Un robot de înot oferă o nouă perspectivă asupra locomoției și neuroștiințelor

Datorită robotului de înot conceput după tiparul unui pește lamprea, oamenii de știință EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) sunt pe punctul de a descoperi cauzele pentru care unele vertebrate sunt capabile să-și păstreze capacitățile locomotorii după o leziune a măduvei spinării.

Descoperirea ar putea ajuta, de asemenea, la îmbunătățirea performanței roboților de înot utilizați pentru misiunile de căutare și salvare, dar și pentru monitorizarea mediului.

• O formă ciudată de apă ar putea alimenta câmpurile magnetice ale planetelor
• Cum ne-ar putea ajuta albinele să vorbim cu extratereștrii?

Oamenii de știință de la Laboratorul de Biorobotică (BioRob) din Școala de Inginerie EPFL dezvoltă roboți inovatori, pe de o parte pentru a studia locomoția la animale, iar pe de alta, pentru a înțelege mai bine neuroștiința din spatele generației de mișcare.

Un astfel de robot este AgnathaX, un robot de înot folosit într-un studiu internațional realizat de cercetători de la EPFL și de oameni de știință de la alte universități din Franța și Canada.

„Scopul nostru cu acest robot a fost de a examina modul în care sistemul nervos procesează informații senzoriale, astfel încât să producă un anumit tip de mișcare”, a afirmat prof. Auke Ijspeert, șeful BioRob.

El a mai punctat că „acest mecanism este greu de studiat în organismele vii, deoarece diferitele componente ale sistemului nervos central și periferic sunt extrem de interconectate în măduva spinării. Acest lucru face dificilă înțelegerea dinamicii lor și a influenței pe care o au reciproc, potrivit techxplore.com.

Un robot de înot lung și ondulat

AgnathaX este un robot de înot lung și ondulat conceput după modelul unui pește primitiv asemănător anghilei, numit lamprea.

Robotul conține o serie de motoare care acționează cele zece segmente ale sale, fiecare dintre ele o replică a mușchilor aflați de-a lungul corpului unei lamprea.

Robotul are, de asemenea, senzori de forță distribuiți lateral de-a lungul segmentelor sale care funcționează ca celulele sensibile la presiune pe pielea unei lamprea și detectează forța cu care acționează apa asupra animalului.

Echipa de cercetare a rulat modele matematice pe robotul respectiv pentru a simula diferitele componente ale sistemului nervos și a înțelege mai bine dinamica complexă a acestuia.

„Am lansat robotul AgnathaX într-o piscină dotată cu un sistem de urmărire a mișcării, astfel încât să putem măsura mișcările lui”, a explicat Laura Paez, un student la doctorat al BioRob. „În timp ce a înotat, am activat și dezactivat selectiv intrările și ieșirile centrale și periferice ale sistemului nervos pentru fiecare segment în parte, astfel încât să putem testa ipotezele noastre despre neuroștiinta implicată”.

Oamenii de știință au descoperit că atât sistemul nervos central, cât și cel periferic contribuie la generarea de locomoție robustă.

Rezistență sporită în cazul întreruperilor neuronale

Avantajul faptului că cele două sisteme funcționează în tandem este acela că oferă o rezistență sporită împotriva întreruperilor neuronale, cum ar fi eșecurile comunicării dintre segmentele corpului sau mecanismele de detectare dezactivate.

„Cu alte cuvinte, folosind o combinație de componente centrale și periferice, robotul ar putea rezista unui număr mai mare de întreruperi neuronale și ar putea continua să înoate la viteze mari, spre deosebire de roboții care au un singur tip de componentă.

Am constatat, de asemenea, că senzorii de forță din pielea robotului, împreună cu interacțiunile fizice dintre corpul robotului și apă, furnizează semnale utile pentru generarea și sincronizarea activității musculare ritmice necesare locomoției”, a explicat Kamilo Melo, coautor al studiului.

Ca rezultat, atunci când oamenii de știință au tăiat comunicarea între diferitele segmente ale robotului pentru a simula o leziune a măduvei spinării, semnalele de la senzorii de presiune care măsoară presiunea apei și împing corpul robotului au fost suficiente pentru a-și menține mișcarea ondulantă.

Aceste descoperiri pot fi folosite pentru a proiecta roboți de înot mai eficienți pentru misiuni de căutare și salvare și monitorizare a mediului.

De exemplu, senzorii de forță dezvoltați de oamenii de știință pot ajuta astfel de roboți să navigheze prin perturbări ale fluxului și să reziste mai bine la deteriorarea componentelor lor tehnice.

Studiul are ramificații și în domeniul neuroștiințelor. Aceasta confirmă faptul că mecanismele periferice oferă o funcție importantă, care este probabil umbrită de bine-cunoscutele mecanisme centrale.

„Aceste mecanisme periferice ar putea juca un rol important în recuperarea funcției motorii după leziunea măduvei spinării, deoarece, în principiu, nu sunt necesare conexiuni între diferite părți ale măduvei spinării pentru a menține o undă de deplasare de-a lungul corpului”, spune Robin Thandiackal, unul dintre coautorii studiului.

Acest lucru ar putea explica de ce unele vertebrate sunt capabile să-și păstreze capacitățile locomotorii după o leziune a măduvei spinării.

Sistemul nervos central versus cel periferic

Locomoția la animalele vertebrate are loc printr-un mecanism complicat care implică atât sistemul nervos central (creierul și măduva spinării), cât și cel periferic (nervii care se conectează la mușchi și neuronii senzoriali).

La începutul anilor 1900, a existat o dezbatere de lungă durată în neuroștiințe pentru a determina modul în care sunt create și sincronizate ritmurile neuronale necesare locomoției.

Unii cercetători, precum Charles Scott Sherrington, au sugerat că ritmurile sunt generate în principal de semnale de feedback senzorial. Altfel spus, de un mecanism periferic.

Alți cercetători, precum Thomas Graham Brown, au considerat că ritmurile sunt produse în schimb de circuite oscilatorii specifice din sistemul nervos central. De atunci, dezbaterea dintre mecanismele centrale și periferice a acordat mai mult credit mecanismelor centrale, cu descoperirea circuitelor neuronale din măduva spinării care pot produce ritmuri coordonate, chiar și atunci când sunt complet deconectate de feedback-ul senzorial.

Acest studiu arată că ambele sisteme nervoase sunt importante, că ambele sunt capabile să genereze o mișcare de înot și că, atunci când sunt combinate, produc o locomoție mai robustă decât ar face-o individual.

Citește și:

Capitala europeană care ar putea avea robotaxiuri în 2024

Experiment spectaculos în slow-motion. Ingredientele principale: mentosane şi un braţ robotic

Inginerii au construit un robot, inspirat de gândacul de bucătărie, care nu poate fi strivit

Cum poate fi neuroştiinţa o armă împotriva falsificării banilor