir el movimiento de una estrella de mar.
"En el caso de la estrella de mar, el sistema nervioso parece depender de la física de la interacción entre el cuerpo y el medio ambiente para controlar la locomoción. Todos las patas tubulares están unidas estructuralmente a la estrella de mar y, por lo tanto, entre sí".
De esta manera, existe un mecanismo para que la "información" se comunique mecánicamente entre las patas tubulares. Una pata tubular individual solo necesitaría sentir su propio estado (propiocepción) y responder en consecuencia. Debido a que su estado está acoplado mecánicamente a otras patas tubulares, trabajan juntas de manera colectiva. A medida que las patas tubulares comienzan a moverse, cada una produce una fuerza individual que se convierte en parte del entorno sensorial. De esta manera, cada pata tubular también responde a las fuerzas producidas por otras patas tubulares y, finalmente, establecen un ritmo entre ellas.
Esto es similar a otros modelos mecánicos de coordinación. Por ejemplo, tome un conjunto de metrónomos mecánicos, dispositivos utilizados para ayudar a mantener el ritmo o el tiempo de un músico. Puede comenzar un conjunto de 10 en todas las fases diferentes, apoyándolas en la misma superficie plana. Con el tiempo, se sincronizarán. En juego está el efecto de acoplamiento mecánico visto con la estrella de mar; cada metrónomo está interactuando mecánicamente con las fases creadas por los otros metrónomos y, como tal, se está "comunicando" efectivamente con los otros metrónomos hasta que comienzan a latir en un ritmo y sincronía completos.
Cómo puede ayudarnos el comportamiento de las estrellas de mar a diseñar sistemas robóticos más eficientes
Comprender cómo un sistema nervioso distribuido, como el de una estrella de mar, logra movimientos complejos y coordinados podría conducir a avances en áreas como la robótica. En los sistemas de robótica, es relativamente sencillo programar un robot para realizar tareas repetitivas. Sin embargo, en situaciones más complejas donde se requiere personalización, los robots enfrentan dificultades. ¿Cómo se pueden diseñar los robots para aplicar los mismos beneficios a un problema o entorno más complejo?
La respuesta podría estar en el modelo de estrella de mar, dijo Kanso. "Utilizando el ejemplo de una estrella de mar, podemos diseñar controladores para que el aprendizaje pueda ocurrir jerárquicamente. Hay un componente descentralizado tanto para la toma de decisiones como para la comunicación con una autoridad global. Esto podría ser útil para diseñar algoritmos de control para sistemas con múltiples actuadores, donde delegamos gran parte del control a la física del sistema (acoplamiento mecánico) frente a la entrada o intervención de un controlador central ".
A continuación, Kanso y su equipo analizarán en primer lugar cómo surge el comando de direccionalidad global y qué sucede si hay estímulos competitivos.
Artículo científico: Sea star inspired crawling and bouncing
