8 Minutės
Jūrų žvaigždės, dar vadinamos jūros žvaigždėmis, sugebėdamos sklandžiai judėti per sudėtingas dugno struktūras — kopti ant uolų, slysti per smėlį ar net vaikščioti apverstos pusės — daro tai be centralizuoto smegenų centro. Naujausi tarpdisciplininiai tyrimai atskleidžia, kad jų paslaptis slypi decentralizuotoje, mechaniką atsižvelgiančioje choreografijoje, kurią sudaro šimtai hidraulinių vamzdinių pėdų.
Asterias rubens apatinė pusė.
A decentralized strategy: more feet, not more neurons
Iš pirmo žvilgsnio dešimčių ar šimtų galūnių koordinavimas atrodytų užduotis, tinkama centriniam smegenų valdymui. Tačiau paprastoji jūrų žvaigždė Asterias rubens šį sudėtingą veiksmą atlieka be vieningos vadovybės. Kiekviena koja ir jos vamzdinių pėdų eilė veikia vietoje: jos sąveikauja su substratu ir kaimyninėmis pėdomis, generuodamos suderintą judesį per paprastą ir patikimą mechaninį procesą.
Šis decentralizuotas valdymo modelis yra stebėtinai atsparus sutrikimams ir pritaikomas: žvynuotasis kūnas palaiko judėjimo greitį, keičia kryptį ir įveikia kliūtis tik reguliuodamas, kiek laiko kiekviena vamzdinė pėda lieka prilipusi prie paviršiaus. Tokia strategija sumažina poreikį apdoroti didelius informacijos srautus centriniu būdu ir perkelia daug sprendimų priėmimo į lokalius mechaninius atsakus — tai turi reikšmingų implikacijų tiek biologijai, tiek inžinerijai.
Be to, decentralizuotas modelis paaiškina, kodėl jūrų žvaigždės išsaugo efektyvų judesį net tuomet, kai dalis galūnių pažeidžiama ar laikinai nefunkcionuoja. Vietiniai refleksai ir vietinės jėgos valdymas leidžia likusioms pėdoms perskirstyti apkrovą ir palaikyti stabilų slenkstį judėjimui, kas yra esminis elementas ilgalaikei išlikimo strategijai šiuolaikinėje pakrantės ekologijoje.
How tube feet do the heavy lifting
Kiekviena vamzdinė pėda yra sudėtinga maža hidraulinė sistema, kuri jungia biologinę struktūrą su mechanine funkcija. Lanksti kotelė pumpuoja vandeninį skystį iš vandens kraujotakos (water vascular system) į suplokštintą lipnią diską — pėdą. Ši pėda išskiria lipnų, baltyminį sekretą, kuris leidžia geriau sukibti su įvairiais paviršiais; tą patį diską pėda gali aktyviai atleisti, išskirdama kitokios sudėties medžiagą, kai reikalinga atšokti ir atlikti kitą judesį.
Asterias rubens išsidėsto po keturias tokių podijų eilutes kiekvienoje rankoje, todėl individas turi suderinti šimtų atskirų kontaktų laiko tvarką, kai juda ar lipa. Šis sinchronizacijos lygis nėra grindžiamas sudėtingais centriniais impulsais, o labiau priklauso nuo to, kaip kiekviena pėda reaguoja į vietinius mechaninius stimulus ir kaimyninių pėdų būseną.
Fiziologiškai vamzdinių pėdų veikimas jungia kelis komponentus: hidraulinį slėgį, raumeninę įtampą kotelyje, gleivinių sekretų cheminių savybių modulaciją ir mechaninį kontaktą su substratu. Tokia daugiasluoksnė sistema leidžia greitai ir efektyviai prisiderinti prie paviršiaus tekstūros, drėgmės, profilio ir apkrovos pokyčių.
Iš mechanikos perspektyvos svarbu paminėti, kad vamzdinių pėdų lipnumas ir atstūmimo geba turi būti optimizuoti taip, kad užtikrintų stabilų sukibimą mažu energijos sąnaudų balansavimu. Tai reiškia, jog evoliucinės jėgos turėjo favorizuoti medžiagas ir struktūras, kurios suteikia pakankamą sukibimą didinant prisitaikymo galimybes prie skirtingų aplinkos sąlygų.
Mechanical load, not central timing
Tyrėjai pasitelkė elegantišką optinį metodą, kad žemėlapiuotų, kurios pėdos bet kuriuo momentu kontakto metu sudaro sąlytį su paviršiumi. Kai žvaigždė savo judesiu ėjo per apšviestą, stipriai lūžtančio stiklo plokštę, kiekviena pėda pakeisdavo šviesos sklidimo kelią ir sukurdavo ryškų pėdsaką. Sekdami šiuos šviesos taškus mokslininkai galėjo nuosekliai registruoti atskirų pėdų kontaktų laiką, padėtį ir perėjimus.
Analizė parodė, kad gyvūnai išlaiko apytiksliai tokį pat judėjimo į priekį greitį nepriklausomai nuo to, kiek pėdų tuo pačiu metu remiasi į paviršių. Tai reiškia, kad bendras greitis nėra griežtai kontroliuojamas per centralizuotą sinusą su fiksuotais laiko intervalais tarp pėdų fazių, o labiau per individualių pėdų kontaktų trukmės reguliavimą.
Konkrečiau, pasikeičia prisitvirtinimo laikas: pėdos, kurios patiria didesnę mechaninę apkrovą ar nėra pakankamai palaikomos kaimyninių pėdų, lieka prilipusios ilgiau. Tokia reakcija sumažina slydimo riziką ir suteikia stabilumo, nes vietinis jėgos grįžtamasis ryšys tiesiogiai koreguoja kontaktų trukmę. Tai yra aiškus pavyzdys, kaip mechaninis jautrumas gali pakeisti laiko parametrus be centralizuoto laikrodžio.
Be to, optinis metodas leido detaliai atsekti, kaip kontaktų fazės persidengia tarp skirtingų rankų ir kaip laikinai padidėjęs vietinis slėgis skatina sinchronizuotą reagavimą. Tai sustiprina idėją, jog vietiniai mechaniniai signalai yra pagrindinis koordinacijos principas šioje biologinėje sistemoje.
Experiments that reveal adaptive gait
Norėdami patikrinti hipotezę, kad mechaninė apkrova valdo ėjimo manierą (gait), mokslininkai eksperimentuose prie žvaigždžių pritaisė mažus svorius — lygiais 25 % arba 50 % jų kūno masės. Tokie „kuprinės“ priedai žymiai padidino bendrą mechaninį krūvį, reikalaujant, kad vamzdinės pėdos prisitaikytų prie naujų sąlygų.
Stebėjimai parodė, kad, padidėjus krūviui, vamzdinės pėdos ilgesnį laiką laikosi substrato, o pats judėjimo greitis sumažėja. Tai atitinka mechaninį modelį, kuriame kiekviena pėda atskirai moduliuoja prisitvirtinimo trukmę reaguodama į vietinę įtampą: didesnė apkrova — ilgesnis kontaktas. Tokiu būdu gyvūnas išlaiko stabilumą ir mažina riziką prarasti kontaktą ar paslysti.
Ta pati adaptacija buvo užfiksuota, kai žvaigždės ėjo apverstos „lubos“ paviršiumi savo aptvare: vamzdinės pėdos keitė kontaktų elgseną, kad priešintųsi gravitacijai ir išvengtų slydimų. Šis elgesys pabrėžia, kad vietinė mechaninė informacija (pvz., gracilumo jausmas, slydimas, apkrova) yra pagrindinis variklis, leidžiantis sistemos komponentams reaguoti nepriklausomai, bet kartu sukurti koordinuotą mobilumą.
Tyrimo rezultatai taip pat rodo, kad toks lokalaus reagavimo modelis yra itin pranašus esant netikėtiems arba greitiems apkrovos svyravimams: centriniam mechanizmui reikėtų laiko suintegruoti informaciją, kol vietiniai mechaniniai refleksai veikia beveik akimirksniu. Tai turi ekologinę reikšmę — pakrantės zonose, kur aplinka greitai kinta, greitas vietinis prisitaikymas gali lemti išlikimą.
Modeliavimas, integruotas su empiriniu duomenų rinkimu, leido autoriams rekonstruoti, kaip paprasta taisyklė — „pratęsti prilipimo trukmę, kai apkrova didėja; sutrumpinti, kai mažėja“ — gali išvesti sudėtingus, sinchronizuotus lokomocijos modelius. Tai yra įtikinamas pavyzdys, kaip paprastos lokalinės taisyklės, integruotos su mechaniniais jutikliais, kuria adaptuotą sisteminį elgesį.
Why this matters beyond the tide pool
Įsisavinus jūrų žvaigždžių lokomocijos principus atsiveria praktinės naudos sritis, ypač minkštųjų robotų, robotizuotų griebtuvų ir autonominių laipiojimo sistemų inžinerijoje. Kopijuodami decentralizuotą strategiją, inžinieriai gali paskirstyti jutimą ir valdymą tarp daugelio paprastų aktuatorių, kurie reaguoja vietoje į jėgas ir apkrovą.
Toks dizainas padidina sistemos atsparumą: jei viena galūnė sugestų arba būtų prarasta, likusios gali perskirstyti darbą ir palaikyti funkcionalumą. Be to, amortizuojant kontrolės sprendimus vietiniu mechaniniu reguliavimu, supaprastėja valdymo algoritmai — adaptacija „įsiūta" tiesiai į mechaniką, todėl kontrolės programinė įranga gali būti paprastesnė ir efektyvesnė energetiškai.
Praktiniai panaudojimai apima: minkštųjų robotų, kurie vaikščioja po nelygų gruntą ar pervargusias povandenines struktūras; autonominius tyrimo robotus, skyrus juos biologinei ir geologinei pakrantės tyrinėjimui; bei modulinius griebtuvus, kurie prisitaiko prie įvairių formų ir paviršiaus savybių be sudėtingo atpažinimo algoritmo. Visuose šiuose pavyzdžiuose decentralizuotas, mechaniką įtraukiantis dizainas suteikia naują požiūrį į sistemos patikimumą ir paprastumą.
Be to, biologinė infrastruktūra, kurią suteikia žvaigždžių vamzdinės pėdos — tokia kaip baltyminiai sekretai — gali įkvėpti naujas lipniųjų medžiagų technologijas. Biocheminės analizės, skiriamos identifikuoti šių sekretų komponentus ir savybes, gali leisti sukurti naujos kartos biologines arba biomimetines klijines medžiagas, pritaikomas drėgnose ar sūraus vandens sąlygose.
Galiausiai, supratimas, kaip paprasti vietiniai reguliavimo mechanizmai sukuria sudėtingą elgesį, prisideda prie platesnių teorinių diskusijų apie sąveiką tarp mechanikos ir informacijos apdorojimo gyvuosiuose organizmuose. Tai padeda formuoti terminus, kuriais įvertinamas neurų, mechaninių ir cheminių signalų indėlis į elgsenos reguliavimą.
Expert Insight
„Jūrų žvaigždės rodo, kaip fizika ir biologija gali pakeisti sunkius skaičiavimus“, — sako dr. Elena Morales, biomechanikos inžinerė viename iš pažangiausių robotikos laboratorijų. „Leidžiant kiekvienam aktuatoriui pajusti savo apkrovą ir keisti prisijungimo trukmę, sistemos tampa gedimams atsparios ir energetiškai efektyvios. Būtent to reikia robotams, veikliems nenuspėjamose aplinkose.“
Tyrimas, paskelbtas Proceedings of the National Academy of Sciences, apjungia biologiją, optiką ir kompiuterinį modeliavimą, kad iliustruotų tvirtą, decentralizuotą lokomocijos strategiją. Mokslininkų požiūriu, jūrų žvaigždė nėra tik anatomijos ar ekologijos objektas — tai gyvas pavyzdys, kaip paprastos vietinės taisyklės gali sukurti kompleksišką, adaptuotą ir perspektyvią elgseną, svarbią tiek fundamentiniams mokslo klausimams, tiek praktiniams inžineriniams sprendimams.
Norint pilnai išnaudoti šiuos biologinius principus inžinerijoje, reikalingi tolimesni tarpdisciplininiai tyrimai: gilesnė vamzdinių pėdų biochemija, tikslesnis mechaninių signalų perdavimo modeliavimas ir eksperimentinis pernešimas į dirbtinius aktuatorius. Tokie žingsniai gali išplėsti mūsų galimybes kurti robotus, gebančius saugiai ir efektyviai judėti po sudėtingą aplinką, imituodami gamtos patikrintus sprendimus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą