原文來源：Royal Society Open Science

作者：Takeshi Kano, Eiki Sato, Tatsuya Ono, Hitoshi Aonuma, YoshiyaMatsuzaka, Akio Ishiguro

「雷克世界」編譯：嗯~阿童木呀、多拉A亮

機器人設計中的主要挑戰是使機器人能夠立即適應意外的物理損傷。然而，傳統的機器人需要相當長的時間（超過幾十秒）來適應，因為該過程需要高昂的計算成本。為了克服這個問題，我們專注於海蛇尾——一種具有可損耗性身體部分的原始生物。一般來說，大部分海蛇尾具有五個靈活的觸手，偶爾會斷掉幾個觸手，並迅速協調其餘的觸手以逃離掠食者。我們採用綜合的方法來闡明這種彈性運動的基本機制。具體而言，基於海蛇尾的各種斷觸手方式，通過建立簡單的數學模型，推匯出分散控制機制，自動協調觸手運動。我們在類似海蛇尾的機器人中實現了這個機制，並且能證明通過自動協調與海蛇尾相似的未損壞的觸手，在幾秒鐘之內適應了意想不到的物理損傷。通過上述過程，我們發現，觸手之間的物理互動對於海蛇尾的彈性觸手之間的協調起著至關重要的作用。這一發現將有助於開發可在惡劣環境下工作的有彈性的機器人。此外，還對動物運動的彈性協調運動的本質機制進行了深入的研究。

機器人現在被要求在人類無法進入的惡劣環境中工作，例如災區、遙遠的行星和深海。這方面的一個主要障礙就是機器人無法應對身體的物理損傷。一種可能的解決方案是預先設定預期故障模式的應急計劃程式，但這種方法非突發事件下不起作用。工程師們試圖用一些技術來克服這個問題，比如學習和試錯法。然而，這些方法需要相當長的時間（幾十秒到幾分鐘）來應對意想不到的物理損壞，同時造成高昂的計算成本。相比之下，活的生物體通過及時應對意外的物理損傷從而在惡劣的環境中得以生存。這裡的關鍵點是，即使是從變形蟲到線蟲等原始生物，通過適當地協調它們身體部位來表現出這種適應性。這一事實表明，與傳統機器人中使用的控制方案不同，這種以意想不到的物理損傷的實時響應可以用少量的計算成本來實現。因此，明確生物體內彈性協調運動的核心機制，可以為研製能夠立即應對意外物理損傷的機器人鋪平道路。

在本文中，我們關注的是海蛇尾（brittle star），它屬於棘皮動物門（a phylum of echinoderm），通過協調其五個多節段觸手的移動節奏在在海床上運動，如圖1a所示。我們之所以將該物種的運動作為適應性機器人的生物模型進行研究，是因為它有兩個顯著地特徵：首先，海蛇尾缺乏一箇中樞神經系統，取而代之的是一個相當簡單的分散式神經系統，由沿其觸手的放射神經組成，它們連線一個環形神經環如圖1b所示。儘管缺乏一個精密的集中控制器，但它能夠為不同的觸手分配不同的角色，並協調其運動來推動身體；其次，這個物種對身體傷害具有出色的恢復能力，即使是丟失了任意一個觸手，它也能夠立即對餘下的觸手進行重新分配角色和協調從而恢復運動如圖

海尾蛇的身體結構和運動。（a）海蛇尾（巨綠蛇尾，Ophiarachna incrassata）的概述，從一箇中央碟片放射出五個靈活的觸手，一個完整的海蛇尾的主體是徑向對稱的。（b）海蛇尾的微型計算機斷層掃描影象。神經系統用粉紅線表示。支配觸手的橈神經（Radial nerves）通過位於中心盤上的環形神經環連線。（c）當使用高滲海水而海蛇尾觸手尖端被固定時，它的一個觸手就會自動地將其中一個觸手自動化。（d）胳膊被修剪或截肢的海蛇尾的運動。對七種型別的形態學（A-G）進行了測試，其運動的方向是從左到右。照片每隔0.5-1.0秒拍攝一次，箭頭表示的是為運動做出主要貢獻的觸手。

在這項研究中，我們採用了一種綜合方法來推斷這種分散的控制機制，這種控制機制是海蛇尾運動具有韌性的基礎。具體而言，基於這個生物的解剖和行為發現，我們從巨集觀的角度構建了一個簡單的模型，推斷出海蛇尾運動的分散控制機制。這個推斷機制是在一個類似於海蛇尾的機器人中實現的，以證明它可以通過協調手臂的方式來適應物理損傷，就像一個活的海蛇尾那樣。我們之所以採用這種方法，是因為難以從生理上檢查海蛇尾所表現出的神經肌肉系統的功能，並且即使有可能，也很難從單個神經元和肌肉的功能中重建機體的複雜行為。我們方法的優點在於，它能使我們捕捉到可能的基本機制，或是海蛇尾的彈性運動的最低要求。

實驗結果展示了我們的機器人可以在幾秒鐘內適應物理損傷，而沒有任何預測故障模式的應急方案。因此，它比傳統的機器人快得多，其適應時間可能為幾十秒到幾分鐘。這個巨大的改進是通過利用一個海蛇尾的內部—觸手式協調機制實現的，它是一個具有可消耗性身體部位的原始生物。

我們認為，所提出的控制方案並不侷限於我們海蛇尾狀機器人的應用，而是有更廣泛的應用範圍，儘管仍然存在侷限性。實際上，我們可以從一個更廣泛的設計角度來解釋該設計方案：有幾個分散式控制器，如果區域性感官資訊能夠與期望進行適當的匹配，則每個分散式控制器產生的動作就會增強，反之亦然。這種設計觀點的優點在於，它不涉及整個系統的複雜優化問題的解決方案，而只需要在區域性上進行少量的計算。因此，這種設計有望使機器人能夠實時適應物理損傷，並適用於諸如災難場景等不可預見的情況。

其實，我們的發現也具有生物學意義。這項研究表明，觸手的協調是通過物理互動產生的。如圖1d（A）所示，對於其五個觸手被削弱的受試者來說，與導向運動方向的觸手相鄰的兩個觸手之所以呈現週期性同步運動的原因如圖9所示。當其中一隻觸手碰到地面時，如圖9a所示；由於平衡力矩產生，中心盤開始旋轉（圖9b）；然後，由於另一個觸手的近端末端的位移，作用在其末端的輔助反作用力增加（圖9c）；因此，區域性反射開始起作用，使其擊中地面（圖9d）。所以，兩隻觸手往往同時擊中地面。從這一點考慮，我們可以得出這樣的結論：在海蛇尾中，雖然神經控制可能起到一定的作用，但是物理相互作用可能是它內部觸手間相互協調的必要條件。雖然在其他研究中也提出了物理互動的重要性，但是這項研究表明，物理互動也可以用於身體部位的協調，從而使其能夠快速進行傷害反應。

對內部觸手協調機制的定性解釋。（a）假設觸手1朝向運動方向（黑箭頭），而觸手5撞向地面（紅色箭頭）。（b）由於產生的平衡力矩（白色箭頭），中中心盤開始旋轉。（c）由於觸手2的近端位移，作用於其尖端的輔助反作用力增加（粗黑箭頭）。（d）區域性反射作用使觸手2撞向地面上（紅色箭頭）。這種物理互動作用使得觸手2和5同時撞向地面。

有人提出，動物適應性和彈性運動是由神經系統、身體和環境之間的密切相互作用產生的。然而，這種運動的基本機制仍然是未知的。根據本文所描述的海蛇尾的分散控制機制，我們可以確定適應性和彈性運動的基本原理，與此同時，這還可以促進對動物中固有的神經肌肉骨骼功能進行更深入的理解。

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