Исследователи из Бристольского университета создали физическую модель на основе простых электродвигателей для изучения координации мышц. Согласно их работе, опубликованной в журнале Interface Королевского общества, эта координация может возникать сама собой из конфигурации системы, без необходимости программирования, и вдохновить робототехнику.
Мышцы преобразуют химическую энергию в движение и производят постоянное усилие, даже несмотря на то, что состоят из огромного количества мелких молекулярных компонентов. При изменении нагрузки они адаптируются без колебаний и сбоев.
В основе мышцы лежит саркомер, элементарная единица генерации силы, состоящая из актиновых нитей и молекулярных моторов, называемых миозином. Эти моторы многократно захватывают, тянут и отпускают актиновые нити, что позволяет сокращаться мышечным волокнам.
Вместо того чтобы воспроизводить химию миозина, исследователи представили его в виде «ротора», который вносит вклад только тогда, когда механически связан с физической «основой». Их настольная установка объединяет ряд небольших электродвигателей, соединённых общей механической структурой, которые тянут против густой жидкости — сопротивления, сравнимого с тем, что испытывают биологические моторы.
Двигатели не остаются постоянно соединёнными: каждый кратковременно толкает подвижную структуру, а затем отпускает её. Таким образом, эта структура передаёт эффект от одного двигателя к следующему без прямой связи между ними.
Координация без дирижёра
В этой упрощённой системе спонтанно проявляется несколько поведений, близких к мышечным. При увеличении сопротивления двигатели коллективно развивают взаимосвязь между нагрузкой и скоростью, и большее количество единиц вносит вклад в усилие. В определённых условиях движение становится прерывистым, с фазами тяги, прерываемыми внезапными проскальзываниями. Система также может формировать волны координации, распространяющиеся вдоль устройства.
Исследователи сравнивают эту организацию с таковой у жгутиков и ресничек — микроскопических выростов некоторых эукариотических клеток, таких как хвост сперматозоида. Здесь также молекулярные моторы распределены вдоль структуры — аксонемы, которая преобразует их активность в волны изгиба. У сперматозоида эти волны необходимы для подвижности и фертильности, в то время как реснички перемещают жидкости в дыхательных путях, что связано со здоровьем и болезнями.
Перспективы для робототехники
В робототехнике заставить множество приводов, то есть «мышц» робота, преобразующих источник энергии, такой как электричество, в движение, работать согласованно остаётся сложной и дорогостоящей задачей. Часто требуются датчики, цепи обратной связи и алгоритмы управления, что может сделать всю систему хрупкой и подверженной ошибкам.
По мнению авторов, модель, в которой координация возникает из конфигурации, открывает путь к более простым приводам. Это направление соответствует исследованиям в области мягких роботов, использующих гибкие материалы, и искусственных мышц для робототехники. Исследователи полагают, что этот принцип может быть использован для создания машин, чьё тело способствует формированию их движений.
