Вдохновляющий дизайн роботов:уроки передвижения морской звезды

Моушн-дизайн INSIDER

Движение морских звезд включает в себя движение сотен крошечных трубчатых ножек. (Изображение:Джеральд Корси/iStock)

Морские звезды — это существа, чьи движения требуют координации сотен крошечных трубчатых ножек для навигации в сложной среде — несмотря на отсутствие центрального мозга. Другими словами, как будто каждая нога имеет свой собственный разум.

Для лаборатории биоинспирированного движения Кансо, расположенной на факультете аэрокосмической и машиностроительной техники Университета Южной Калифорнии в Витерби, морские звезды представляют собой интригующий феномен. Лаборатория Кансо специализируется на расшифровке физики потоков живых систем и часто применяет эти знания для разработки робототехники.

Недавняя статья лаборатории в Трудах Национальной академии наук (PNAS) , «Динамика ножек трубки стимулирует адаптацию при движении морских звезд» (13 января 2026 г.) показывает, что движение морских звезд направляется локальной обратной связью от отдельных ножек трубки, каждая из которых динамически регулирует свое сцепление с поверхностью в ответ на различную степень механического напряжения.

«Мы начали работать над морскими звездами в лаборатории МакГенри в Калифорнийском университете в Ирвине, а затем стали сотрудничать с биологами из Университета Монса в Бельгии», — сказала Ева Кансо, директор лаборатории Кансо и профессор аэрокосмической и машиностроительной техники, физики и астрономии. "Вместе с доцентом Сильвеном Габриэле и аспиранткой Амандин Дериду из лаборатории SYMBIOSE мы разработали специальный 3D-печатный "рюкзак" для морской звезды. Загружая и разгружая рюкзак, мы могли наблюдать и измерять, как каждая ножка трубки реагировала на дополнительный вес".

Исследователи обнаружили, что каждая стопа независимо реагировала на изменение нагрузки. «С самого начала мы предположили, что морские звезды полагаются на иерархическую и распределенную стратегию управления, в которой каждая ножка трубы принимает локальные решения о том, когда прикрепляться и отсоединяться от поверхности, основываясь на местных механических сигналах, а не под руководством центрального контроллера», — сказал Кансо.

Эксперименты позволили команде проверить и количественно оценить эти местные реакции. «Мы разработали математическую модель, показывающую, как простые правила локального управления в сочетании с механикой тела могут привести к скоординированному передвижению всего животного».

Эта модель адаптивного движения, основанная на локальной обратной связи, весьма актуальна для проектирования мягкой и многоконтактной робототехники. Потенциальные применения на суше, под водой и даже на других планетах включают децентрализованные системы передвижения для роботов, перемещающихся по неровной, вертикальной и перевернутой местности — среды, которые препятствуют постоянной связи с центральным «управлением полетом» или человеком, принимающим решения.

«Мы также провели эксперименты, в которых перевернули морскую звезду вверх тормашками — морфология трубчатых ножек позволяет морской звезде продолжать двигаться», — сказал Кансо. "Только представьте, если бы вы стояли на руках. Ваша нервная система сразу же дала бы вам знать, что вы находитесь в положении, противоположном гравитации. Но у морской звезды нет такого коллективного распознавания".

Вместо этого «Морская звезда» оснащена знаниями о том, что каждая опора трубы по-разному испытывает силу гравитации. Скоординированное движение обусловлено тем, что стопы механически связаны с телом; когда одна нога толкает, движение затрагивает и другие ноги. В результате локальные сбои не обязательно приводят к остановке всей системы, что обеспечивает повышенную надежность и отказоустойчивость.

Это значительное преимущество для автономных роботов, перемещающихся в экстремальных условиях, которые могут перевернуться, потерять или увеличить нагрузку или быть отключенными от центрального источника связи. В то время как быстро движущиеся животные (от насекомых до гимнастов) полагаются на «центральные генераторы паттернов» — специализированные нейронные цепи, расположенные в стволе мозга, которые производят ритмичные двигательные движения, — медленно движущиеся морские звезды созданы для динамической адаптации к изменениям окружающей среды.

Источник