Hai mai visto una stella marina muoversi? A molti di noi, la stella del mare sembra immobile, come una roccia sul fondo dell'oceano, ma in realtà, hanno centinaia di piedi tubolari attaccati al loro ventre. Questi piedi si allungano e si contraggono per attaccarsi al terreno accidentato, aggrappati alla preda e, Certo, spostare.

Qualsiasi piede tubolare su una stella marina può agire autonomamente nel rispondere agli stimoli, ma accoppiati insieme, possono sincronizzare il loro movimento per produrre un movimento di rimbalzo, la loro versione di corsa. Per anni, i ricercatori si sono chiesti esattamente come una stella marina realizzi questa sincronizzazione, dato che non ha cervello e un sistema nervoso completamente decentralizzato.

La risposta, dai ricercatori della USC Viterbi School of Engineering, è stato pubblicato oggi nel Journal of the Royal Society Interface :coppia di stelle marine un comando di direzionalità globale da un "braccio dominante" con individuo, risposte localizzate agli stimoli per ottenere una locomozione coordinata. In altre parole, una volta che la stella marina fornisce istruzioni su come muoversi, i singoli piedi capiscono come raggiungere questo obiettivo da soli, senza ulteriori comunicazioni.

I ricercatori, tra cui la professoressa Eva Kanso del Dipartimento di ingegneria aerospaziale e meccanica della USC Viterbi e Sina Heydari, un dottorato di ricerca USC Viterbi candidato, sono stati raggiunti da Matt McHenry, professore associato di ecologia e biologia evolutiva presso l'Università della California, Irvine; Amy Johnson, professore di biologia marina al Bowdoin College; e Olaf Ellers, ricercatore associato in biologia e matematica al Bowdoin College.

Il lavoro si basa su un modello gerarchico di comportamento esistente, ma va oltre nello spiegare quanta parte della locomozione delle stelle marine avviene a livello locale rispetto a quella globale.

"Il sistema nervoso non elabora tutto nello stesso posto allo stesso tempo, ma si basa sull'idea che la stella marina è competente e lo capirà, " disse Kanso, uno Zohrab A. Kaprielian Fellow in Ingegneria. "Se un piede tubolare spinge contro il suolo, gli altri sentiranno la forza. Questo accoppiamento meccanico è l'unico modo in cui un piede tubolare condivide le informazioni con un altro."

Un terzo modello di locomozione

Il sistema nervoso di una stella marina è caratterizzato da un anello nervoso che circonda la sua bocca e si collega a ogni singolo braccio tramite un nervo radiale. I muscoli di ciascun piede tubolare sono stimolati da neuroni collegati ai nervi radiali e ad anello.

Tutti i piedi camminano nella stessa direzione mentre strisciano, ma il loro movimento non è sincronizzato. Però, quando si raggiunge l'andatura saltellante, le stelle marine sembrano coordinare decine di piedi in due o tre gruppi sincronizzati. Il gruppo di ricerca, guidato da Kanso, guardato entrambe le modalità di movimento, e la transizione tra di loro. Il risultato è un modello che descrive quanta parte della locomozione di una stella marina è determinata dalla risposta sensomotoria locale a livello dei piedi del tubo rispetto ai comandi sensomotori globali.

Nel mondo animale, il comportamento è spesso descritto da uno dei due modelli prevalenti di locomozione; comportamento come il volo degli insetti è il risultato di un feedback sensoriale che viaggia attraverso un sistema di elaborazione centrale, che invia un messaggio attivando una risposta, oppure è il risultato di un processo completamente decentralizzato, risposte individuali alle informazioni sensoriali come nei banchi di pesci o nelle colonie di formiche.

Nessuno di questi modelli sembra descrivere il moto di una stella marina.

"Nel caso della stella marina, il sistema nervoso sembra fare affidamento sulla fisica dell'interazione tra il corpo e l'ambiente per controllare la locomozione. Tutti i piedini del tubo sono fissati strutturalmente alla stella marina e quindi, gli uni agli altri."

In questo modo, c'è un meccanismo per "informazioni" da comunicare meccanicamente tra i piedi del tubo. Un singolo piede tubolare dovrebbe solo percepire il proprio stato (propriocezione) e rispondere di conseguenza. Poiché il suo stato è accoppiato meccanicamente ad altri piedi del tubo, lavorano insieme collettivamente. Quando i piedi del tubo iniziano a muoversi, ciascuno produce una forza individuale che diventa parte dell'ambiente sensoriale. In questo modo, ogni piede tubolare risponde anche alle forze prodotte da altri piedini tubolare ed eventualmente, stabiliscono un ritmo tra loro.

Questo è simile ad altri modelli meccanici di coordinamento. Per esempio, prendi una serie di metronomi meccanici, dispositivi utilizzati per aiutare a mantenere il ritmo o il tempo per un musicista. Puoi iniziare una serie di 10 in tutte le diverse fasi, appoggiandoli sulla stessa superficie piana. Col tempo, si sincronizzeranno. In gioco c'è l'effetto di accoppiamento meccanico visto con la stella marina; ogni metronomo interagisce meccanicamente con le fasi create dagli altri metronomi e come tale, sta effettivamente "comunicando" con gli altri metronomi fino a quando non iniziano a battere in completo ritmo e sincronia.

In che modo il comportamento delle stelle marine può aiutarci a progettare sistemi robotici più efficienti

Comprendere come un sistema nervoso distribuito, come quello di una stella marina, realizza complessi, movimenti coordinati potrebbero portare a progressi in settori come la robotica. Nei sistemi robotici, è relativamente semplice programmare un robot per eseguire compiti ripetitivi. Però, in situazioni più complesse dove è richiesta la personalizzazione, i robot incontrano difficoltà. Come possono essere progettati i robot per applicare gli stessi vantaggi a un problema o ambiente più complesso?

La risposta potrebbe risiedere nel modello della stella marina, ha detto Kanso. "Usando l'esempio di una stella marina, possiamo progettare controller in modo che l'apprendimento possa avvenire gerarchicamente. Esiste una componente decentralizzata sia per il processo decisionale che per la comunicazione con un'autorità globale. Questo potrebbe essere utile per progettare algoritmi di controllo per sistemi con più attuatori, dove stiamo delegando gran parte del controllo alla fisica del sistema - accoppiamento meccanico - rispetto all'input o all'intervento di un controller centrale."

Prossimo, Kanso e il suo team esamineranno in primo luogo come nasce il comando di direzionalità globale e cosa succede se ci sono stimoli in competizione.