Inspirerend robotontwerp: Lessen van zeesterlocomotieregeling

Motion Design INSIDER

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

Zeesterren zijn wezens wier bewegingen de coördinatie van honderden kleine buisvoetjes omvatten om complexe omgevingen te navigeren – ondanks het gebrek aan een centrale hersenen. Met andere woorden, het is alsof elke voet een eigen wil heeft.

Voor het Kanso Bioinspired Motion Lab, gevestigd binnen de USC Viterbi Department of Aerospace & Mechanical Engineering, stellen zeesterren een intrigerend fenomeen voor. Het Kanso Lab gespecialiseerd in het ontrafelen van de stroomfysica van levende systemen, vaak die inzichten toepassend op robotica-ontwikkeling.

Het lab's recente paper in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), "Buisvoetdynamica drijft adaptatie in zeesterlocomotie" (13 januari 2026), onthult dat de beweging van zeesterren wordt gestuurd door lokale feedback van individuele buisvoetjes, die elk dynamisch hun hechting aan het oppervlak aanpassen in reactie op varierende mate van mechanische spanning.

"We begonnen met werken aan zeesterren met het McHenry Lab op UC Irvine en later in partnership met biologen aan de Universiteit van Mons in België," zei Eva Kanso, directrice van het Kanso Lab en professor aerospace en mechanical engineering, physics, en astronomy. "Samen met Associate Professor Sylvain Gabriele en graduate student Amandine Deridoux aan het SYMBIOSE Lab, ontwierpen we een speciale 3D-geprinte 'rugzak' voor de zeester. Door de rugzak te laden en ontladen, konden we observeren en meten hoe elk buisvoetje reageerde op het toegevoegde gewicht."

De onderzoekers ontdekten dat elk voetje onafhankelijk reageerde op veranderende belasting. "Vanaf het begin hypothesizeerden we dat zeesterren vertrouwen op een hiërarchische en gedistribueerde controllstrategie, waarin elk buisvoetje lokale beslissingen neemt over wanneer te hechten en loslaten van het oppervlak gebaseerd op lokale mechanische cues, in plaats van gestuurd te worden door een centrale controller," zei Kanso.

De experimenten stelden het team in staat om deze lokale reacties te testen en te kwantificeren. "We ontwikkelden een wiskundig model dat toont hoe simpele, lokale controllregels, gekoppeld door de mechanica van het lichaam, kunnen leiden tot gecoördineerde, heel-dier locomotie."

Dit model voor adaptieve beweging gebaseerd op lokale feedback is zeer relevant voor het ontwerp van zachte en multi-contact robotica. Potentiële toepassingen op land, onder water, en zelfs op andere planeten, omvatten gedecentraliseerde locomotiesystemen voor robots die oneffen, verticale en omgekeerde terreinen navigeren – omgevingen die consistente communicatie van een centrale 'missiecontrole' of menselijke besluitnemer verhinderen.

"We voerden ook experimenten uit waarin we de zeester omgekeerd zochten – de morfologie van de buisvoetjes laat de zeester toe om door te gaan met bewegen," zei Kanso. "Stel je je voor dat je een handstand doet. Je zenuwstelsel zou je direct laten weten dat je in een positie bent die tegenover zwaartekracht staat. Maar een zeester heeft geen dergelijke collectieve herkenning."

In plaats daarvan is de zeester uitgerust met de lokale kennis van elk buisvoetje dat de zwaartekracht anders ervaart. Gecoördineerde beweging is te danken aan het feit dat de voetjes mechanisch gekoppeld zijn aan het lichaam; als één voet duwt, beïnvloedt de beweging andere voetjes. Als gevolg hoeven lokale fouten het hele systeem niet te stoppen – wat geavanceerde robuustheid en veerkracht toelaat.

Dat is een significant voordeel voor autonome robots die extreme omgevingen navigeren, geneigd om om te keren, last te verliezen of te winnen, of los te raken van een centrale communicatiebron. Terwijl snel bewegende dieren (van insecten tot gymnasten) vertrouwen op 'centrale patroongeneratoren' – gespecialiseerde neurale circuits in de hersenstam die ritmische motorpatronen produceren – zijn langzame zeesterren geprimeerd om dynamisch aan te passen aan omgevingsveranderingen.

Bron