Вдохновляющий дизайн роботов: уроки от локомоции морских звёзд

Motion Design INSIDER

Движение морских звёзд включает координацию сотен крошечных ножек-трубочек. (Изображение: Gerald Corsi/iStock)

Морские звёзды — существа, чьё движение требует координации сотен крошечных ножек-трубочек для навигации в сложных средах — несмотря на отсутствие центрального мозга. Другими словами, кажется, у каждой ножки свой ум.

Для лаборатории Кансо по биоинспирированному движению, базирующейся в кафедре аэрокосмической и механической инженерии USC Viterbi, морские звёзды представляют интригующее явление. Лаборатория Кансо специализируется на декодировании физики потока живых систем, часто применяя эти инсайты для информирования разработок в робототехнике.

Недавняя статья лаборатории в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), «Динамика ножек-трубочек движет адаптацию в локомоции морских звёзд» (13 января 2026), раскрывает, что движение морских звёзд направляется локальной обратной связью от отдельных ножек-трубочек, каждая из которых динамически регулирует своё прилегание к поверхности в ответ на меняющиеся степени механического напряжения.

«Мы начали работать с морскими звёздами с лабораторией МакГенри в UC Irvine, а позже партнёрствовали с биологами Университета Монса в Бельгии», — сказала Ева Кансо, директор лаборатории Кансо и профессор аэрокосмической и механической инженерии, физики и астрономии. «Вместе с доцентом Сильвиньо Габриэле и аспирантом Амандиной Дериду в лаборатории SYMBIOSE мы разработали специальный 3D-печатный «рюкзак» для морской звезды. Нагружая и разгружая рюкзак, мы могли наблюдать и измерять, как каждая ножка-трубочка реагирует на добавленный вес».

Исследователи обнаружили, что каждая ножка реагировала независимо на изменяющиеся нагрузки. «С самого начала мы гипотезировали, что морские звёзды полагаются на иерархическую и распределённую стратегию управления, в которой каждая ножка-трубочка принимает локальные решения о том, когда прикрепляться и открепляться от поверхности, основанные на локальных механических сигналах, а не директивах центрального контроллера», — сказала Кансо.

Эксперименты позволили команде проверить и количественно оценить эти локальные ответы. «Мы разработали математическую модель, показывающую, как простые локальные правила управления, связанные через механику тела, могут порождать координированную локомоцию всего животного».

Эта модель адаптивного движения на основе локальной обратной связи актуальна для дизайна мягких и многоконтактных роботов. Потенциальные применения на суше, под водой и даже на других планетах включают децентрализованные системы локомоции для роботов, навигирующих по неровной, вертикальной и перевёрнутой местности — средам, предотвращающим постоянную связь с центральным «миссионным контролем» или человеческим решением.

«Мы также проводили эксперименты, в которых переворачивали морскую звезду вверх ногами — морфология ножек-трубочек позволяет ей продолжать двигаться», — сказала Кансо. «Представьте, что вы делаете стойку на руках. Ваша нервная система сразу сигнализирует, что вы в положении, противоположном гравитации. Но у морской звезды нет такого коллективного распознавания».

Вместо этого морская звезда оснащена локальным знанием каждой ножки-трубочки, испытывающей силу гравитации по-разному. Координированное движение обусловлено тем, что ножки механически связаны с телом; когда одна ножка толкает, движение влияет на другие. В результате локальные сбои не обязательно останавливают всю систему — обеспечивая передовую робастность и устойчивость.

Это значительное преимущество для автономных роботов, навигирующих в экстремальных средах, склонных к переворотам, потере или набору нагрузки, или отключению от центрального источника связи. В то время как быстро движущиеся животные (от насекомых до гимнастов) полагаются на «центральные генераторы ритма» — специализированные нейронные цепи в стволе мозга, производящие ритмичные моторные паттерны — медленные морские звёзды приспособлены к динамической адаптации к изменениям среды.

Источник