Επιστήμονες στο Εργαστήριο Βιορομποτικής (BioRob) στη Σχολή Μηχανικών του EPFL αναπτύσσουν καινοτόμα ρομπότ προκειμένου να μελετήσουν την κίνηση σε ζώα και, τελικά, να κατανοήσουν καλύτερα τη νευροεπιστήμη πίσω από τη δημιουργία της κίνησης. Ένα τέτοιο ρομπότ είναι το AgnathaX, ένα ρομπότ κολύμβησης που χρησιμοποιήθηκε σε μια διεθνή μελέτη με ερευνητές από το EPFL καθώς και από το Πανεπιστήμιο Tohoku στην Ιαπωνία, το Institut Mines-Télécom Atlantique στη Νάντη της Γαλλίας και το Université de Sherbrooke στον Καναδά. Η μελέτη μόλις δημοσιεύτηκε στο Επιστήμη Ρομποτικής.

Ένα μακρύ, κυματιστό ρομπότ κολύμβησης

«Ο στόχος μας με αυτό το ρομπότ ήταν να εξετάσουμε πώς το νευρικό σύστημα επεξεργάζεται τις αισθητηριακές πληροφορίες έτσι ώστε να παράγει ένα δεδομένο είδος κίνησης», λέει ο καθηγητής Auke Ijspeert, επικεφαλής του BioRob και μέλος του Rescue Robotics Grand Challenge στο NCCR Robotics. «Αυτός ο μηχανισμός είναι δύσκολο να μελετηθεί σε ζωντανούς οργανισμούς, επειδή τα διαφορετικά συστατικά του κεντρικού και του περιφερικού νευρικού συστήματος* είναι πολύ διασυνδεδεμένα μέσα στο νωτιαίο μυελό. Αυτό καθιστά δύσκολο να κατανοήσουμε τη δυναμική τους και την επιρροή που ασκούν ο ένας στον άλλον».

Το AgnathaX είναι ένα μακρύ, κυματιστό κολυμβητικό ρομπότ που έχει σχεδιαστεί για να μιμείται μια λάμπα, η οποία είναι ένα πρωτόγονο ψάρι που μοιάζει με χέλι. Περιέχει μια σειρά από κινητήρες που ενεργοποιούν τα δέκα τμήματα του ρομπότ, τα οποία αναπαράγουν τους μύες κατά μήκος του σώματος μιας λάμπας. Το ρομπότ έχει επίσης αισθητήρες δύναμης κατανεμημένους πλευρικά κατά μήκος των τμημάτων του που λειτουργούν όπως τα ευαίσθητα στην πίεση κύτταρα στο δέρμα μιας λάμπας και ανιχνεύουν τη δύναμη του νερού ενάντια στο ζώο.

Η ερευνητική ομάδα έτρεξε μαθηματικά μοντέλα με το ρομπότ της για να προσομοιώσει τα διάφορα συστατικά του νευρικού συστήματος και να κατανοήσει καλύτερα την περίπλοκη δυναμική του. «Είχαμε το AgnathaX να κολυμπήσει σε μια πισίνα εξοπλισμένη με σύστημα παρακολούθησης κίνησης, ώστε να μπορούμε να μετράμε τις κινήσεις του ρομπότ», λέει η Laura Paez, διδακτορική φοιτήτρια στο BioRob. «Καθώς κολυμπούσε, ενεργοποιήσαμε και απενεργοποιήσαμε επιλεκτικά τις κεντρικές και περιφερειακές εισόδους και εξόδους του νευρικού συστήματος σε κάθε τμήμα, έτσι ώστε να μπορέσουμε να ελέγξουμε τις υποθέσεις μας σχετικά με την εμπλεκόμενη νευροεπιστήμη».

Δύο συστήματα που λειτουργούν παράλληλα

Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τόσο το κεντρικό όσο και το περιφερικό νευρικό σύστημα συμβάλλουν στη δημιουργία ισχυρής κίνησης. Το πλεονέκτημα της συνεργασίας των δύο συστημάτων είναι ότι παρέχει αυξημένη ανθεκτικότητα έναντι νευρικών διαταραχών, όπως αποτυχίες στην επικοινωνία μεταξύ τμημάτων του σώματος ή μηχανισμούς σίγασης αίσθησης. «Με άλλα λόγια, αντλώντας από έναν συνδυασμό κεντρικών και περιφερειακών στοιχείων, το ρομπότ θα μπορούσε να αντισταθεί σε μεγαλύτερο αριθμό νευρικών διαταραχών και να συνεχίσει να κολυμπάει με υψηλές ταχύτητες, σε αντίθεση με τα ρομπότ με ένα μόνο είδος συστατικού», λέει ο Kamilo Melo. συν-συγγραφέας της μελέτης. «Βρήκαμε επίσης ότι οι αισθητήρες δύναμης στο δέρμα του ρομπότ, μαζί με τις φυσικές αλληλεπιδράσεις του σώματος του ρομπότ και του νερού, παρέχουν χρήσιμα σήματα για τη δημιουργία και το συγχρονισμό της ρυθμικής μυϊκής δραστηριότητας που είναι απαραίτητη για την κίνηση». Ως αποτέλεσμα, όταν οι επιστήμονες διέκοψαν την επικοινωνία μεταξύ των διαφορετικών τμημάτων του ρομπότ για να προσομοιώσουν μια βλάβη στο νωτιαίο μυελό, τα σήματα από τους αισθητήρες πίεσης που μετρούσαν την πίεση του νερού που πιέζει το σώμα του ρομπότ ήταν αρκετά για να διατηρήσουν την κυματιστή κίνησή του.

Αυτά τα ευρήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών ρομπότ κολύμβησης για αποστολές έρευνας και διάσωσης και περιβαλλοντικής παρακολούθησης. Για παράδειγμα, οι ελεγκτές και οι αισθητήρες δύναμης που αναπτύχθηκαν από τους επιστήμονες μπορούν να βοηθήσουν τέτοια ρομπότ να πλοηγηθούν μέσα από διαταραχές ροής και να αντέξουν καλύτερα τη ζημιά στα τεχνικά τους στοιχεία. Η μελέτη έχει επίσης προεκτάσεις στον τομέα της νευροεπιστήμης. Επιβεβαιώνει ότι οι περιφερειακοί μηχανισμοί παρέχουν μια σημαντική λειτουργία η οποία πιθανώς επισκιάζεται από τους γνωστούς κεντρικούς μηχανισμούς. «Αυτοί οι περιφερειακοί μηχανισμοί θα μπορούσαν να παίξουν σημαντικό ρόλο στην ανάκτηση της κινητικής λειτουργίας μετά από τραυματισμό του νωτιαίου μυελού, επειδή, κατ’ αρχήν, δεν χρειάζονται συνδέσεις μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του νωτιαίου μυελού για να διατηρηθεί ένα κύμα που ταξιδεύει κατά μήκος του σώματος», λέει ο Robin Thandiackal. συν-συγγραφέας της μελέτης. «Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί ορισμένα σπονδυλωτά είναι σε θέση να διατηρήσουν τις κινητικές τους ικανότητες μετά από μια βλάβη του νωτιαίου μυελού».

Βιβλιογραφία

ετικέτες: βιο-εμπνευσμένο, γ-Έρευνα-Καινοτομία