A pesquisa de lesma marítima avança robótica suave

Cibernética biológica (2025). Doi: 10.1007/s00422-025-01017-1 “>

Ao projetar novos robôs, os engenheiros geralmente procuram inspiração para a natureza. Eles baseiam seus robôs nos desenhos e comportamentos de cobras, peixes, humanos e muito mais, como lesmas marinhas, cujos comportamentos de alimentação foram estudados em pesquisas recentes pelo grupo de robótica bio-híbrido da Universidade Carnegie Mellon, sob a direção de Vickie Webster-wood, professor associado de mecanismo mecânico.

Os pesquisadores estão estudando essas pequenas criaturas marinhas (cientificamente chamadas de Aplysia californica) para entender melhor como seus sistemas nervosos interagem com seus músculos enquanto se alimentam, principalmente enquanto mordem comida próxima, engolem esse alimento ou rejeitam esse alimento cuspindo -o. Os pesquisadores esperam usar essas idéias para ajudá -los a projetar robôs macios sem peças rígidas.

Em algumas de suas últimas pesquisas, publicado na revista Cibernética biológicaos pesquisadores estudaram como esses comportamentos de alimentação são gerados e como surgem da anatomia das lesmas.

Eles criaram um modelo de computador da boca da lesma e pretendiam imitar o que observaram nos animais. Modelos anteriores usaram estruturas unidimensionais, como massas em molas, para aproximar os movimentos musculares, mas esse projeto utilizou estruturas bidimensionais para refletir melhor como as formas dos músculos mudaram ao longo dos comportamentos.

“Tentamos encontrar os principais pontos de referência na massa bucal [mouth] Onde sabemos como essas posições se movem e mudam de forma durante o comportamento “, explicou Michael Bennington, um estudante de doutorado no laboratório de Webster-Wood e primeiro autor no jornal.

“Em vez de descrever a boca em uma dimensão, o modelo de computador usa um retângulo que envolve a forma de um dos músculos, e sabemos onde estão os quatro cantos do retângulo. Músculos adicionais podem se interconectar nesses pontos”.

Essa abordagem mais detalhada permitiu aos pesquisadores capturar maiores graus de liberdade, o que por sua vez permitiu que eles refletissem melhor como os músculos se movem ao longo dos comportamentos.

“Estamos nos movendo para capturar melhor a mecânica do sistema”, disse Bennington.

Em seus resultados, eles também encontraram algumas novas maneiras de melhorar seus modelos. Existem duas partes na massa bucal da lesma: o lúmen, ou abrindo nas mandíbulas da lesma, e o Grasper, que agarra a comida através do lúmen e depois se retrai para engolir. (“Se você já viu o filme ‘Alien’, é um pouco como a boca dessa criatura”, disse Bennington.) Uma estrutura chamada Hinge conecta essas duas partes, permitindo que o Grasper gire dentro da massa bucal.

Apesar do nome, a dobradiça não é como a dobradiça de uma porta, mas é uma estrutura tridimensional que está ancorada em vários pontos-em vez de ser como se uma porta fosse articulada em três lados em vez de um. Os pesquisadores descobriram que seu atual modelo bidimensional não captura adequadamente a função da dobradiça; portanto, avançando, eles se concentrarão em melhorar melhor a dobradiça para capturar a mecânica tridimensional do sistema.

O laboratório de Webster-Wood se concentra em pesquisas envolvendo robótica suave, robótica bio-híbrida e robótica bio-inspirada. O grupo, conhecido como CMU Biohybrid e Organic Robots Group (BORG), visa usar robôs para nos ajudar a entender melhor os sistemas biológicos e usar materiais orgânicos biológicos para construir robôs macios mais adaptáveis e sustentáveis. Os sistemas de corpo mole podem ser difíceis de controlar devido a seus graus de liberdade muito maiores do que os sistemas rígidos, mas os pesquisadores sabem que estão se aproximando dos limites das ferramentas desenvolvidas para sistemas rígidos.

Este projeto não foi o primeiro envolvendo as lesmas; Eles publicaram vários trabalhos baseados em informações de A. californica, incluindo a criação de um robô mecânico para modelar os comportamentos das lesmas, chamadas Slugbot.

Bennington também estava envolvido no desenvolvimento de Slugbot, e foi assim que ele começou a trabalhar com as lesmas. “Uma das coisas legais sobre este laboratório é que não usamos apenas modelos computacionais e matemáticos para descrever algo, mas tentamos realmente usar modelos físicos também”, disse ele.

As lesmas mole são um organismo modelo ideal para esses projetos, porque geram comportamentos interessantes com um número relativamente pequeno de neurônios e músculos; Somente cerca de uma dúzia de músculos e 4.000 neurônios estão envolvidos na alimentação. (Para referência, de acordo com algumas estimativas, os cérebros dos seres humanos contêm 86 bilhões de neurônios.)

À medida que as tecnologias de robótica suave melhoram, essas idéias ajudarão os pesquisadores a simular e aprender sobre outros sistemas de corpo mole.