Краткое описание: Исследователи создали беспрецедентную вычислительную модель руки осьминога, включающую почти 200 групп мышц, чтобы понять, как эти существа управляют своими невероятно гибкими конечностями. Исследование показывает, что сложные трехмерные движения могут возникать из удивительно простых мышечных структур, что открывает новые возможности как для биологии, так и для робототехники.

Журнал: Труды Национальной академии наук, 1 октября 2024 г., DOI: 10.1073/pnas.2318769121 | Время чтения: 4 минуты.

Расшифровка самой гибкой конечности природы

В отличие от людей, которые контролируют свои движения посредством централизованного мозга, осьминоги имеют распределенную нервную систему, в которой возможности принятия решений распределены по рукам. Каждая рука может действовать независимо, достигая почти бесконечной степени движения – подвиг, который долгое время озадачивал как ученых, так и инженеров.

«Общая мотивация — выяснить, как управлять сложной системой со многими степенями свободы, и найти альтернативу дорогостоящим вычислениям», — объясняет профессор Маттиа Газзола. «Осьминог — интересная модель животного, которую изучают с 1980-х годов. [Researchers] хочу узнать «секрет» его способностей».

От живого осьминога к компьютерной модели

Исследовательская группа объединила несколько подходов, чтобы понять управление руками осьминога. Они использовали МРТ и анализ тканей, чтобы создать подробную модель мышечной структуры руки. Они также записали, как живые осьминоги выполняют задания, отслеживая их движения, когда они проникали через отверстие в листе оргстекла, чтобы манипулировать объектами.

«Это было почти как работать с маленьким ребенком», — отметил Газзола, наблюдая за осьминогом. «Нужно знать, как подойти [the octopus] и продолжайте заниматься этим».

Упрощение комплекса

Исследователи обнаружили, что сложные движения рук могут быть достигнуты с помощью относительно простых моделей активации мышц. «Вместо того чтобы работать с тысячами степеней свободы, мы связали две топологические величины — скручивание и скручивание — с динамикой мышц», — объясняет Газзола. Эти две величины, контролируемые разными группами мышц, работают вместе, создавая трехмерное движение.

Это понимание может привести к прогрессу в робототехнике. Как отмечает аспирант Арман Текинальп: «Мне очень интересно учиться на живых животных и воплощать некоторые идеи в идеи для проектирования мягких роботов».

Глоссарий

• Мышечный гидростат: биологическая структура, подобная руке осьминога, которая движется без костей.
• Топология: изучение геометрических свойств, которые остаются неизменными при деформации.
• Writhe: мера того, как кривая закручивается вокруг себя в трехмерном пространстве.
• Степени свободы: количество независимых способов перемещения чего-либо.

Контрольный опрос

1. Сколько групп мышц имеется в модели руки осьминога, созданной исследователями?
   Ответ: Около 200.
2. Чем осьминоги отличаются от человека по устройству мозга?
   Ответ: У них распределенная нервная система, в которой принятие решений распределено по рукам.
3. Какое оборудование использовали исследователи для изучения движений живых осьминогов?
   Ответ: Лист оргстекла с отверстием, через которое может пролезть осьминог.
4. Какие две величины использовали исследователи, чтобы понять движение рук?
   Ответ: Корчиться и крутиться

Нравится эта история? Получайте нашу рассылку! https://scienceblog.substack.com/

Связанный