Арахнофобы часто говорят, что больше всего их пугает непредсказуемое движение пауков. Их ноги поднимаются и сгибаются, демонстрируя угрожающую степень автономии. Не так давно было проведено исследование, которое показало, что каждая из ног паука действительно обладает определенной независимостью от мозга, и эта особенность активно проявляется в такой сложной задаче, как создание паутины.
Таким образом, у паучьих ног есть «собственный разум». Эта новость представляет интерес для робототехники, в которой идея децентрализованного интеллекта пользуется большой популярностью при создании аналогичных автономных конечностей роботов. В исследовании рассматривался обычный садовый паук Araneus diadematus.
Веб-инженеры
Паутина очень многофункциональна, например, она служит домом для паука и выполняет роль практически невидимой динамичной ловушки, которая способна надежно удерживать жертву.
Для выполнения этих функций служит прочная конструкция из переплетенных нитей с так называемой спиралью захвата — сложный и липкий микроскопический механизм, в котором используются электростатические заряды, чтобы поймать муху и сложный клей, чтобы удержать ее. Кроме того, жертва не может оттолкнуться и вырваться из ловушки, потому что конструкция слишком эластична.
Паутина похожа на интернет тем, что в ней используются по меньшей мере пять разных нитей, которые соединены в систему, обеспечивающую фильтрацию информации. Пауки реагируют на мельчайшие вибрации, получая таким образом информацию о состоянии паутины и наличии в ней жертвы.
Диаграмма паука
Как такое маленькое животное с очевидно очень маленьким мозгом создает такие невероятно сложные конструкции? Современные технологии помогают ответить на этот вопрос. Снимая и отслеживания все восемь паучьих лап, ученые отследили процесс строительства паутины в мельчайших подробностях. Оказалось, что это похоже на своеобразный танец вокруг центра конструкции со своей хореографией и правилами. Эти правила поразительно просты, каждый шаг и манипуляция нитью выполняются в соответствии с определенным шаблоном, при этом одна из ног измеряет угол и расстояние, чтобы правильно и быстро соединить нити мазком клея. Много лет назад ученые запрограммировали виртуального паука по имени Тесей, чтобы продемонстрировать, как устроен этот процесс.
Кажущаяся сложность структуры является результатом длинной последовательности тысяч маленьких действий, каждое из которых строится на предыдущих. Этот итеративный процесс наделяет сеть «эмерджентными свойствами» — особыми свойствами, проявляющимися в результате совместной работы различных компонентов, которые, в свою очередь, обеспечивают выдающуюся архитектурную и инженерную функциональность.
Аутсорсинг
Видимо, сложность процесса потребовала от мозга передать эту работу на аутсорсинг ногам. Другими словами, паучьи ноги плетут паутину полуавтономно — восемь конечностей исполняют свой танец в локальных замкнутых петлях обратной связи.
Ученые выяснили это, изучая пауков в процессе построения паутины в лаборатории. В некоторых экспериментах они вырезали нити из строящейся паутины, в других вращали ее как колесо обозрения. Конечно, ученые не хотели досаждать пауку, просто пытались выяснить правила, согласно которым работает это процесс.
Когда правила стали понятны, не составило труда научить им паука Тесея. Также удалось выяснить, что каждая из ног способна выполнять множество функций, что помогло понять, как пауки строят идеальную паутину даже после потери ноги. Когда паук теряет одну из ног, на ее месте регенерируется новая, более короткая. Это происходит в процессе сброса экзоскелета. Новая нога не только в два раза короче прежней, она также имеет другую форму и покрыта другими волосками. И все же каким-то образом пауки с регенерированными ногами продолжают плести паутину безошибочно.
Если потеря ноги не влияет на качество работы, можно сделать вывод, что все они в какой-то степени автономны. Это освобождает мозг от микроуправления, позволяя сосредоточиться на выживании, например, наблюдая за хищниками. Эта эффективная децентрализованная система чрезвычайно актуальна для современных робототехников, которые часто вдохновляются природным миром при создании искусственных конструкций.
Конечно, не только пауки децентрализуют выполнение задач, — большинство животных делают тоже самое, в пример можно привести биение человеческого сердца. Однако наблюдение за пауками помогло понять это процесс глубже.
Этот ловкий трюк заключается в том, что паук внедряет простые вычисления задач в структуру конечностей. Робототехники называют это морфологическим вычислением и лишь относительно недавно обнаружили его силу. Оказывается, скромный садовый паук использует его уже более 100 миллионов лет.
По материалам статьи «Spider legs build webs without the brain’s help – providing a model for future robot limbs» The Conversation
