¿Alguna vez has visto moverse una estrella de mar? Para muchos de nosotros la estrella de mar parece inmóvil, como una roca en el fondo del océano, pero en la actualidad, tienen cientos de pies de tubo pegados a su vientre. Estos pies se estiran y contraen para adherirse a terrenos accidentados, aferrarse a la presa y, por supuesto, moverse.

Cualquier pie de tubo en una estrella de mar puede actuar de forma autónoma para responder a los estímulos, pero acoplados, pueden sincronizar su movimiento para producir un movimiento de rebote, su versión de correr. Durante años, Los investigadores se han preguntado exactamente cómo una estrella de mar logra esta sincronización, dado que no tiene cerebro y un sistema nervioso completamente descentralizado.

La respuesta, de investigadores de la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi, fue publicado hoy en el Revista de la interfaz de la Royal Society :estrella de mar acopla un comando de direccionalidad global de un "brazo dominante" con un individuo, Respuestas localizadas a estímulos para lograr una locomoción coordinada. En otras palabras, una vez que la estrella de mar indique qué camino tomar, los pies individuales descubren cómo lograr esto por sí mismos, sin más comunicación.

Los investigadores, incluyendo a la profesora Eva Kanso en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de USC Viterbi y Sina Heydari, un doctorado en USC Viterbi. candidato, se les unió Matt McHenry, profesor asociado de ecología y biología evolutiva en la Universidad de California, Irvine; Amy Johnson, profesor de biología marina en Bowdoin College; y Olaf Ellers, investigador asociado en biología y matemáticas en Bowdoin College.

El trabajo se basa en un modelo jerárquico de comportamiento existente, pero va más allá al explicar qué parte de la locomoción de la estrella de mar ocurre a nivel local versus global.

"El sistema nervioso no procesa todo en el mismo lugar al mismo tiempo, pero confía en la idea de que la estrella de mar es competente y lo resolverá, "dijo Kanso, un becario Zohrab A. Kaprielian en Ingeniería. "Si un pie de tubo empuja contra el suelo, los demás sentirán la fuerza. Este acoplamiento mecánico es la única forma en que un pie de tubo comparte información con otro ".

Un tercer modelo de locomoción

El sistema nervioso de una estrella de mar se caracteriza por un anillo nervioso que rodea su boca y se conecta a cada brazo individual a través de un nervio radial. Los músculos de cada pie tubular son estimulados por neuronas conectadas a los nervios radial y anular.

Todos los pies caminan en la misma dirección mientras gatean, pero su movimiento no está sincronizado. Sin embargo, al lograr la marcha rebotante, La estrella de mar parece coordinar decenas de pies en dos o tres grupos sincronizados. El equipo de investigación dirigido por Kanso, miró ambos modos de movimiento, y la transición entre ellos. El resultado es un modelo que describe qué parte de la locomoción de una estrella de mar está determinada por la respuesta sensorial-motora local al nivel de los pies del tubo frente a las órdenes sensoriales-motoras globales.

En el mundo animal el comportamiento se describe a menudo mediante uno de los dos modelos de locomoción predominantes; El comportamiento como el vuelo de los insectos es el resultado de la retroalimentación sensorial que viaja a través de un sistema de procesamiento central, que envía un mensaje activando una respuesta, o es el resultado de un proceso completamente descentralizado, respuestas individuales a la información sensorial, como en bancos de peces o colonias de hormigas.

Ninguno de estos modelos parece describir el movimiento de una estrella de mar.

"En el caso de la estrella de mar, el sistema nervioso parece depender de la física de la interacción entre el cuerpo y el medio ambiente para controlar la locomoción. Todos los pies de tubo están unidos estructuralmente a la estrella de mar y, por lo tanto, el uno al otro ".

De este modo, hay un mecanismo para que la "información" se comunique mecánicamente entre los pies del tubo. Un pie de tubo individual solo necesitaría sentir su propio estado (propiocepción) y responder en consecuencia. Debido a que su estado está acoplado mecánicamente a otros pies de tubo, trabajan juntos colectivamente. A medida que los pies de tubo comienzan a moverse, cada uno produce una fuerza individual que se convierte en parte del entorno sensorial. De este modo, cada pie de tubo también responde a las fuerzas producidas por otros pies de tubo y, finalmente, establecen un ritmo entre ellos.

Esto es similar a otros modelos mecánicos de coordinación. Por ejemplo, tomar un conjunto de metrónomos mecánicos, dispositivos utilizados para ayudar a mantener el ritmo o el tiempo de un músico. Puede iniciar un conjunto de 10 en todas las fases diferentes, apoyándolos sobre la misma superficie plana. Tiempo extraordinario, se sincronizarán. Está en juego el efecto de acoplamiento mecánico que se ve con la estrella de mar; cada metrónomo está interactuando mecánicamente con las fases creadas por los otros metrónomos y, como tal, se está "comunicando" efectivamente con los otros metrónomos hasta que comienzan a latir con ritmo y sincronía completos.

Cómo el comportamiento de la estrella de mar puede ayudarnos a diseñar sistemas robóticos más eficientes

Entender cómo un sistema nervioso distribuido, como el de una estrella de mar, logra complejo, Los movimientos coordinados podrían conducir a avances en áreas como la robótica. En sistemas robóticos, Es relativamente sencillo programar un robot para realizar tareas repetitivas. Sin embargo, en situaciones más complejas donde se requiere personalización, los robots enfrentan dificultades. ¿Cómo se pueden diseñar robots para aplicar los mismos beneficios a un problema o entorno más complejo?

La respuesta podría estar en el modelo de estrella de mar, Dijo Kanso. "Utilizando el ejemplo de una estrella de mar, podemos diseñar controladores para que el aprendizaje pueda suceder jerárquicamente. Existe un componente descentralizado tanto para la toma de decisiones como para la comunicación con una autoridad global. Esto podría ser útil para diseñar algoritmos de control para sistemas con múltiples actuadores, donde estamos delegando gran parte del control a la física del sistema (acoplamiento mecánico) versus la entrada o intervención de un controlador central ".

Próximo, Kanso y su equipo analizarán cómo surge el comando de direccionalidad global en primer lugar y qué sucede si hay estímulos en competencia.