Kredit:CC0 Public Domain
Har du någonsin sett en sjöstjärna röra sig? För många av oss, sjöstjärnan verkar orörlig, som en sten på havets botten, men i verkligheten, de har hundratals rörfötter fästa vid underbuken. Dessa fötter sträcker sig och drar ihop sig för att fästa i ojämn terräng, hålla fast vid bytet och, självklart, flytta.
Vilken som helst rörfot på en sjöstjärna kan agera autonomt när det gäller att svara på stimuli, men tillsammans, de kan synkronisera sin rörelse för att producera en studsande rörelse – deras version av löpning. I åratal, forskare har undrat exakt hur en sjöstjärna åstadkommer denna synkronisering, givet att den inte har någon hjärna och ett helt decentraliserat nervsystem.
Svaret, från forskare vid USC Viterbi School of Engineering, publicerades idag i Journal of the Royal Society Interface :sjöstjärnepar ett globalt riktningskommando från en "dominant arm" med individuella, lokaliserade svar på stimuli för att uppnå koordinerad rörelse. Med andra ord, när sjöstjärnan ger en instruktion om vilken väg man ska röra sig, de individuella fötterna räknar ut hur de kan uppnå detta på egen hand, utan vidare kommunikation.
Forskarna, inklusive professor Eva Kanso vid USC Viterbis avdelning för rymd- och maskinteknik och Sina Heydari, en USC Viterbi Ph.D. kandidat, fick sällskap av Matt McHenry, docent i ekologi och evolutionsbiologi vid University of California, Irvine; Amy Johnson, professor i marinbiologi vid Bowdoin College; och Olaf Ellers, forskarassistent i biologi och matematik vid Bowdoin College.
Arbetet bygger på en existerande hierarkisk beteendemodell, men går vidare i att förklara hur mycket av sjöstjärnans rörelse som sker lokalt kontra globalt.
"Nervsystemet bearbetar inte allt på samma plats samtidigt, men förlitar sig på tanken att havsstjärnan är kompetent och kommer att ta reda på det, sa Kanso, en Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. "Om en rörfot trycker mot marken, de andra kommer att känna kraften. Denna mekaniska koppling är det enda sättet på vilket en rörfot delar information med en annan."
En tredje modell av rörelse
Nervsystemet hos en sjöstjärna kännetecknas av en nervring som omger munnen och ansluter till varje enskild arm genom en radiell nerv. Musklerna i varje rörfot stimuleras av neuroner anslutna till radial- och ringnerverna.
Alla fötter kliver i samma riktning medan de kryper, men deras rörelse är inte synkroniserad. Dock, när du uppnår den studsande gångarten, Sea Star verkar koordinera tiotals fot i två eller tre synkroniserade grupper. Forskargruppen, ledd av Kanso, tittade på båda rörelsesätten, och övergången mellan dem. Resultatet är en modell som beskriver hur mycket av en sjöstjärnas rörelse som bestäms av lokal sensorisk-motorisk respons på rörfotsnivån kontra globala sensoriska-motoriska kommandon.
I djurvärlden, beteende beskrivs ofta av en av två rådande modeller av rörelse; beteende som insekters flygning är resultatet av sensorisk feedback som färdas genom ett centralt bearbetningssystem, som skickar ett meddelande som aktiverar ett svar, eller det är resultatet av helt decentraliserad, individuella svar på sensorisk information som i fiskstim eller myrkolonier.
Ingen av dessa modeller verkar beskriva en sjöstjärnas rörelse.
"I fallet med havsstjärnan, nervsystemet tycks förlita sig på fysiken i samspelet mellan kroppen och omgivningen för att kontrollera rörelsen. Alla rörfötter är fästa strukturellt till sjöstjärnan och därmed, till varandra."
På det här sättet, det finns en mekanism för att "information" ska kommuniceras mekaniskt mellan rörfötter. En individuell slangfot skulle bara behöva känna av sitt eget tillstånd (proprioception) och svara därefter. Eftersom dess tillstånd är mekaniskt kopplat till andra rörfötter, de arbetar tillsammans tillsammans. När rörfötterna börjar röra sig, var och en producerar en individuell kraft som blir en del av den sensoriska miljön. På det här sättet, varje rörfot reagerar också på krafterna som produceras av andra rörfötter och så småningom, de etablerar en rytm med varandra.
Detta liknar andra mekaniska koordinationsmodeller. Till exempel, ta en uppsättning mekaniska metronomer, enheter som används för att hålla rytmen eller tiden för en musiker. Du kan starta en uppsättning av 10 i alla olika faser, vila dem på samma plana yta. Över tid, de kommer att synkroniseras. På spel är den mekaniska kopplingseffekten som ses med sjöstjärnan; varje metronom interagerar mekaniskt med faserna som skapas av de andra metronomerna och som sådan, "kommunicerar" effektivt med de andra metronomerna tills de börjar slå i fullständig rytm och synkronisering.
Hur sjöstjärnans beteende kan hjälpa oss att designa effektivare robotsystem
Förstå hur ett distribuerat nervsystem, som en sjöstjärna, uppnår komplexa, samordnade rörelser kan leda till framsteg inom områden som robotteknik. I robotsystem, det är relativt enkelt att programmera en robot för att utföra repetitiva uppgifter. Dock, i mer komplexa situationer där anpassning krävs, robotar möter svårigheter. Hur kan robotar konstrueras för att tillämpa samma fördelar på ett mer komplext problem eller miljö?
Svaret kan ligga i sjöstjärnemodellen, sa Kanso. "Med exemplet med en sjöstjärna, vi kan designa kontroller så att inlärning kan ske hierarkiskt. Det finns en decentraliserad komponent för både beslutsfattande och för att kommunicera till en global myndighet. Detta kan vara användbart för att designa styralgoritmer för system med flera ställdon, där vi delegerar mycket av kontrollen till systemets fysik – mekanisk koppling – kontra inmatningen eller interventionen från en central styrenhet."
Nästa, Kanso och hennes team kommer att titta på hur det globala riktningskommandot uppstår i första hand och vad som händer om det finns konkurrerande stimuli.