Исследователи частично разгадали биомеханические секреты спрутов

Щупальца осьминога обладают почти бесконечным количеством степеней свободы для выполнения сложных движений, таких как дотягивание, хватание, ловля, ползание и плавание.

Как эти животные умудряются действовать столь разнообразно, остается источником загадок, удивления и вдохновения. Отчасти эта загадка связана со сложной организацией и биомеханикой внутренних мышц.

Решение этой проблемы было найдено в междисциплинарном проекте под руководством Прашанта Мехты и Маттиа Газзолы, профессоров механической науки и инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. Как сообщается в журнале Proceedings of the Royal Society A, эти два исследователя и их группы разработали физиологически точную модель мышц конечности осьминога.

Наша модель, первая в своем роде, не только обеспечивает понимание биологической проблематики, но и создает основу для проектирования и управления мягкими роботами в будущем, — заявил Мехта.

Впечатляющие возможности щупалец осьминога уже давно вдохновляют на создание и управление мягкими роботами. Такие мягкие роботы способны выполнять сложные задачи в неструктурированных средах и при этом безопасно работать рядом с человеком, что может найти применение в самых разных областях — от сельского хозяйства до хирургии.

Аспирант Хенг-Шенг Чанг, ведущий автор исследования, объяснил, что такие мягкотелые системы, как щупальца осьминогов, представляют собой серьезную проблему для моделирования и управления.

Они приводятся в движение тремя основными внутренними группами мышц — продольной, поперечной и косой, которые заставляют конечность деформироваться в нескольких режимах — сдвига, разгибания, сгибания и скручивания, — сказал он. — Это дает мягким щупальцам значительную свободу, в отличие от их жестких биологических аналогов.

Ключевой идеей команды было представить мускулатуру щупальца с помощью функции накопленной энергии — концепции, заимствованной из теории механики сплошной среды. Постдокторант и соответствующий автор Удит Халдер пояснил:

Щупальце покоится на минимуме энергетического ландшафта. Мышечные сокращения изменяют функцию накопленной энергии, тем самым смещая равновесное положение конечности и направляя движение.

Интерпретация работы мышц с использованием запасенной энергии значительно упрощает конструкцию управления щупальцем. В частности, в исследовании описывается методология управления с использованием энергии для вычисления необходимых мышечных активаций для решения задач манипуляции, таких как дотягивание и хватание.

Когда ученые отразили этот подход численно в программной среде Elastica, модель привела к удивительно реалистичным движениям в трех измерениях. Более того, по словам Халдера, «наша работа предлагает математические гарантии производительности, которые часто отсутствуют в альтернативных подходах, включая машинное обучение».

Наша работа является частью большой экосистемы постоянного сотрудничества в Иллинойском университете, — заключил Мехта.

— Выше по течению находятся биологи, которые проводят эксперименты на живых осьминогах. Ниже по течению — робототехники, которые берут эти математические идеи и применяют их к реальным мягким роботам.

26.02.2023