¿Alguna vez has visto moverse una estrella de mar? Para muchos de nosotros, la estrella de mar parece inmóvil, como una roca en el fondo del océano, pero en realidad, tienen cientos de pies de tubo unidos a su vientre. Estos pies se estiran y se contraen paraadhiérase al terreno irregular, agárrese a la presa y, por supuesto, muévase.
Cualquier pie de tubo en una estrella de mar puede actuar de manera autónoma en respuesta a los estímulos, pero unidos, pueden sincronizar su movimiento para producir un movimiento de rebote, su versión de carrera. Durante años, los investigadores se han preguntado exactamente cómo una estrella de marlogra esta sincronización, dado que no tiene cerebro y un sistema nervioso completamente descentralizado.
La respuesta, de investigadores de la USC Viterbi School of Engineering, se publicó hoy en el Revista de la interfaz de la Royal Society : 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 instrucciones sobre cómo moverse, los pies individuales se dan cuentacómo lograr esto por su cuenta, sin mayor comunicación.
Los investigadores, incluidos el profesor Eva Kanso en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de USC Viterbi y Sina Heydari, un candidato a doctorado en USC Viterbi, se unieron a 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 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.
"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 un pie de tubo empuja contra el suelo, los demás sentirán la fuerza. Este acoplamiento mecánico es la única forma en que un pie de tubo comparte información con otro ".
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 pie tubular son estimulados por neuronas conectadas a los nervios radial y anular.
Todos los pies se mueven en la misma dirección mientras se arrastran, pero su movimiento no está sincronizado. Sin embargo, al lograr la marcha de rebote, la estrella de mar parece coordinar decenas de pies en dos o tres grupos sincronizados. El equipo de investigación, dirigido por Kanso,observó 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 al nivel de los pies del tubo versus los comandos sensoriales-motrices globales.
En el mundo animal, el comportamiento a menudo se describe por uno de los dos modelos predominantes de locomoción; el comportamiento como el vuelo de los 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 elresultado 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 los pies del tubo están unidos estructuralmente a la estrella de mar y, por lo tanto, a cadaotro."
De esta manera, existe un mecanismo para que la "información" se comunique mecánicamente entre los pies del tubo. Un pie de tubo individual solo necesitaría sentir su propio estado propiocepción y responder en consecuencia. Debido a que su estado está acoplado mecánicamente a otro tubolos pies, trabajan juntos colectivamente. A medida que los pies del tubo comienzan a moverse, cada uno produce una fuerza individual que se convierte en una parte del entorno sensorial. De esta manera, cada pie del tubo también responde a las fuerzas producidas por otros pies del tubo y eventualmente,establecen un ritmo entre ellos.
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, apoyándolos en elmisma superficie plana. Con el tiempo, se sincronizarán. En el juego está el efecto de acoplamiento mecánico que se ve con la estrella de mar; cada metrónomo está interactuando mecánicamente con las fases creadas por los otros metrónomos y, como tal, efectivamente se está "comunicando" con los otros metrónomos.hasta que comiencen a latir en completo ritmo y sincronía.
Cómo el comportamiento de las estrellas de mar puede ayudarnos 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. "Usando el ejemplo de una estrella de mar, podemos diseñar controladores para que el aprendizaje pueda suceder jerárquicamente. Hay un componente descentralizado para la toma de decisiones y para comunicarse con unautoridad global. Esto podría ser útil para diseñar algoritmos de control para sistemas con múltiples actuadores, donde estamos delegando gran parte del control a la física del sistema - acoplamiento mecánico - versus la entrada o intervención de un controlador central ".
A continuación, Kanso y su equipo analizarán cómo surge el comando de direccionalidad global en primer lugar y qué sucede si hay estímulos competitivos.
El trabajo está parcialmente respaldado por una Subvención del Centro de Investigación Básica de la Oficina de Investigación Naval, Número de Premio ONR: N00014-17-1-2062.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Sur de California . Original escrito por Avni Shah. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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