图/ pexels, emre kuzu。
你见过海星移动吗?对我们许多人来说，海星看起来一动不动，就像海底的岩石，但实际上，它们的下腹部有数百只管状足。这些脚可以伸展和收缩，以适应崎岖的地形，抓住猎物，当然，也可以移动。
海星上的任何一只管状脚都可以对刺激做出自主反应，但结合在一起，它们可以同步运动，产生反弹运动——它们的跑步版本。多年来，研究人员一直想知道海星是如何实现这种同步的，因为它没有大脑，神经系统完全分散。
答案来自于bob国际首页登录南加州大学维特比工程学院，最近在英国皇家学会界面杂志:海星结合来自“主导臂”的全局方向性命令与对刺激的个别局部反应，以实现协调运动。换句话说，一旦海星提供了移动方向的指令，单个的脚就会自己找出如何实现这一目标，而不需要进一步的交流。
研究人员包括南加州大学维特比航空航天与机械工程系的Eva Kanso教授和南加州大学维特比博士候选人bob国际首页登录Sina Heydari，加州大学欧文分校生态学和进化生物学副教授Matt McHenry;鲍登学院海洋生物学教授艾米·约翰逊;鲍登学院生物学和数学副研究员奥拉夫·埃勒斯。
这项工作建立在现有的行为等级模型上，但进一步解释了海星运动在局部和全球发生的比例。
Zohrab a . Kaprielian工程研究员坎索说:“神经系统不会在同一时间同一地点处理所有事情，而是依赖于这样一种想法，即海星是有能力的，它会解决问题。”“如果一只管脚踩着地面，其他的管脚就会感受到力。这种机械耦合是一个管脚与另一个管脚共享信息的唯一方式。”
第三种运动模式
海星的神经系统的特点是嘴巴周围有一个神经环，并通过桡神经连接到每只手臂。每个管足的肌肉都受到与桡神经和环神经相连的神经元的刺激。
神经网络及其在海星中的物理分布。/ Eva Kanso形象。
爬行时，所有的脚都朝同一个方向走，但它们的动作并不同步。然而，在实现跳跃步态时，海星似乎将几十英尺协调成两三个同步的群体。Kanso领导的研究小组研究了这两种运动模式，以及它们之间的过渡。结果是一个模型，描述了海星的运动在多大程度上是由管脚水平的局部感觉运动反应与全局感觉运动命令决定的。
在动物的世界里，行为通常用两种流行的运动模式之一来描述;像昆虫飞行这样的行为是感官反馈通过中央处理系统传递的结果，该系统发送的信息激活了反应，或者它是完全分散的结果，个体对感官信息的反应，如在鱼群或蚁群中。
这两个模型似乎都不能描述海星的运动。
“以海星为例，神经系统似乎依赖于身体和环境之间相互作用的物理原理来控制运动。所有的管脚在结构上都连接在海星上，因此彼此也连接在一起。”
这样，在管脚之间就有了一种“信息”机械交流的机制。一个单独的管足只需要感知自己的状态(本体感觉)并做出相应的反应。因为它的状态是与其他管脚机械耦合的，所以它们一起工作。当管脚开始移动时，每个管脚都会产生一个单独的力，成为感觉环境的一部分。这样，每个管脚也会对其他管脚产生的力做出反应，最终，它们彼此之间建立了一种节奏。
这与其他力学的协调模型相似。例如，一套机械节拍器，用来帮助音乐家保持节奏或时间的设备。你可以在不同的阶段开始一组10个，把它们放在同一个平面上。随着时间的推移,它们会同步．发挥作用的是与海星看到的机械耦合效应;每个节拍器都与其他节拍器创建的相位进行机械交互，因此，有效地与其他节拍器进行“通信”，直到它们开始以完全的节奏和同步跳动。
海星的行为如何帮助我们设计更高效的机器人系统
了解像海星这样的分布式神经系统如何实现复杂而协调的运动，可能会导致机器人等领域的进步。在机器人系统中，编程让机器人执行重复性任务是相对简单的。然而，在需要定制的更复杂的情况下，机器人面临着困难。如何设计机器人，将同样的好处应用于更复杂的问题或环境?
坎索说，答案可能就在海星模型中。“以海星为例，我们可以设计控制器，这样学习就可以分层进行。决策和与全球权威机构沟通都有一个分散的组成部分。这可能有助于为具有多个执行器的系统设计控制算法，在这种情况下，我们将大量控制委托给系统的物理特性——机械耦合——而不是中央控制器的输入或干预。”
接下来，Kanso和她的团队将研究全局方向性指令是如何产生的，以及如果有竞争刺激会发生什么。
该工作部分由海军研究办公室的基础研究中心拨款支持，ONR奖号:N00014-17-1- 2062。
发布于2020年1月8日
最后更新于2020年1月8日
