Você já viu uma estrela do mar se mover? Para muitos de nós, estrela do mar parece imóvel, como uma rocha no fundo do oceano, mas na realidade, eles têm centenas de pés tubulares presos à sua barriga. Esses pés se estendem e se contraem para se prenderem a terrenos acidentados, segure a presa e, claro, mover.

Qualquer pé tubular em uma estrela do mar pode agir de forma autônoma em resposta a estímulos, mas acoplados, eles podem sincronizar seu movimento para produzir um movimento de salto - sua versão de corrida. Por anos, pesquisadores se perguntam exatamente como uma estrela do mar realiza essa sincronização, dado que não tem cérebro e um sistema nervoso completamente descentralizado.

A resposta, de pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi, foi publicado hoje no Interface do Jornal da Royal Society :estrela do mar acopla um comando de direcionalidade global de um "braço dominante" com o indivíduo, respostas localizadas a estímulos para alcançar locomoção coordenada. Em outras palavras, uma vez que a estrela do mar fornece uma instrução sobre como se mover, os pés individuais descobrem como conseguir isso por conta própria, sem comunicação adicional.

Os pesquisadores, incluindo a Professora Eva Kanso no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica da USC Viterbi e Sina Heydari, um USC Viterbi Ph.D. candidato, juntaram-se a Matt McHenry, professor associado de ecologia e biologia evolutiva da Universidade da Califórnia, Irvine; Amy Johnson, professor 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 de comportamento existente, 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 se baseia na ideia de que a estrela do mar é competente e vai descobrir, "disse Kanso, um Zohrab A. Kaprielian Fellow em Engenharia. "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. "

Um terceiro modelo de locomoção

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 caminham na mesma direção enquanto rastejam, mas seu movimento não é sincronizado. Contudo, ao alcançar a marcha saltitante, estrela do mar parece coordenar dezenas de pés em dois ou três grupos sincronizados. A equipe de pesquisa, liderado por Kanso, olhou para ambos os 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 voo 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 completamente descentralizado, respostas individuais a informações sensoriais, como cardumes ou colônias de formigas.

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

“No caso da estrela do mar, o sistema nervoso parece depender da física da interação entre o corpo e o ambiente para controlar a locomoção. Todos os pés do tubo estão ligados estruturalmente à estrela do mar e, portanto, um para o outro. "

Desta maneira, existe um mecanismo para a "informação" 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 coletivamente. Conforme os pés do tubo começam a se mover, cada um produz uma força individual que se torna parte do ambiente sensorial. Desta maneira, cada pé tubular também está respondendo às forças produzidas por outros pés tubulares e, eventualmente, eles estabelecem um ritmo um com o outro.

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, descansando-os na mesma superfície plana. Hora extra, eles vão sincronizar. 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

Entendendo como um sistema nervoso distribuído, como a de uma estrela do mar, alcança complexo, movimentos coordenados podem levar a avanços em áreas como robótica. Em sistemas de robótica, é relativamente simples programar um robô para realizar tarefas repetitivas. Contudo, em situações mais complexas onde a personalização é necessária, robôs enfrentam dificuldades. Como os robôs podem ser projetados para aplicar os mesmos benefícios a um ambiente ou problema mais complexo?

A resposta pode estar no modelo da estrela do mar, Kanso disse. "Usando o exemplo de uma estrela do mar, podemos projetar controladores de modo que o aprendizado possa acontecer hierarquicamente. 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 grande parte do controle à física do sistema - acoplamento mecânico - versus a entrada ou intervenção de um controlador central. "

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