Onderzoekers van de Universiteit van Bristol hebben een fysiek model gebouwd met eenvoudige elektromotoren om de coördinatie van spieren te bestuderen. Volgens hun werk, gepubliceerd in het tijdschrift Interface van de Royal Society, zou deze coördinatie vanzelf kunnen ontstaan uit de configuratie van het systeem, zonder geprogrammeerd te hoeven worden, en de robotica kunnen inspireren.
- Onderzoekers van de Universiteit van Bristol bouwden een model met elektromotoren om spiercoördinatie na te bootsen.
- De motoren werken samen via een gedeelde structuur, zonder directe communicatie tussen hen.
- Het systeem vertoont spierachtig gedrag, zoals schokkerige bewegingen en voortplantende coördinatiegolven.
- Dit principe kan robots verbeteren, omdat het lichaam zelf de bewegingen helpt vormgeven.
Spieren zetten chemische energie om in beweging en produceren een regelmatige kracht, ook al bestaan ze uit een zeer groot aantal kleine moleculaire componenten. Wanneer de belasting verandert, passen ze zich aan zonder te wankelen of te bezwijken.
In het hart van de spier bevindt zich de sarcomer, de elementaire eenheid voor krachtproductie, gevormd door actinefilamenten en moleculaire motoren genaamd myosine. Deze motoren grijpen zich herhaaldelijk vast aan de actinekabels, trekken en laten los, wat de samentrekking van de spiervezels mogelijk maakt.
In plaats van de chemie van myosine na te bootsen, hebben de onderzoekers deze voorgesteld door een ‘rotor’ die alleen bijdraagt wanneer hij mechanisch verbonden is met een fysieke ‘ruggengraat’. Hun tafelopstelling bestaat uit een rij kleine elektromotoren die verbonden zijn door een gemeenschappelijke mechanische structuur en die trekken tegen een dikke vloeistof, een weerstand vergelijkbaar met die van biologische motoren.
De motoren blijven niet permanent verbonden: elk duwt kortstondig de bewegende structuur en laat deze dan los. Deze structuur geeft zo het effect van de ene motor door aan de volgende, zonder directe communicatie tussen hen.
Een coördinatie zonder dirigent
In dit vereenvoudigde systeem verschijnen spontaan verschillende gedragingen die lijken op die van spieren. Wanneer de weerstand toeneemt, ontwikkelen de motoren collectief een relatie tussen belasting en snelheid, en dragen meer eenheden bij aan de inspanning. Onder bepaalde omstandigheden wordt de beweging schokkerig, met trekkende fasen onderbroken door plotselinge verschuivingen. Het systeem kan ook coördinatiegolven vormen die zich langs het apparaat voortplanten.
De onderzoekers vergelijken deze organisatie met die van flagellen en trilharen, microscopische uitsteeksels van sommige eukaryote cellen, zoals de staart van een spermacel. Ook hier zijn moleculaire motoren verdeeld langs een structuur, het axonema, die hun activiteit omzet in buiggolven. Bij de spermacel zijn deze golven essentieel voor mobiliteit en vruchtbaarheid, terwijl trilharen vloeistoffen laten circuleren in de luchtwegen, met verbanden met gezondheid en ziekte.
Aanknopingspunten voor de robotica
In de robotica blijft het moeilijk en kostbaar om veel actuatoren, de ‘spieren’ van een robot die een energiebron zoals elektriciteit omzetten in beweging, te laten samenwerken. Sensoren, feedbacklussen en controle-algoritmen zijn vaak nodig, wat het geheel kwetsbaar en foutgevoelig kan maken.
Volgens de auteurs wijst een model waarbij coördinatie voortkomt uit de configuratie op eenvoudigere actuatoren. Deze piste sluit aan bij onderzoek naar zachte robots, die flexibele materialen gebruiken, en naar kunstmatige spieren voor robotica. De onderzoekers schatten dat dit principe benut zou kunnen worden, richting machines waarvan het lichaam bijdraagt aan het vormgeven van hun bewegingen.
