Onderzoekers in Japan en Italië omarmen chaos en niet-lineaire fysica om insectachtige gangen te creëren voor kleine robots - compleet met een voortbewegingscontroller om een ​​hersen-machine-interface te bieden.

Biologie en natuurkunde zijn doordrongen van universele fenomenen die fundamenteel geworteld zijn in niet-lineaire natuurkunde, en het inspireerde het werk van de onderzoekers.

In het journaal Chaos , de groep beschrijft het gebruik van het Rössler-systeem, een stelsel van drie niet-lineaire differentiaalvergelijkingen, als bouwsteen voor centrale patroongeneratoren (CPG's) om de gang van een robotinsect te regelen.

"De universele aard van onderliggende fenomenen stelde ons in staat om aan te tonen dat voortbeweging kan worden bereikt via elementaire combinaties van Rössler-systemen, die een hoeksteen vormen in de geschiedenis van chaotische systemen, " zei Ludovico Minati, van het Tokyo Institute of Technology en de Universiteit van Trento.

Fenomenen gerelateerd aan synchronisatie stellen de groep in staat om zeer eenvoudige netwerken te creëren die complexe ritmische patronen genereren.

"Deze netwerken, CPG's, zijn de basis van beenbeweging overal in de natuur, " hij zei.

De onderzoekers begonnen met een minimalistisch netwerk waarbij elke instantie wordt geassocieerd met één been. Het veranderen van de gang of het creëren van een nieuwe kan worden bereikt door eenvoudig kleine wijzigingen aan te brengen in de koppeling en de bijbehorende vertragingen.

Met andere woorden, onregelmatigheden kunnen worden toegevoegd door individuele systemen of het hele netwerk chaotischer te maken. Voor niet-lineaire systemen, een verandering van output is niet evenredig met een verandering van input.

Dit werk laat zien dat het Rössler-systeem, buiten zijn vele interessante en ingewikkelde eigenschappen, "kan ook met succes worden gebruikt als substraat om een ​​bio-geïnspireerde voortbewegingscontroller voor een insectenrobot te bouwen, ' zei Minati.

Hun controller is gebouwd met een elektro-encefalogram om een ​​brein-computerinterface mogelijk te maken.

"Neuro-elektrische activiteit van een persoon wordt geregistreerd en niet-lineaire concepten van fasesynchronisatie worden gebruikt om een ​​patroon te extraheren, "zei Minati. "Dit patroon wordt vervolgens gebruikt als basis om de dynamiek van de Rössler-systemen te beïnvloeden, die het looppatroon voor de insectenrobot genereren."

De onderzoekers maken twee keer gebruik van de fundamentele ideeën van niet-lineaire dynamiek.

"Eerst, we gebruiken ze om biologische activiteit te decoderen, dan in de tegenovergestelde richting om bio-geïnspireerde activiteit te genereren, " hij zei.

De belangrijkste implicatie van dit werk is dat het "de algemeenheid aantoont van niet-lineaire dynamische concepten zoals het vermogen van het Rössler-systeem, die vaak wordt bestudeerd in een abstract scenario, " zei Minati, "maar wordt hier gebruikt als basis om biologisch plausibele patronen te genereren."