Отличительной чертой животного мира является способность перемещаться по окружающей среде, чтобы ловить добычу, избегать хищников или находить себе партнеров. Животные достигают этого с помощью ошеломляющего разнообразия стратегий опорно-двигательного аппарата, несмотря на сходную форму тела и одинаковую физику, например, галоп джейранов и гепардов.
Эти различия в стратегии могут позволить животным заполнить различные экологические ниши, обеспечив более (или менее):
- стабильность,
- маневренность,
- скорость,
- эффективность,
- скрытность.
Многие животные полагаются на специализированные придатки - плавники и крылья - которые отвечают взаимностью, чтобы обеспечить движение вперед. Однако некоторые организмы перемещаются, используя совершенно иную стратегию, которая включает генерацию волнистых перемещающихся волн, распространяющихся вдоль тела или специализированного удлиненного плавника.
Большинство исследований такого волнистого движения сосредоточено на роли одной плоской волны, которая движется от головы к хвосту для создания тяги вперед, как, например, у водных животных, таких как угри, миноги и пиявки.
Исследователи представляют поведенческие данные, которые указывают на роль многоплоскостной волнистости тела у змей при боковом вращении для достижения поворотных маневров.
В частности, они отмечают, что гремучие змеи регулируют относительную амплитуду и время горизонтальных и вертикальных волн и что эти изменения, в свою очередь, коррелируют с неглубоким и резким поворотом. Конечно, корреляции не доказывают наличия механистических связей, поэтому исследователи искали дополнительный подход к определению того, действительно ли эти сдвиги в движущихся волнах являются причиной необыкновенной маневренности животного.
Естественным подходом к пониманию таких биомеханических механизмов является использование моделей:
- как вычислительных (моделирование),
- так и физических (роботы).
Сложные и нелинейные взаимодействия между животным и окружающей средой часто трудно зафиксировать с помощью компьютерного моделирования. Даже когда компьютеры становятся быстрее, предсказание движения робота или животного, подверженного такому сложному взаимодействию, сродни прогнозированию погоды.
Частично это может быть связано с недостаточным пониманием отдельных "компонентов":
- мышцы,
- конечности,
- отсутствием знаний и крайней чувствительности к детальному взаимодействию между несколькими компонентами.
Эти сложности могут быть решены с помощью экспериментальной робототехники
То есть с помощью физических моделей. Недавние усовершенствования в области механического проектирования и производства роботов и способность воспроизводить натуралистические движения и морфологии (т.е. улучшенная "биодостоверность") повысили успех использования роботов для понимания биологических систем. В частности, были предприняты шаги по использованию роботов для понимания взаимодействия между телом, сенсомоторным управлением и окружающей средой.
Более того, несмотря на кажущуюся сложность поведения животных, многие из них, похоже, являются результатом сравнительно простых, низкоразмерных моделей движения. Низкоразмерные, ориентированные на решение конкретных задач модели поведения опорно-двигательного аппарата, называемые "шаблонами", позволяют применять анализ систем управления к локомотивам.
Эти упрощенные модели поведения необходимы для понимания
- стабильности,
- маневренности,
- эффективности,
лежащих в основе схем управления биологическими системами и биологическими роботами.
Эксперименты с биомиметическими роботами, иногда в сочетании с упрощенными шаблонными моделями задач, играют важную роль в понимании волнистой локомоции. В рамках волнистых движений существует широкий спектр поведенческих стратегий. Большая часть предшествующей работы была сосредоточена на волнах перемещения в одном измерении, но даже если они ограничены одним измерением, в природе все еще наблюдается несколько стратегий управления. Например, рыба-нож разбивает свое волнистое движение ленточного плавника на две плоские волны - механизм, повышающий стабильность и маневренность этих рыб. Многоплоскостные волнистые движения изучены гораздо меньше.
Боковое вращение — это особый режим передвижения у некоторых змей, возникающий из суперпозиции горизонтальных и вертикальных движущихся волн. Действительно, наземные пары вертикальных волн, которые определяют, какие части тела соприкасаются с землей, и горизонтальные волны, которые в конечном счете отвечают за создание сил для движения.
Основываясь на своих биологических наблюдениях, они предложили простую двухволновую схему управления шаблоном, которая использует это соединение для получения поворотного поведения в боковых вращениях. Они предполагают, что обычно наблюдаемое в гремучих змеях поворотное поведение, а именно "дифференциальное вращение" (постепенное изменение направления за цикл волнистости) и "разворот" (резкое и быстрое изменение направления), генерируется амплитудной и фазовой (временной) модуляциями, соответственно, горизонтальных и вертикальных волн.
Для подтверждения этой гипотезы они реализовали свой двухволновой шаблон управления в модульном биомиметическом роботе-змее и продемонстрировали аналогичную маневренность при повороте к биологической змее. Роботизированные данные показывают, что дифференциальное поведение поворота достигается за счет амплитудной модуляции в горизонтальной волне, в то время как разворот достигается за счет сдвига фазы вертикальной волны на 180°. Использование модульного змеиного робота в качестве физической модели является более выгодным, чем имитационный подход, поскольку взаимодействие субстрат-тело еще не полностью изучено.
Сочетание исследований животных и роботов является мощным инструментом.
Богатство и разнообразие поведения животных обеспечивает большой ресурс для вдохновения при проектировании роботов. И наоборот, хотя биомиметические и биоинспирированные роботы все еще отстают от своих биологических аналогов по надежности, чувствительности, маневренности и т.д., для проверки гипотез в биологии и нейромеханике можно использовать роботы.
Критически важным является то, что использование физических моделей позволяет проводить эксперименты на животных, которые практически невозможны в связи с трудностями в проведении количественных измерений или манипуляций с морфологией или схемой управления, которые являются обычными для роботизированных платформ.
Синергетически, использование роботов для понимания биологии также может привести к стратегиям, которые не наблюдались в природе. Змееподобный робот может также производить третий тип вращения, называемый "частотным вращением", который не наблюдается у биологических змей.
- Такое поведение было вызвано систематическим изменением пространственной частоты горизонтальных и вертикальных волн. Неясно, почему змеи не совершают таких поворотов - возможно, это просто поведенческие предпочтения животного, или могут существовать биологические ограничения, лежащие в основе.
- С другой стороны, демонстрация двухволнового шаблона для управления модульным змеиным роботом открывает новые возможности для разработки упрощенных стратегий управления безобидными мобильными роботами, обладающими высокой маневренностью и надежностью в сложных условиях, таких как песок и грязь.
Это подчеркивает ключевую особенность экспериментального подхода с использованием роботов-животных: они являются взаимодополняющими экспериментальными подходами и могут быть использованы для взаимного информирования и развития, что имеет значительные преимущества для обеих областей.