你見過海星移動嗎？對我們很多人來說，海星看起來是一動不動的，就像海底的巖石，但事實上，它們的腹部有數(shù)百個管狀腳。這些腳伸展和收縮，以適應崎嶇的地形，捕捉獵物，當然，還會移動。

海星上的任何一根針都可以獨立地對刺激做出反應，但如果它們組合在一起，就可以同步自己的動作，產生跳躍動作——，這就是它們的奔跑方式。多年來，研究人員一直想知道海星是如何實現(xiàn)這種同步的，因為它沒有大腦，是一個完全分散的神經系統(tǒng)。

答案來自南加州大學維特比工程學院的研究人員，他們今天在《英國皇家學會界面雜志》上發(fā)表了：只海星通過“支配手臂”的全局定向指令和個體對刺激的局部反應來實現(xiàn)協(xié)調運動。換句話說，一旦海星提供了運動方向，每只腳都會找到自己的運動方式，而無需進一步交流。

包括南加州大學Viterbi航空航天與機械工程系的Eva Canso教授、南加州大學Viterbi的Sina Haidari博士，以及加州大學歐文分校生態(tài)學與進化生物學副教授Matt mchenry在內的研究人員也加入了他們的研究。艾米約翰遜，鮑登學院海洋生物學教授；和奧拉夫埃勒爾斯，鮑登學院生物和數(shù)學副研究員。

這項工作是基于現(xiàn)有的行為層次模型，但進一步解釋了海星運動在局部和全局之間的比例。

工程系aZohrab A. Kaprielian的研究員Kanso說：“神經系統(tǒng)不會同時處理同一個地方的所有事情，而是取決于‘海星’有能力并且會解決它的想法?！叭绻恢荒_接觸地面，另一只腳會感受到壓力。這種機械耦合是一只腳與另一只腳共享信息的唯一方式。”

第三種運動模式

海星的神經系統(tǒng)的特點是嘴周圍有一個神經環(huán)，通過橈神經與每只手臂相連。雖然每只腳的肌肉都受到連接橈神經和環(huán)神經的神經元的刺激。

爬行時，所有的腳都朝同一個方向走，但它們的動作并不同步。然而，當實現(xiàn)跳躍步態(tài)時，海星似乎將幾十英尺的距離協(xié)調成兩三個同步組。Kanso的研究團隊研究了這兩種運動模式以及它們之間的過渡。結果是一個模型，它描述了海星的運動在多大程度上是由引腳級別的局部感覺運動響應決定的，而不是由全局感覺運動命令決定的。

在動物世界里，行為通常用兩種流行的運動模式之一來描述；飛蟲等行為是通過中央處理系統(tǒng)傳遞的感覺反饋的結果，中央處理系統(tǒng)發(fā)出信息激活反應，或者是完全分散的結果，以及個體對感覺信息的反應，如魚類或蟻群。

這兩個模型似乎都不能描述海星的運動。

“以海星為例，神經系統(tǒng)似乎依靠身體與環(huán)境相互作用的物理學來控制運動。所有的針在結構上都與海星相連，所以它們是相互連接的?！?

這樣，引腳之間就有了“信息”的機械通信機制。單管足只需要感知自身狀態(tài)(本體感受)并做出相應反應。因為它的狀態(tài)與其他引腳機械耦合，所以它們一起工作。當這些針開始移動時，每一個都會產生一個單獨的力，這個力會成為感覺環(huán)境的一部分。這樣，每個引腳也會對其他引腳產生的力做出反應，最終，它們會相互建立節(jié)奏。

這類似于其他機械模型的協(xié)調。例如，以機械節(jié)拍器為例，這是一種幫助音樂家保持節(jié)奏或時間的設備。你可以在所有不同的階段開始一個10人的小組，把他們放在同一個平面上。隨著時間的推移，它們會同步。是和海星的機械耦合效應。每個節(jié)拍器與其他節(jié)拍器創(chuàng)造的節(jié)拍相互作用，因此它們有效地與其他節(jié)拍器“交流”，直到它們開始以全節(jié)奏和同步進行節(jié)拍。

海星行為如何幫助我們設計更高效的機器人系統(tǒng)？

了解分布式神經系統(tǒng)(如海星)如何實現(xiàn)復雜而協(xié)調的運動，可能會導致機器人和其他領域的進步。在機器人系統(tǒng)中，為機器人編寫程序來執(zhí)行重復性任務相對簡單。然而，在更復雜的定制情況下，機器人將面臨困難。如何設計機器人，使其在更復雜的問題或環(huán)境中扮演同樣的角色？

Kanso說，答案可能在于海星模型。“以海星為例，我們可以設計一個控制器，這樣就可以分層進行學習。在決策和與全球權威機構的溝通方面存在分散的部分。這對于設計多執(zhí)行器系統(tǒng)的控制算法是有用的。我們將大量控制委托給系統(tǒng)的物理特性——機械耦合——，而不是中央控制器的輸入或干預?！?

接下來，Kanso和她的團隊將首先研究全球方向指令是如何產生的，以及如果有競爭性刺激會發(fā)生什么。