Heb je ooit een zeester zien bewegen? Voor velen van ons, zeester lijkt roerloos, als een rots op de oceaanbodem, maar in werkelijkheid, ze hebben honderden buisvoeten aan hun onderbuik. Deze voeten strekken zich uit en trekken samen om zich aan ruw terrein te hechten, vasthouden aan prooi en, natuurlijk, Actie.

Elke buisvoet op een zeester kan autonoom reageren op prikkels, maar aan elkaar gekoppeld ze kunnen hun beweging synchroniseren om een ​​stuiterende beweging te produceren - hun versie van hardlopen. Voor jaren, onderzoekers hebben zich afgevraagd hoe een zeester deze synchronisatie tot stand brengt, gezien het geen hersenen heeft en een volledig gedecentraliseerd zenuwstelsel.

Het antwoord, van onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering, werd vandaag gepubliceerd in de Tijdschrift van de Royal Society Interface :zeester koppel een globaal directionaliteitscommando van een "dominante arm" met individuele, gelokaliseerde reacties op stimuli om gecoördineerde voortbeweging te bereiken. Met andere woorden, zodra de zeester een instructie geeft op welke manier te bewegen, de individuele voeten zoeken zelf uit hoe ze dit kunnen bereiken, zonder verdere communicatie.

De onderzoekers, waaronder professor Eva Kanso in USC Viterbi's Department of Aerospace and Mechanical Engineering en Sina Heydari, een USC Viterbi Ph.D. kandidaat, werden vergezeld door Matt McHenry, universitair hoofddocent ecologie en evolutionaire biologie aan de Universiteit van Californië, Irvine; Amy Johnson, hoogleraar mariene biologie aan Bowdoin College; en Olaf Ellers, onderzoeksmedewerker in biologie en wiskunde aan Bowdoin College.

Het werk bouwt voort op een bestaand hiërarchisch gedragsmodel, maar gaat verder door uit te leggen hoeveel van de voortbeweging van de zeester lokaal versus wereldwijd plaatsvindt.

"Het zenuwstelsel verwerkt niet alles op dezelfde plaats op hetzelfde moment, maar vertrouwt op het idee dat de zeester competent is en het zal uitzoeken, " zei Kanso, een Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. "Als een buisvoet tegen de grond duwt, de anderen zullen de kracht voelen. Deze mechanische koppeling is de enige manier waarop de ene buisvoet informatie met de andere deelt."

Een derde model van voortbeweging

Het zenuwstelsel van een zeester wordt gekenmerkt door een zenuwring die zijn mond omringt en via een radiale zenuw met elke individuele arm is verbonden. De spieren van elke buisvoet worden gestimuleerd door neuronen die zijn verbonden met de radiale en ringzenuwen.

Alle voeten stappen in dezelfde richting tijdens het kruipen, maar hun beweging is niet gesynchroniseerd. Echter, bij het bereiken van de stuiterende gang, zeester lijken tientallen voeten te coördineren in twee of drie gesynchroniseerde groepen. Het onderzoeksteam, onder leiding van Kanso, keek naar beide bewegingsvormen, en de overgang daartussen. Het resultaat is een model dat beschrijft hoeveel van de voortbeweging van een zeester wordt bepaald door lokale sensomotorische respons op het niveau van de buisvoeten versus globale sensomotorische commando's.

In de dierenwereld, gedrag wordt vaak beschreven door een van de twee heersende modellen van voortbeweging; gedrag zoals insectenvlucht is het resultaat van sensorische feedback die door een centraal verwerkingssysteem reist, die een bericht verzendt dat een reactie activeert, of het is het resultaat van volledig gedecentraliseerde, individuele reacties op zintuiglijke informatie zoals in visscholen of mierenkolonies.

Geen van beide modellen lijkt de beweging van een zeester te beschrijven.

"In het geval van de zeester, het zenuwstelsel lijkt te vertrouwen op de fysica van de interactie tussen het lichaam en de omgeving om de voortbeweging te beheersen. Alle buisvoeten zijn structureel aan de zeester bevestigd en dus naar elkaar."

Op deze manier, er is een mechanisme om "informatie" mechanisch tussen buisvoeten te communiceren. Een individuele buisvoet hoeft alleen zijn eigen toestand (proprioceptie) te voelen en dienovereenkomstig te reageren. Omdat zijn toestand mechanisch is gekoppeld aan andere buisvoeten, ze werken collectief samen. Terwijl de buisvoeten beginnen te bewegen, elk produceert een individuele kracht die een deel wordt van de zintuiglijke omgeving. Op deze manier, elke buisvoet reageert ook op de krachten die door andere buisvoeten worden geproduceerd en uiteindelijk, ze leggen een ritme met elkaar vast.

Dit is vergelijkbaar met andere mechanische modellen van coördinatie. Bijvoorbeeld, neem een ​​set mechanische metronomen, apparaten die worden gebruikt om het ritme of de tijd voor een muzikant vast te houden. Je kunt een set van 10 starten in alle verschillende fasen, ze op hetzelfde vlakke oppervlak laten rusten. Overuren, ze zullen synchroniseren. In het spel is het mechanische koppelingseffect dat wordt gezien met de zeester; elke metronoom is mechanisch in wisselwerking met de fasen gecreëerd door de andere metronoom en als zodanig, effectief "communiceert" met de andere metronomen totdat ze in volledig ritme en synchroon beginnen te kloppen.

Hoe het gedrag van zeesterren ons kan helpen efficiëntere robotsystemen te ontwerpen

Begrijpen hoe een gedistribueerd zenuwstelsel, als die van een zeester, behaalt complexe, gecoördineerde bewegingen kunnen leiden tot vooruitgang op gebieden zoals robotica. In robotsystemen, het is relatief eenvoudig om een ​​robot te programmeren om repetitieve taken uit te voeren. Echter, in complexere situaties waar maatwerk vereist is, robots hebben het moeilijk. Hoe kunnen robots worden ontworpen om dezelfde voordelen toe te passen op een complexer probleem of complexere omgeving?

Het antwoord ligt misschien in het zeestermodel, zei Kanso. "Met het voorbeeld van een zeester, we kunnen controllers ontwerpen zodat leren hiërarchisch kan gebeuren. Er is een decentrale component voor zowel de besluitvorming als de communicatie met een mondiale autoriteit. Dit kan handig zijn voor het ontwerpen van regelalgoritmen voor systemen met meerdere actuatoren, waar we een groot deel van de controle delegeren aan de fysica van het systeem - mechanische koppeling - versus de invoer of tussenkomst van een centrale controller."

Volgende, Kanso en haar team gaan kijken hoe het globale directionaliteitscommando in de eerste plaats ontstaat en wat er gebeurt als er concurrerende stimuli zijn.