Οι αστερίες φαίνονται ήρεμοι και απλοί οργανισμοί, όμως ο τρόπος με τον οποίο κινούνται είναι εντυπωσιακά πολύπλοκος. Αντί να βασίζονται σε έναν κεντρικό εγκέφαλο που κατευθύνει την κίνηση, συντονίζουν εκατοντάδες μικρά σωληνοειδή πόδια.
Κάθε πόδι λειτουργεί ανεξάρτητα: προσκολλάται στην επιφάνεια, τραβά το σώμα προς τα εμπρός και στη συνέχεια απελευθερώνεται, επιτρέποντας στον αστερία να κινείται πάνω σε ανώμαλες επιφάνειες. Η διαδικασία αυτή είναι αργή, αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική.
Ερευνητές από το Kanso Bioinspired Motion Lab του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας (USC) θεωρούν ότι ακριβώς αυτή η «χωρίς εγκέφαλο» συνεργασία καθιστά τους αστερίες ιδιαίτερα ενδιαφέροντες για τη ρομποτική.
Σε πρόσφατη επιστημονική τους μελέτη, περιγράφουν πώς οι αστερίες επιτυγχάνουν συντονισμένη κίνηση μέσω τοπικών αποφάσεων που λαμβάνονται στο επίπεδο κάθε μεμονωμένου σωληνοειδούς ποδιού.
Πόδια που αντιδρούν σε ό,τι «αισθάνονται»
Η βασική αρχή είναι απλή: κάθε σωληνοειδές πόδι προσαρμόζει τη δύναμη πρόσφυσης ανάλογα με τη μηχανική καταπόνηση που δέχεται, δηλαδή τη δύναμη που ασκείται πάνω του. Αντί να περιμένει οδηγίες από κάποιο κεντρικό σύστημα, το πόδι αντιδρά άμεσα στις συνθήκες που επικρατούν στο σημείο όπου βρίσκεται.
Για να ελέγξουν αυτή την υπόθεση, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ίρβαϊν και το Πανεπιστήμιο της Μονς στο Βέλγιο. Κατασκεύασαν ένα «σακίδιο πλάτης» με τρισδιάστατη εκτύπωση, το οποίο τοποθέτησαν πάνω σε έναν αστερία, αυξάνοντας ή μειώνοντας το βάρος του.
Όπως εξήγησε η Εύα Κάνσο, διευθύντρια του εργαστηρίου, μαζί με τον αναπληρωτή καθηγητή Sylvain Gabriele και τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια Amandine Deridoux σχεδίασαν το ειδικό αυτό εξάρτημα ώστε να παρατηρήσουν πώς αντιδρά κάθε σωληνοειδές πόδι στο πρόσθετο βάρος.
Οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι τα πόδια δεν περίμεναν κάποιο γενικό σήμα από το σώμα, αλλά αντιδρούσαν το καθένα ξεχωριστά.
Σύμφωνα με την Κάνσο, από την αρχή της έρευνας υπήρχε η υπόθεση ότι οι αστερίες βασίζονται σε μια ιεραρχική αλλά ταυτόχρονα κατανεμημένη στρατηγική ελέγχου, όπου κάθε πόδι αποφασίζει πότε θα προσκολληθεί ή θα αποκολληθεί από την επιφάνεια, με βάση τοπικά μηχανικά ερεθίσματα και όχι εντολές από έναν κεντρικό «ελεγκτή».
Απλοί κανόνες, συντονισμένη κίνηση
Η ερευνητική ομάδα του USC ανέπτυξε επίσης ένα μαθηματικό μοντέλο που δείχνει πώς απλοί, τοπικοί κανόνες συμπεριφοράς μπορούν να οδηγήσουν σε συντονισμένη κίνηση ολόκληρου του σώματος, επειδή τα πόδια συνδέονται μηχανικά μεταξύ τους μέσω του σώματος του αστερία.
Όπως εξηγεί η Κάνσο, η φυσική του σώματος λειτουργεί σαν «συνδετικός ιστός» που μετατρέπει τις μικρές, τοπικές αποφάσεις σε οργανωμένη κίνηση. Ο αστερίας δεν χρειάζεται κάποιο κεντρικό σχέδιο ή συνολική καθοδήγηση.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν ακόμη πειράματα κατά τα οποία ανέτρεψαν τον αστερία ανάποδα. Χάρη στη μορφολογία των σωληνοειδών ποδιών, ο οργανισμός συνέχισε να κινείται κανονικά.
Για έναν άνθρωπο, η ανατροπή θα αποτελούσε σήμα πανικού για ολόκληρο το σώμα. Για έναν αστερία, όμως, σημαίνει απλώς ότι διαφορετικές δυνάμεις ασκούνται σε διαφορετικά πόδια. Δεν υπάρχει κάποιο ενιαίο νευρικό «μήνυμα συναγερμού» – κάθε πόδι διαχειρίζεται τη δική του κατάσταση.
Αποτελεσματική κίνηση χωρίς εγκέφαλο
Το σύστημα αυτό έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα: είναι εξαιρετικά ανθεκτικό. Αν κάποια σωληνοειδή πόδια αποτύχουν ή χάσουν την επαφή με την επιφάνεια, ο αστερίας δεν ακινητοποιείται. Τα υπόλοιπα συνεχίζουν να προσαρμόζονται, επειδή ο έλεγχος της κίνησης είναι κατανεμημένος.
Αυτό το είδος ενσωματωμένης πλεονάζουσας λειτουργίας είναι ακριβώς ό,τι χρειάζονται ρομπότ που μπορεί να ανατραπούν, να μεταφέρουν επιπλέον φορτίο, να χάσουν πρόσφυση ή να λειτουργούν σε περιβάλλοντα με περιορισμένη ή αναξιόπιστη επικοινωνία.
Οι ερευνητές τονίζουν ότι τα ευρήματα αυτά έχουν άμεση εφαρμογή στη σχεδίαση μαλακών ρομπότ ή ρομπότ με πολλαπλά σημεία επαφής, τα οποία πρέπει να κινούνται, να σκαρφαλώνουν ή να προσκολλώνται σε δύσκολα περιβάλλοντα, όπως υποβρύχια, κατακόρυφες επιφάνειες ή ακόμη και σε άλλους πλανήτες.
Σε τέτοιες συνθήκες, η εξάρτηση από έναν κεντρικό «σταθμό ελέγχου» ή από απόλυτα συγχρονισμένα σήματα μπορεί να αποδειχθεί επικίνδυνη.
Τελικά, οι αστερίες δείχνουν ότι είναι δυνατό να θυσιαστεί η ταχύτητα υπέρ της προσαρμοστικότητας και παρ’ όλα αυτά να επιτευχθεί εξαιρετικά αποτελεσματική κίνηση, ακόμη και χωρίς κεντρικό εγκέφαλο.
Όπως καταλήγουν οι ερευνητές, τα ευρήματα αποδεικνύουν ότι οι αστερίες προσαρμόζουν την κίνησή τους στις μεταβαλλόμενες μηχανικές απαιτήσεις, ρυθμίζοντας την αλληλεπίδραση των σωληνοειδών ποδιών με το υπόστρωμα. Έτσι αποκαλύπτεται μια ανθεκτική, αποκεντρωμένη στρατηγική ελέγχου σε έναν οργανισμό χωρίς εγκέφαλο, η οποία αναδεικνύει γενικές αρχές κατανεμημένου ελέγχου τόσο στη βιολογία όσο και στη μαλακή ρομποτική.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences.
