9 دقیقه
ستارههای دریایی، که اغلب به آنها sea stars گفته میشود، با تعادل و دقت شگفتانگیزی روی کفهای پیچیدهٔ دریا حرکت میکنند — از سنگها بالا میروند، روی ماسه سر میخورند و حتی گاهی وارونه راه میروند — و همهٔ اینها را بدون داشتن یک مغز مرکزی انجام میدهند. پژوهشهای بینرشتهای اخیر نشان میدهد راز این توانایی نه در محاسبات متمرکز عصبی، بلکه در نوعی رقص مکانیکیِ غیرمتمرکز است که توسط صدها پای لولهای هیدرولیک هدایت میشود.
نمای زیرین ستاره دریایی معمولی، Asterias rubens.
راهبرد غیرمتمرکز: پاهای بیشتر، نه نورونهای بیشتر
در نگاه اول به نظر میرسد هماهنگ کردن دهها یا صدها اندام کاری است که باید به مغز سپرده شود. اما ستاره دریایی معمولی Asterias rubens این کار را بدون یک مرکز فرماندهی مرکزی انجام میدهد. به جای اینکه یک کنترلکنندهٔ مرکزی زمانبندی حرکات را تعیین کند، هر بازو و ردیف پاهای لولهای آن بهصورت محلی با بستر تماس و با پاهای همجوار تعامل میکند تا حرکت هماهنگ شکل بگیرد. این مدل کنترل غیرمتمرکز از نظر پایداری و سازگاری بسیار قوی است: حیوان میتواند سرعت خود را حفظ کند، جهت را تغییر دهد و از موانع عبور کند صرفاً با تنظیم مدت زمانی که هر پای لولهای به سطح چسبیده باقی میماند.
در مفهومشناسی بیولوژیک و بیومکانیکی، این سیستم نمونهای از «هوشمندیِ پخششده» است؛ یعنی وظایف حسگری و کنترلی به جای تجمع در یک نهاد مرکزی، بین عناصر ساده و محلی تقسیم میشود. این الگو در اکولوژی ساحلی و زیستمحیطهای متلاطم اهمیت ویژهای دارد، زیرا آنجا شرایط مکانیکی تغییرپذیر و غیرقابلپیشبینیاند و دستگاههای زیستی باید به سرعت به بار، لغزش و تغییرات سطح واکنش نشان دهند.
چگونه پاهای لولهای کارهای سنگین را انجام میدهند
هر پای لولهای در واقع یک سامانهٔ هیدرولیک کوچک است. ساقهای انعطافپذیر مایعی را از سیستم آبی-عروقی (water vascular system) پمپ میکند و آن را به یک دیسک پهن و چسبنده تبدیل مینماید که نقش پا را ایفا میکند. آن دیسک ترشحی غلیظ و پروتئینی تولید میکند تا به سطوح بچسبد و برای جدا شدن در زمان حرکت ممکن است ترکیب شیمیایی متفاوتی ترشح کند تا عمل کنده شدن تسهیل شود. در Asterias rubens چهار ردیف از این پودیا (podia) در طول هر بازو وجود دارد، بنابراین یک فرد باید همزمان زمانبندی صدها تماس مستقل را هنگام خزیدن هماهنگ کند.
از دیدگاه مهندسی، ترکیب هیدرولیک، ساختارهای انعطافپذیر و پوششهای چسبنده، مجموعهای از ویژگیها را ایجاد میکنند که امکان تطبیق محلی با نیروها و بارها را میدهد. این سازوکار شامل مؤلفههای فیزیکی زیر است که در تحلیلهای بیومکانیک اهمیت دارند:
- سنسورهای مکانیکی موضعی: ساختارهای مکانیکی داخل پایهٔ هر پودیم میتوانند به تغییر فشار و کشش پاسخ دهند و پیامهایی به بافت عصبی محلی ارسال کنند.
- کنترل هیدرولیک محلی: جریان مایع در هر ساقه بهطور مستقل قابل تنظیم است و این امکان را میدهد که نیروی جلویی یا کششی هر پا تغییر کند.
- ترکیبهای چسبنده چندمرحلهای: با استفاده از مواد پروتئینی و ژلهای، هر پا میتواند هم چسبندگی محکم و هم جداشدن کارآمد را در زمان مناسب فراهم آورد.
بهعبارت دیگر، پاهای لولهای تنها وسیلهٔ تماس نیستند؛ آنها واحدهای کامل حسی-کنترلی-عملیاتی هستند که به واسطهٔ خواص مکانیکی و شیمیایی خود، نقش یک زیرسامانهٔ مستقل را ایفا میکنند.
بار مکانیکی، نه زمانبندی مرکزی
محققان از یک روش اپتیکی هنرمندانه برای نگاشت اینکه کدام پاها در هر لحظه در تماس هستند استفاده کردند. وقتی ستاره دریایی روی یک صفحهٔ شیشهای نورانی و با ضریب شکست بالا میخزد، هر پا مسیر نور را تغییر داده و ردپایی روشن تولید میکند. با ردیابی آن نقاط نورانی، تیم تحقیقاتی دریافت که حیوان سرعت رو به جلو خود را تقریباً مستقل از تعداد پاهایی که در تماس قرار دارند حفظ میکند. تفاوت اصلی در «زمان چسبندگی» است: پاهایی که تحت بار مکانیکی بیشتر قرار دارند، مدت طولانیتری متصل باقی میمانند.
این نتیجه نشان میدهد که کنترل زمانبندی تماس بیشتر به پاسخهای مکانیکی محلی مربوط است تا یک الگوی زمانی هماهنگ شدهٔ صادرشده از سوی یک مدار عصبی مرکزی. در عمل، پاها خودشان «حس میکنند» که چقدر بار روی آنهاست و بر اساس آن رفتار چسبندگی را تنظیم میکنند، بدون آنکه نیازی به ارسال سیگنال زمانبندی از یک سرور مرکزی باشد.
آزمایشهایی که گامهای سازگار را آشکار کردند
برای بررسی اینکه آیا بار مکانیکی واقعاً گیت (الگوی گام) را کنترل میکند، دانشمندان زیستوزنهایی کوچک به شکل کولهپشتی به بدن ستاره دریایی اضافه کردند که هرکدام معادل 25٪ یا 50٪ وزن بدن فرد بودند. با این بار اضافی، پاهای لولهای مدت زمان تماس خود را افزایش دادند و حیوانها کندتر حرکت کردند — دقیقاً همان چیزی که انتظار میرفت اگر هر پا در پاسخ به کرنش محلی، زمانبندی را تنظیم کند. این الگوی تطبیقی همچنین زمانی دیده شد که ستارهها در امتداد سقف محفظهٔ آزمایشی خود وارونه میخزیدند؛ در این حالت پاها رفتار تماس را طوری تنظیم کردند که در برابر نیروی گرانش مقاومت کنند و از لغزش جلوگیری نمایند.
چنین مشاهداتی از این مدل پشتیبانی میکنند که در آن هر پا حس مکانیکی را با یک «قاعدهٔ محلی ساده» جفت میکند: وقتی بار افزایش مییابد، زمان اتصال را افزایش بده؛ وقتی بار کاهش مییابد، آن را کوتاه کن. جمعبندی بسیاری از این تعاملات محلی منجر به یک حرکت هماهنگ و هدفمند میشود، بدون نیاز به کنترلکنندهٔ عصبی مرکزی پیچیده.
در تحلیلهای مدلسازی ریاضی که همراه دادههای تجربی انجام شدهاند، این نوع قواعد محلی بهعنوان قوانین سادهای در شبکهای از عوامل مستقل مدلسازی میشوند؛ با فرض وجود قوانین افزایشی-کاهشی برای زمان اتصال، مدلها میتوانند رفتار کلی حیوان را در شرایط بارگذاری متغیر بازتولید کنند. این موضوع نشان میدهد که پیچیدگی رفتار لزوماً نیازمند پیچیدگی ساختاری یا محاسباتی در سطح مرکزی نیست.
چرا این یافتهها فراتر از حوضچه جزر و مد اهمیت دارند
درک مکانیزم حرکت ستارهدریایی پیامدهای کاربردی متعددی دارد. مهندسانی که در زمینهٔ طراحی رباتهای نرم، گیرههای رباتیک یا سامانههای صعود خودمختار کار میکنند، میتوانند از راهبرد غیرمتمرکز ستاره دریایی الهام بگیرند: حسگری و کنترل را بین تعداد زیادی عملگر ساده توزیع کنید که هرکدام بهصورت محلی به نیرو واکنش نشان میدهند. این رویکرد مزایای زیر را دارد:
- پایداری و تحمل خطا: اگر یک اندام خراب شود، بقیهٔ اندامها میتوانند بهصورت مستقل ادامه دهند و کل سامانه همچنان عملکرد قابلقبولی داشته باشد.
- سادگی الگوریتمی: بهجای طراحی یک کنترلکنندهٔ مرکزی پیچیده، سازگاری در خود مکانیک ترکیب میشود؛ عملگرها بهطور ذاتی به بار و لغزش پاسخ میدهند.
- بهرهوری انرژی: با توزیع تصمیمگیری و کاهش نیاز به پردازش متمرکز، مصرف انرژی کلی سامانه میتواند کاهش یابد، که برای رباتهایی که در محیطهای نامطمئن کار میکنند حیاتی است.
علاوه بر کاربردهای مهندسی، این نتایج به درک چگونگی تکامل سامانههای حرکتی در جانوران بدون مغز پیچیده کمک میکند و نشان میدهد که چگونه ویژگیهای فیزیکی و تعاملات محلی میتوانند سازگاری رفتاری پیچیدهای ایجاد کنند.
دیدگاه کارشناسان
«ستارههای دریایی نشان میدهند چگونه فیزیک و زیستشناسی میتوانند محاسبات حجیم را جایگزین کنند»، دکتر النا مورالس، مهندس بیومکانیک در یک آزمایشگاه مشهور رباتیک، میگوید. «با اجازه دادن به هر عملگر که بار خود را حس کند و زمان تعاملش را تغییر دهد، سامانهها مقاوم در برابر خطا و کممصرف میشوند. این دقیقاً همان چیزی است که برای رباتهایی که در محیطهای غیرقابلپیشبینی عمل میکنند لازم است.»
این مطالعه که در Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است، زیستشناسی، اپتیک و مدلسازی را ترکیب میکند تا یک راهبرد حرکت غیرمتمرکز و مقاوم را نشان دهد. برای ارتباطدهندگان علمی و مهندسان، ستارهٔ دریایی درس زندهای است دربارهٔ چگونگی تولید رفتار پیچیده و تطبیقی از طریق قواعد محلی ساده.
علاوه بر یافتههای محوری، مقالهٔ مذکور روشهای تجربی و تحلیلی جدیدی را معرفی میکند که میتوانند در مطالعات مقایسهای دیگر گونهها به کار روند: از سنجش اپتیکی تماسهای موضعی تا مدلسازی شبکهای قواعد محلی. افزون بر این، دادهها قابل استفاده در طراحی آزمایشهای بعدیاند که میتوانند نقش فیزیولوژی عصبی محلی، ساختارهای مولکولی چسبنده و پارامترهای هیدرولیک را دقیقتر مشخص کنند.
از منظر پژوهشی، همافزایی بین میدانی (biology)، فیزیک کاربردی (applied physics) و مهندسی (robotics) اهمیت زیادی دارد. رویکردهای بینرشتهای اینچنینی به ما امکان میدهند تا نه تنها رفتار را توصیف کنیم، بلکه مکانیسمهای زیربنایی را بازسازی و بهکارگیری کنیم؛ نتیجهٔ این فرآیندها میتواند منجر به نسل جدیدی از سامانههای خودتنظیم و مقاوم در برابر خطا شود.
منبع: sciencealert
نظرات
داده_x
شاید دارن کمی بزرگش میکنن اما ایده توزیعشده جذابه، منتظر آزمایشای بیشتر روی گونهها و شرایط متغیر هستم
پمپزون
برداشت متعادلیه، اپتیک و مدلسازی جالب بود. کاش پارامترهای هیدرولیک و ساختارهای مولکولی چسبنده رو بیشتر باز میکردن
مهدی
تو یکی از پروژههام دیدم تقسیم بار محلی چقدر ثبات میاره، این تقریبا همون بود، البته بعضی چیزا رو نیمه رها کردیم
لابکور
این واقعاً صددرصد اثبات شده؟ ممکنه عصبیهای محلی هم دخیل باشن یا فقط فیزیک و چسبندگی کافی باشه؟
دیتاپالس
وای، نمیدونستم ستاره دریایی بدون مغز اینقدر هوشمندانه و منظم حرکت میکنه! واقعاً عجیب...
ارسال نظر