Робоминога помогла смоделировать локомоцию позвоночных

Инженеры разработали подводного робота для моделирования работы центральной и периферической нервной систем и их взаимного влияния на движение (локомоцию) подводных позвоночных, таких как миноги и угри. Робот длиной 1,2 метра и весом более четырех килограмм имеет змеевидное тело, состоящее из десяти отдельных сегментов, каждый из которых оборудован сервомотором и датчиками давления. Они служат для определения гидродинамических сил, воздействующих на тело робота во время движения, аналогично чувствительным к давлению клеткам на коже животных. Результаты экспериментов и численного моделирования показали, что даже в случае серьезного нарушения в работе элементов системы управления, соответствующих центральной нервной системе, робот сохраняет способность двигаться благодаря работе системы обратной связи, регистрирующей ответное воздействие среды на движения робота через датчики давления. В будущем такая нейромеханическая система управления может значительно повысить отказоустойчивость роботов, предназначенных для подводных работ в труднодоступных местах, таких как трубы, подводные пещеры и подледные озера, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

По современным представлениям за локомоцию у позвоночных животных отвечают так называемые центральные генераторы упорядоченной активности — сети нейронов, расположенные в спинном мозге, которые порождают локомоторные ритмы — благодаря им живой организм может шагать, бегать, плавать, а также дышать. Причем эти действия осуществляются автоматически и не требуют вмешательства более высоких отделов нервной системы, хотя и могут регулироваться ими.

При этом периферическая нервная система, которая, в частности, отвечает за передачу сигналов от внешних раздражителей, на которые организм реагирует в форме рефлексов, может влиять на локомоцию, выполняя роль сенсорной обратной связи. Она способна модулировать ритмы центральных ритмогенераторов, позволяя организму тем самым адаптироваться к изменяющимся внешним условиям. Например, изменять шаг при встрече с препятствием.

Наблюдения за некоторыми животными показывают, что роль сенсорной обратной связи в формировании движений может быть существеннее, чем просто модуляция локомоторных ритмов, вырабатываемых центральными генераторами. К примеру, повреждение спинного мозга, нарушающее работу генераторов локомоторных ритмов, для некоторых плавающих организмов, таких как угри и миноги, не приводит к их полному обездвиживанию. Животные сохраняют способность плавать, совершая волнообразные движения тела. Для того чтобы разобраться, почему так происходит, необходимо понять, как в этом случае взаимодействуют друг с другом центральная и периферическая нервные системы, что довольно сложно сделать на живом организме.

Для решения это задачи инженеры под руководством Робина Тандиакала (Robin Thandiackal) из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали подводного робота AgnathaX, выступившего в роли модельного объекта. Робот весом 4,2 килограмма имитирует миногу — представителя надкласса бесчелюстных, которые имеют вытянутое змеевидное тело и плавают, совершая волнообразные движения.

Корпус робота длиной 1250 миллиметров состоит из десяти оснащенных сервомоторами сегментов, головного модуля с одноплатным компьютером и пассивной хвостовой секции. Для питания устройства используются три литий-полимерных аккумулятора суммарной емкостью 3800 миллиампер-час, которых хватает для работы в течение 30 минут.

Весь корпус с электронными компонентами помещен в мягкий водонепроницаемый рукав из ткани рипстоп. Снаружи на каждом модуле располагаются гидродинамические сенсоры, которые имитируют чувствительные к внешнему давлению клетки на коже животного. Сенсоры размещаются по бокам каждого сегмента и представляют собой пластины из углеродного волокна, прикрепленные к тензодатчикам. Они регистрируют информацию о силе, с которой поток воды воздействует на секцию тела во время движения.

Для того чтобы робот не переворачивался, на верхней части каждой секции установлены цилиндрические поплавки со встроенными светодиодами. Они используются для отслеживания движений AgnathaX с помощью камер, расположенных над бассейном, в котором проводятся эксперименты.

Бортовой компьютер робота под управлением Linux получает сигналы с боковых сенсоров, а также информацию о текущем состоянии сервомоторов всех сегментов (положение, напряжение и ток) с частотой 100 Герц. Он вычисляет управляющие сигналы и отправляет их обратно на сервомоторы, которые имитируют мышцы настоящей миноги, заставляя их вращаться и формироваться волнообразное движение всего тела.

Параллельно разработчики построили математическую модель, которая описывает волнообразное движение робота в водной среде. Модель учитывает работу центральной и периферической нервной систем, деформацию тела и работу мышц и вычисляет углы, на которые должны быть повернуты сервомоторы робота. Полученные в ходе симуляции результаты можно тестировать на настоящем устройстве, что в свою очередь помогает улучшить модель, приближая ее к реальности.

Центральная нервная система в модели содержит осцилляторы, имитирующие сигналы генераторов локомоторных ритмов спинного мозга для каждого сегмента, а также учитывает связи между соседними сегментами за счет запаздывания фазы. Сигналами периферической нервной системы выступает информация о давлении от боковых датчиков каждого сегмента. Эти сигналы играют роль сенсорной обратной связи, которую животное получает во время своего движения от расположенных на поверхности кожи чувствительных клеток, реагирующих на давление.

Для того чтобы оценить вклад всех моделируемых компонентов на локомоцию, инженеры проводили эксперименты с моделью в симуляторе и с реальным роботом в бассейне, в которых выключали тот или иной элемент центральной и периферической нервных систем робота из работы на разном числе сегментов. В результате выяснилось, что при разрыве связи между всеми сегментами тела, когда генераторы ритма всех модулей работают независимо и не знают о состоянии друг друга, а также при полном отключении всех генераторов ритма, что соответствует серьезному повреждению позвоночника, робот все равно сохраняет возможность волнообразного движения вперед, так же как и настоящие угри и миноги.

В первом случае отсутствие связи между сегментами тела через некоторый промежуток времени компенсируется благодаря сенсорной обратной связи за счет сигналов от боковых датчиков давления и возникающего при этом явления синхронизации колебаний. То есть изначально работающие вразнобой сегменты приходят к самоорганизованному волнообразному движению, за счет гидродинамических сил, возникающих как ответ на спонтанные движения сегментов тела в воде. Во втором случае возникает схожий эффект, только при полном отсутствии внутренней ритмогенерации. При включенной сенсорной обратной связи постепенно возникают и нарастают колебания всего тела, которые заставляют робота плыть вперед.

Таким образом, отмечают авторы работы, наличие двух систем позволяет значительно повысить отказоустойчивость подводных роботов, которые используют рассмотренную модель управления. В случае выхода из строя части элементов системы управления, составляющих центральную нервную систему, сенсоров давления, шин данных, обеспечивающих связь между сегментами или даже при отказе отдельных сегментов целиком, робоминога будет способна продолжать движение. В будущем авторы работы планируют расширить возможности робота, добавив ему способность полноценно перемещаться в трех измерениях и изменять направление движения, а также исследовать движение робота в сильных течениях.

При создании роботов инженеры зачастую используют животных как пример для подражания, так как считается, что в ходе эволюции они приобрели черты, позволяющие им действовать наиболее эффективным образом. Например, инженеры из Австралии проанализировали с помощью алгоритмов машинного обучения движения домовых гекконов, а затем использовали эти данные при разработке робота, способного передвигаться по вертикальным поверхностям.