Плавающий робот дает новое представление о локомоции и неврологии

Благодаря плавающему роботу, созданному по образу миноги, ученые EPFL, возможно, выяснили почему некоторые позвоночные способны сохранять двигательные способности после поражения спинного мозга. Это открытие также может помочь улучшить работу водных роботов, используемых для поисково-спасательных операций и мониторинга окружающей среды.

Ученые Лаборатории биоробототехники (BioRob) Инженерной школы EPFL разрабатывают инновационных роботов для изучения локомоции животных и, в конечном счете, для лучшего понимания нейронауки, лежащей в основе генерации движений. Одним из таких роботов является AgnathaX, который был использован в международном исследовании с участием исследователей из EPFL, а также Tohoku University в Японии, Institut Mines-Telecom Atlantique в Нанте, Франция, и Universite de Sherbrooke в Канаде. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Robotics.

«Нашей целью при создании этого робота было изучить, как нервная система обрабатывает сенсорную информацию, чтобы произвести определенный вид движения, - говорит профессор Ауке Иджсперт, руководитель BioRob. - Этот механизм трудно изучать в живых организмах, потому что различные компоненты центральной и периферической нервной системы сильно взаимосвязаны в спинном мозге. Это затрудняет понимание их динамики и влияния друг на друга».

AgnathaX - это длинный плавающий робот, созданный для имитации миноги, которая является примитивной рыбой, похожей на угря. Он имеет ряд двигателей, которые приводят в действие десять сегментов робота, повторяющих мышцы тела миноги. Робот также оснащен датчиками силы, расположенными по бокам вдоль сегментов, которые работают подобно чувствительным к давлению клеткам на коже миноги и определяют силу давления воды на животное.

Исследовательская группа запускала математические модели робота, чтобы смоделировать различные компоненты нервной системы и лучше понять ее сложную динамику. «Мы заставили AgnathaX плавать в бассейне, оборудованном системой отслеживания движения, чтобы мы могли измерять движения робота, - говорит Лаура Паез, аспирант BioRob. - По мере плавания мы избирательно активировали и деактивировали центральные и периферийные входы и выходы нервной системы в каждом сегменте, чтобы проверить наши гипотезы о нейробиологии».

Ученые обнаружили, что в создании надежной локомоции участвуют как центральная, так и периферическая нервные системы. Преимущество работы этих двух систем в тандеме заключается в том, что они обеспечивают повышенную устойчивость к нейронным сбоям, таким как сбои в коммуникации между сегментами тела или отключение сенсорных механизмов. «Другими словами, используя комбинацию центральных и периферийных компонентов, робот может противостоять большему числу нейронных сбоев и продолжать плавать на высокой скорости, в отличие от роботов, использующих только один вид компонентов, - говорит Камило Мело, соавтор исследования. - Мы также обнаружили, что датчики силы в коже робота, наряду с физическим взаимодействием тела робота и воды, обеспечивают полезные сигналы для генерации и синхронизации ритмичной мышечной активности, необходимой для локомоции». В результате, когда ученые прервали связь между различными сегментами робота, чтобы имитировать поражение спинного мозга, сигналов от датчиков давления, измеряющих давление воды на тело робота, было достаточно для поддержания его дальнейшего передвижения.

Эти результаты могут быть использованы для разработки более эффективных водных роботов для поисково-спасательных операций и мониторинга окружающей среды. Например, разработанные учеными контроллеры и датчики силы могут помочь таким роботам ориентироваться в возмущениях потока и лучше противостоять повреждениям технических компонентов. Исследование также имеет значение для неврологии. Оно подтверждает, что периферические механизмы обеспечивают важную функцию, которая, возможно, отодвигается на второй план хорошо известными центральными механизмами. «Эти периферические механизмы могут играть важную роль в восстановлении двигательных функций после травмы спинного мозга, поскольку в принципе для поддержания бегущей волны вдоль тела не требуется никаких связей между различными частями спинного мозга, - говорит Робин Тандиакал, соавтор исследования. - Это может объяснить, почему некоторые позвоночные способны сохранять свои двигательные способности после поражения спинного мозга».