Інженери розробили підводного робота для моделювання роботи центральної та периферичної нервової систем та їх взаємного впливу на рух (локомоцію) підводних хребетних, таких як міноги та вугрі. Робот довжиною 1,2 метра і вагою більше чотирьох кілограм має змієвідне тіло, що складається з десяти окремих сегментів, кожен з яких обладнаний сервомотором і датчиками тиску. Вони служать для визначення гідродинамічних сил, що впливають на тіло робота під час руху, аналогічно чутливим до тиску клітин на шкірі тварин. Результати експериментів і чисельного моделювання показали, що навіть у разі серйозного порушення в роботі елементів системи управління, відповідних центральній нервовій системі, робот зберігає здатність рухатися завдяки роботі системи зворотного зв'язку, що реєструє вплив середовища на рухи робота через датчики тиску. У майбутньому така нейромеханічна система управління може значно підвищити відмовостійкість роботів, призначених для підводних робіт у важкодоступних місцях, таких як труби, підводні печери та підлідні озера, йдеться в статті, опублікованій в журналі
За сучасними уявленнями за локомоцію у хребетних тварин відповідають так звані центральні генератори впорядкованої активності - мережі нейронів, розташовані в спинному мозку, які породжують оторні ритми - завдяки їм живий організм може крокувати, бігати, плавати, а також дихати. Причому ці дії здійснюються автоматично і не вимагають втручання більш високих відділів нервової системи, хоча і можуть регулюватися ними.
При цьому периферична нервова система, яка, зокрема, відповідає за передачу сигналів від зовнішніх подразників, на які організм реагує у формі рефлексів, може впливати на локомоцію, виконуючи роль сенсорного зворотного зв'язку. Вона здатна модулювати ритми центральних ритмогенераторів, дозволяючи організму тим самим адаптуватися до мінливих зовнішніх умов. Наприклад, змінювати крок при зустрічі з перешкодою.
Спостереження за деякими тваринами показують, що роль сенсорного зворотного зв'язку у формуванні рухів може бути істотнішою, ніж просто модуляція оторних ритмів, що виробляються центральними генераторами. Наприклад, пошкодження спинного мозку, що порушує роботу генераторів почесоторних ритмів, для деяких плаваючих організмів, таких як вугрі та міноги, не призводить до їх повного знедолення. Тварини зберігають здатність плавати, здійснюючи хвилеподібні рухи тіла. Для того щоб розібратися, чому так відбувається, необхідно зрозуміти, як у цьому випадку взаємодіють одна з одною центральна і периферична нервові системи, що досить складно зробити на живому організмі.
Для вирішення це завдання інженери під керівництвом Робіна Тандіакала (Robin Thandiackal) з Федеральної політехнічної школи Лозанни розробили підводного робота AgnathaX, який виступив у ролі модельного об'єкта. Робот вагою 4,2 кілограма імітує міногу - представника надкласу нелюдських, які мають витягнуте змієвидне тіло і плавають, здійснюючи хвилеподібні рухи.
Корпус робота довжиною 1250 міліметрів складається з десяти оснащених сервомоторами сегментів, головного модуля з одноплатним комп'ютером і пасивної хвостової секції. Для харчування пристрою використовуються три літій-полімерних акумулятори сумарною ємністю 3800 міліампер-година, яких вистачає для роботи протягом 30 хвилин.
Весь корпус з електронними компонентами поміщений у м'який водонепроникний рукав з тканини рипстоп. Зовні на кожному модулі розташовуються гідродинамічні сенсори, які імітують чутливі до зовнішнього тиску клітини на шкірі тварини. Сенсори розміщуються з боків кожного сегмента і являють собою пластини з вуглецевого волокна, прикріплені до тензодатчикам. Вони реєструють інформацію про силу, з якою потік води впливає на секцію тіла під час руху.
Для того щоб робот не перевертався, на верхній частині кожної секції встановлені циліндричні поплавки з вбудованими світлодіодами. Вони використовуються для відстеження рухів AgnathaX за допомогою камер, розташованих над басейном, в якому проводяться експерименти.
Бортовий комп'ютер робота під керуванням Linux отримує сигнали з бічних сенсорів, а також інформацію про поточний стан сервомоторів всіх сегментів (положення, напруга і струм) з частотою 100 Герц. Він обчислює керуючі сигнали і відправляє їх назад на сервомотори, які імітують м'язи справжньої міноги, змушуючи їх обертатися і формуватися хвилеподібний рух всього тіла.
Паралельно розробники побудували математичну модель, яка описує хвилеподібний рух робота у водному середовищі. Модель враховує роботу центральної і периферичної нервової систем, деформацію тіла і роботу м'язів і обчислює кути, на які повинні бути повернуті сервомотори робота. Отримані в ході симуляції результати можна тестувати на справжньому пристрої, що в свою чергу допомагає поліпшити модель, наближаючи її до реальності.
Центральна нервова система в моделі містить осцилятори, що імітують сигнали генераторів почесоторних ритмів спинного мозку для кожного сегмента, а також враховує зв'язки між сусідніми сегментами за рахунок запізнення фази. Сигналами периферичної нервової системи виступає інформація про тиск від бічних датчиків кожного сегмента. Ці сигнали відіграють роль сенсорного зворотного зв'язку, який тварина отримує під час свого руху від розташованих на поверхні шкіри чутливих клітин, що реагують на тиск.
Для того щоб оцінити внесок всіх модельованих компонентів на локомоцію, інженери проводили експерименти з моделлю в симуляторі і з реальним роботом в басейні, в яких вимикали той чи інший елемент центральної і периферичної нервових систем робота з роботи на різному числі сегментів. В результаті з'ясувалося, що при розриві зв'язку між усіма сегментами тіла, коли генератори ритму всіх модулів працюють незалежно і не знають про стан один одного, а також при повному відключенні всіх генераторів ритму, що відповідає серйозному пошкодженню хребта, робот все одно зберігає можливість хвилеподібного руху вперед, так само як і справжні вугрі і міноги.
У першому випадку відсутність зв'язку між сегментами тіла через деякий проміжок часу компенсується завдяки сенсорному зворотному зв'язку за рахунок сигналів від бічних датчиків тиску і виникає при цьому явища синхронізації коливань. Тобто спочатку працюючі вразнобой сегменти приходять до самоорганізованого хвилеподібного руху, за рахунок гідродинамічних сил, що виникають як відповідь на спонтанні рухи сегментів тіла у воді. У другому випадку виникає схожий ефект, тільки при повній відсутності внутрішньої ритмогенерації. При включеному сенсорному зворотному зв'язку поступово виникають і наростають коливання всього тіла, які змушують робота плисти вперед.
Таким чином, зазначають автори роботи, наявність двох систем дозволяє значно підвищити відмовостійкість підводних роботів, які використовують розглянуту модель управління. У разі виходу з ладу частини елементів системи управління, що становлять центральну нервову систему, сенсорів тиску, шин даних, що забезпечують зв'язок між сегментами або навіть при відмові окремих сегментів цілком, робоминога буде здатна продовжувати рух. У майбутньому автори роботи планують розширити можливості робота, додавши йому здатність повноцінно переміщатися в трьох вимірах і змінювати напрямок руху, а також дослідити рух робота в сильних течіях.
При створенні роботів інженери часто використовують тварин як приклад для наслідування, оскільки вважається, що в ході еволюції вони набули рис, що дозволяють їм діяти найбільш ефективним чином. Наприклад, інженери з Австралії проаналізували за допомогою алгоритмів машинного навчання руху будинкових гекконів, а потім використовували ці дані при розробці робота, здатного пересуватися вертикальними поверхнями.