Ramiona ośmiornicy koordynują prawie nieskończone stopnie swobody, aby wykonywać złożone ruchy, takie jak sięganie, chwytanie, aportowanie, czołganie się i pływanie. Sposób, w jaki te zwierzęta osiągają tak szeroki zakres działań, pozostaje źródłem tajemnicy, zdumienia i inspiracji. Część wyzwania wynika ze skomplikowanej organizacji i biomechaniki mięśni wewnętrznych.
Problem ten został rozwiązany w multidyscyplinarnym projekcie prowadzonym przez Prashanta Mehtę i Mattię Gazzolę, profesorów mechaniki i inżynierii na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign. Jak donosi Proceedings of the Royal Society A, dwaj badacze i ich grupy opracowali fizjologicznie dokładny model mięśni ramion ośmiornicy. „Nasz model, pierwszy w swoim rodzaju, nie tylko zapewnia wgląd w problem biologiczny, ale także ramy do projektowania i sterowania miękkimi robotami w przyszłości” – powiedział Mehta.
Imponujące możliwości ramion ośmiornicy od dawna stanowią inspirację do projektowania i sterowania miękkimi robotami. Takie miękkie roboty mogą wykonywać złożone zadania w nieustrukturyzowanych środowiskach, jednocześnie bezpiecznie operując wokół ludzi, w zastosowaniach od rolnictwa po chirurgię.
Absolwent Heng-Sheng Chang, główny autor badania, wyjaśnił, że systemy o miękkich ciałach, takie jak ramiona ośmiornic, stanowią duże wyzwanie w zakresie modelowania i kontroli. „Są napędzane przez trzy główne wewnętrzne grupy mięśni – podłużne, poprzeczne i skośne – które powodują deformację ramienia w kilku trybach – ścinanie, rozciąganie, zginanie i skręcanie” – powiedział. „To zapewnia miękkim, muskularnym ramionom znaczną swobodę, w przeciwieństwie do ich sztywnych odpowiedników”.
Kluczowym spostrzeżeniem zespołu było wyrażenie mięśni ramienia za pomocą funkcji zmagazynowanej energii, koncepcji zapożyczonej z teorii mechaniki kontinuum. Doktor habilitowany i autor korespondent Udit Halder wyjaśnił, że „Ramię spoczywa na minimalnym poziomie energii. Uruchamianie mięśni modyfikuje funkcję zmagazynowanej energii, przesuwając w ten sposób pozycję równowagi ramienia i kierując ruchem”.
Interpretacja mięśni przy użyciu zmagazynowanej energii znacznie upraszcza projekt kontroli ramienia. W szczególności badanie przedstawia metodologię kontroli kształtowania energii w celu obliczenia niezbędnych aktywacji mięśni do rozwiązywania zadań związanych z manipulacją, takich jak sięganie i chwytanie. Kiedy to podejście zostało zademonstrowane numerycznie w środowisku oprogramowania Elastica, model ten doprowadził do niezwykle realistycznego ruchu, gdy ramię ośmiornicy było symulowane w trzech wymiarach. Co więcej, według Haldera: „Nasza praca oferuje matematyczne gwarancje wydajności, których często brakuje w alternatywnych podejściach, w tym w uczeniu maszynowym”.
„Nasza praca jest częścią większego ekosystemu trwającej współpracy na Uniwersytecie Illinois” – powiedział Mehta. „Na górze są biolodzy, którzy przeprowadzają eksperymenty na ośmiornicach. Na dole są robotycy, którzy wykorzystują te matematyczne idee i stosują je do prawdziwych miękkich robotów”.
Grupy Mehty i Gazzola współpracowały z Rhanorem Gillettem, emerytowanym profesorem fizjologii molekularnej i integracyjnej z Illinois, aby włączyć zaobserwowaną fizjologię ośmiornicy do ich modelu matematycznego na potrzeby tego badania. Przyszłe prace będą dotyczyły biologicznych implikacji kontroli opartej na energii. Ponadto naukowcy współpracują z Girishem Krishnanem, profesorem inżynierii systemów przemysłowych i korporacyjnych z Illinois, nad włączeniem ich pomysłów matematycznych do projektowania i sterowania prawdziwymi miękkimi robotami. To nie tylko stworzy systematyczny sposób kontrolowania miękkich robotów, ale także zapewni głębsze zrozumienie ich mechanizmów działania.
Ta praca była częścią projektu CyberOctopus, multidyscyplinarnej uniwersyteckiej inicjatywy badawczej w Koordynowanym Laboratorium Naukowym Uniwersytetu Illinois, wspieranej przez Biuro Badań Marynarki Wojennej.