Inspirerend robotontwerp:lessen uit Sea Star Locomotion

Bewegingsontwerp INSIDER

De beweging van zeesterren omvat de beweging van honderden kleine buisvoetjes. (Afbeelding:Gerald Corsi/iStock)

Zeesterren zijn wezens waarvan de bewegingen de coördinatie van honderden kleine buisjes vereisen om door complexe omgevingen te navigeren – ondanks het ontbreken van een centraal brein. Met andere woorden, het is alsof elke voet een eigen wil heeft.

Voor het Kanso Bioinspired Motion Lab, gevestigd binnen het USC Viterbi Department of Aerospace &Mechanical Engineering, vormen zeesterren een intrigerend fenomeen. Het Kanso Lab is gespecialiseerd in het decoderen van de stromingsfysica van levende systemen en past deze inzichten vaak toe om ontwikkelingen in de robotica te informeren.

Het recente artikel van het laboratorium in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , “De dynamiek van de buisvoeten stimuleert aanpassing in de voortbeweging van zeesterren” (13 januari 2026), laat zien dat de beweging van zeesterren wordt gestuurd door lokale feedback van individuele buisvoeten, die elk dynamisch hun hechting aan het oppervlak aanpassen als reactie op variërende graden van mechanische belasting.

“We begonnen te werken aan zeesterren met het McHenry Lab van UC Irvine en werkten later samen met biologen van de Universiteit van Mons in België”, zegt Eva Kanso, directeur van het Kanso Lab en hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek, natuurkunde en astronomie. "Samen met universitair hoofddocent Sylvain Gabriele en afgestudeerde student Amandine Deridoux van het SYMBIOSE Lab hebben we een speciale 3D-geprinte 'rugzak' voor de zeester ontworpen. Door de rugzak te laden en te lossen, konden we observeren en meten hoe elke buisvoet reageerde op het toegevoegde gewicht. "

De onderzoekers ontdekten dat elke voet onafhankelijk reageerde op veranderende belastingen. “Vanaf het begin hadden we de hypothese dat zeesterren afhankelijk zijn van een hiërarchische en gedistribueerde controlestrategie, waarbij elke buisvoet lokale beslissingen neemt over wanneer hij zich aan het oppervlak moet hechten en losmaken op basis van lokale mechanische signalen, in plaats van te worden aangestuurd door een centrale controller”, zegt Kanso.

Dankzij de experimenten kon het team deze lokale reacties testen en kwantificeren. “We hebben een wiskundig model ontwikkeld dat laat zien hoe eenvoudige, lokale controleregels, gekoppeld aan de mechanica van het lichaam, aanleiding kunnen geven tot een gecoördineerde voortbeweging van het hele dier.”

Dit model voor adaptieve beweging op basis van lokale feedback is zeer relevant voor het ontwerp van zachte en multi-contact robotica. Mogelijke toepassingen op het land, onder water en zelfs op andere planeten zijn onder meer gedecentraliseerde bewegingssystemen voor robots die door oneffen, verticaal en ondersteboven terrein navigeren – omgevingen die consistente communicatie van een centrale ‘missiecontrole’ of menselijke beslisser verhinderen.

“We hebben ook experimenten uitgevoerd waarbij we de zeester ondersteboven draaiden – de morfologie van de buisvoeten zorgt ervoor dat de zeester kan blijven bewegen”, zegt Kanso. "Stel je voor dat je een handstand zou doen. Je zenuwstelsel zou je onmiddellijk laten weten dat je in een positie verkeert die tegengesteld is aan de zwaartekracht. Maar een zeester heeft zo'n collectieve herkenning niet."

In plaats daarvan is de zeester uitgerust met de lokale kennis van elke buisvoet die de zwaartekracht anders ervaart. Gecoördineerde beweging is te danken aan het feit dat de voeten mechanisch verbonden zijn met het lichaam; wanneer één voet duwt, heeft de beweging invloed op andere voeten. Als gevolg hiervan brengen lokale mislukkingen niet noodzakelijkerwijs het hele systeem tot stilstand, wat geavanceerde robuustheid en veerkracht mogelijk maakt.

Dat is een aanzienlijk voordeel voor autonome robots die door extreme omgevingen navigeren, die kunnen kantelen, verliezen of last krijgen, of worden losgekoppeld van een centrale communicatiebron. Terwijl snel bewegende dieren (van insecten tot gymnasten) afhankelijk zijn van ‘centrale patroongeneratoren’ – gespecialiseerde neurale circuits in de hersenstam die ritmische motorische patronen produceren – zijn langzaam bewegende zeesterren klaar om zich dynamisch aan te passen aan veranderingen in de omgeving.

Bron