你見過海星移動(dòng)嗎？對我們很多人來說，海星看起來是一動(dòng)不動(dòng)的，就像海底的巖石，但事實(shí)上，它們的腹部有數(shù)百個(gè)管狀腳。這些腳伸展和收縮，以適應(yīng)崎嶇的地形，捕捉獵物，當(dāng)然，還會(huì)移動(dòng)。

海星上的任何一根針都可以獨(dú)立地對刺激做出反應(yīng)，但如果它們組合在一起，就可以同步自己的動(dòng)作，產(chǎn)生跳躍動(dòng)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(shí)現(xiàn)這種同步的，因?yàn)樗鼪]有大腦，是一個(gè)完全分散的神經(jīng)系統(tǒng)。

答案來自南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的研究人員，他們今天在《英國皇家學(xué)會(huì)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(gè)體對刺激的局部反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。換句話說，一旦海星提供了運(yùn)動(dòng)方向，每只腳都會(huì)找到自己的運(yùn)動(dòng)方式，而無需進(jìn)一步交流。

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

這項(xiàng)工作是基于現(xiàn)有的行為層次模型，但進(jìn)一步解釋了海星運(yùn)動(dòng)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(jīng)系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)處理同一個(gè)地方的所有事情，而是取決于‘海星’有能力并且會(huì)解決它的想法?！叭绻恢荒_接觸地面，另一只腳會(huì)感受到壓力。這種機(jī)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(yùn)動(dòng)模式

海星的神經(jīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是嘴周圍有一個(gè)神經(jīng)環(huán)，通過橈神經(jīng)與每只手臂相連。雖然每只腳的肌肉都受到連接橈神經(jīng)和環(huán)神經(jīng)的神經(jīng)元的刺激。

爬行時(shí)，所有的腳都朝同一個(gè)方向走，但它們的動(dòng)作并不同步。然而，當(dāng)實(shí)現(xiàn)跳躍步態(tài)時(shí)，海星似乎將幾十英尺的距離協(xié)調(diào)成兩三個(gè)同步組。Kanso的研究團(tuán)隊(duì)研究了這兩種運(yùn)動(dòng)模式以及它們之間的過渡。結(jié)果是一個(gè)模型，它描述了海星的運(yùn)動(dòng)在多大程度上是由引腳級(jí)別的局部感覺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)決定的，而不是由全局感覺運(yùn)動(dòng)命令決定的。

在動(dòng)物世界里，行為通常用兩種流行的運(yùn)動(dòng)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(jié)果，中央處理系統(tǒng)發(fā)出信息激活反應(yīng)，或者是完全分散的結(jié)果，以及個(gè)體對感覺信息的反應(yīng)，如魚類或蟻群。

這兩個(gè)模型似乎都不能描述海星的運(yùn)動(dòng)。

“以海星為例，神經(jīng)系統(tǒng)似乎依靠身體與環(huán)境相互作用的物理學(xué)來控制運(yùn)動(dòng)。所有的針在結(jié)構(gòu)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(jī)械通信機(jī)制。單管足只需要感知自身狀態(tài)(本體感受)并做出相應(yīng)反應(yīng)。因?yàn)樗臓顟B(tài)與其他引腳機(jī)械耦合，所以它們一起工作。當(dāng)這些針開始移動(dòng)時(shí)，每一個(gè)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的力，這個(gè)力會(huì)成為感覺環(huán)境的一部分。這樣，每個(gè)引腳也會(huì)對其他引腳產(chǎn)生的力做出反應(yīng)，最終，它們會(huì)相互建立節(jié)奏。

這類似于其他機(jī)械模型的協(xié)調(diào)。例如，以機(jī)械節(jié)拍器為例，這是一種幫助音樂家保持節(jié)奏或時(shí)間的設(shè)備。你可以在所有不同的階段開始一個(gè)10人的小組，把他們放在同一個(gè)平面上。隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)同步。是和海星的機(jī)械耦合效應(yīng)。每個(gè)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(jìn)行節(jié)拍。

海星行為如何幫助我們設(shè)計(jì)更高效的機(jī)器人系統(tǒng)？

了解分布式神經(jīng)系統(tǒng)(如海星)如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人和其他領(lǐng)域的進(jìn)步。在機(jī)器人系統(tǒng)中，為機(jī)器人編寫程序來執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)相對簡單。然而，在更復(fù)雜的定制情況下，機(jī)器人將面臨困難。如何設(shè)計(jì)機(jī)器人，使其在更復(fù)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?！耙院Ｐ菫槔覀兛梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)控制器，這樣就可以分層進(jìn)行學(xué)習(xí)。在決策和與全球權(quán)威機(jī)構(gòu)的溝通方面存在分散的部分。這對于設(shè)計(jì)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(jī)械耦合——，而不是中央控制器的輸入或干預(yù)?！?

接下來，Kanso和她的團(tuán)隊(duì)將首先研究全球方向指令是如何產(chǎn)生的，以及如果有競爭性刺激會(huì)發(fā)生什么。