海星运动可以激发更好的机器人

你见过海星移动吗？对我们很多人来说，海星看起来是一动不动的，就像海底的岩石，但事实上，它们的腹部有数百个管状脚。这些脚伸展和收缩，以适应崎岖的地形，捕捉猎物，当然，还会移动。

海星上的任何一根针都可以独立地对刺激做出反应，但如果它们组合在一起，就可以同步自己的动作，产生跳跃动作——，这就是它们的奔跑方式。多年来，研究人员一直想知道海星是如何实现这种同步的，因为它没有大脑，是一个完全分散的神经系统。

答案来自南加州大学维特比工程学院的研究人员，他们今天在《英国皇家学会界面杂志》上发表了：只海星通过“支配手臂”的全局定向指令和个体对刺激的局部反应来实现协调运动。换句话说，一旦海星提供了运动方向，每只脚都会找到自己的运动方式，而无需进一步交流。

包括南加州大学Viterbi航空航天与机械工程系的Eva Canso教授、南加州大学Viterbi的Sina Haidari博士，以及加州大学欧文分校生态学与进化生物学副教授Matt mchenry在内的研究人员也加入了他们的研究。艾米约翰逊，鲍登学院海洋生物学教授；和奥拉夫埃勒尔斯，鲍登学院生物和数学副研究员。

这项工作是基于现有的行为层次模型，但进一步解释了海星运动在局部和全局之间的比例。

工程系aZohrab A. Kaprielian的研究员Kanso说：“神经系统不会同时处理同一个地方的所有事情，而是取决于‘海星’有能力并且会解决它的想法。“如果一只脚接触地面，另一只脚会感受到压力。这种机械耦合是一只脚与另一只脚共享信息的唯一方式。”

第三种运动模式

海星的神经系统的特点是嘴周围有一个神经环，通过桡神经与每只手臂相连。虽然每只脚的肌肉都受到连接桡神经和环神经的神经元的刺激。

爬行时，所有的脚都朝同一个方向走，但它们的动作并不同步。然而，当实现跳跃步态时，海星似乎将几十英尺的距离协调成两三个同步组。Kanso的研究团队研究了这两种运动模式以及它们之间的过渡。结果是一个模型，它描述了海星的运动在多大程度上是由引脚级别的局部感觉运动响应决定的，而不是由全局感觉运动命令决定的。

在动物世界里，行为通常用两种流行的运动模式之一来描述；飞虫等行为是通过中央处理系统传递的感觉反馈的结果，中央处理系统发出信息激活反应，或者是完全分散的结果，以及个体对感觉信息的反应，如鱼类或蚁群。

这两个模型似乎都不能描述海星的运动。

“以海星为例，神经系统似乎依靠身体与环境相互作用的物理学来控制运动。所有的针在结构上都与海星相连，所以它们是相互连接的。”

这样，引脚之间就有了“信息”的机械通信机制。单管足只需要感知自身状态(本体感受)并做出相应反应。因为它的状态与其他引脚机械耦合，所以它们一起工作。当这些针开始移动时，每一个都会产生一个单独的力，这个力会成为感觉环境的一部分。这样，每个引脚也会对其他引脚产生的力做出反应，最终，它们会相互建立节奏。

这类似于其他机械模型的协调。例如，以机械节拍器为例，这是一种帮助音乐家保持节奏或时间的设备。你可以在所有不同的阶段开始一个10人的小组，把他们放在同一个平面上。随着时间的推移，它们会同步。是和海星的机械耦合效应。每个节拍器与其他节拍器创造的节拍相互作用，因此它们有效地与其他节拍器“交流”，直到它们开始以全节奏和同步进行节拍。

海星行为如何帮助我们设计更高效的机器人系统？

了解分布式神经系统(如海星)如何实现复杂而协调的运动，可能会导致机器人和其他领域的进步。在机器人系统中，为机器人编写程序来执行重复性任务相对简单。然而，在更复杂的定制情况下，机器人将面临困难。如何设计机器人，使其在更复杂的问题或环境中扮演同样的角色？

Kanso说，答案可能在于海星模型。“以海星为例，我们可以设计一个控制器，这样就可以分层进行学习。在决策和与全球权威机构的沟通方面存在分散的部分。这对于设计多执行器系统的控制算法是有用的。我们将大量控制委托给系统的物理特性——机械耦合——，而不是中央控制器的输入或干预。”

接下来，Kanso和她的团队将首先研究全球方向指令是如何产生的，以及如果有竞争性刺激会发生什么。

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