Руки осьминога координируют почти бесконечное количество степеней свободы для выполнения сложных движений, таких как дотягивание, хватание, подтягивание, ползание и плавание. То, как эти животные достигают такого широкого спектра действий, остается источником загадок, удивления и вдохновения. Часть проблемы связана со сложной организацией и биомеханикой внутренних мышц.
Эта проблема была решена в междисциплинарном проекте под руководством Прашанта Мехты и Маттиа Газзолы, профессоров механики и инженерии Иллинойского университета в Урбане-Шампейне. Как сообщается в Proceedings of the Royal Society A, два исследователя и их группы разработали физиологически точную модель мышц рук осьминога. «Наша модель, первая в своем роде, не только дает представление о биологической проблеме, но и создает основу для разработки и управления мягкими роботами в будущем», — сказал Мехта.
Впечатляющие возможности рук осьминогов уже давно служат источником вдохновения для разработки мягких роботов и управления ими. Такие мягкие роботы могут выполнять сложные задачи в неструктурированных средах, безопасно работая рядом с людьми, в самых разных областях, от сельского хозяйства до хирургии.
Аспирант Хенг-Шенг Чанг, ведущий автор исследования, объяснил, что системы с мягким телом, такие как руки осьминогов, представляют собой серьезную проблему моделирования и контроля. «Они приводятся в движение тремя основными внутренними мышечными группами — продольными, поперечными и косыми — которые вызывают деформацию руки в нескольких режимах — сдвиг, разгибание, сгибание и скручивание», — сказал он. «Это наделяет мягкие мускулистые руки значительной свободой, в отличие от их жестких аналогов».
Ключевой идеей команды было выразить мускулатуру руки с помощью функции накопленной энергии — концепции, заимствованной из теории механики сплошных сред. Ученый с докторской степенью и автор-корреспондент Удит Гальдер объяснил, что «рука находится в минимальном энергетическом ландшафте. Активация мышц изменяет функцию накопленной энергии, тем самым сдвигая положение равновесия руки и направляя движение».
Интерпретация мышц с использованием накопленной энергии значительно упрощает конструкцию управления рукой. В частности, в исследовании излагается методология управления формированием энергии для расчета необходимых мышечных активаций для решения манипулятивных задач, таких как дотягивание и хватание. Когда этот подход был численно продемонстрирован в программной среде Elastica, эта модель привела к удивительно реалистичному движению, когда рука осьминога моделировалась в трех измерениях. Более того, по словам Гальдера, «наша работа предлагает математические гарантии производительности, которых часто не хватает в альтернативных подходах, включая машинное обучение».
«Наша работа является частью более крупной экосистемы постоянного сотрудничества в Университете Иллинойса», — сказал Мехта. «Выше по течению есть биологи, которые проводят эксперименты с осьминогами. Ниже по течению есть робототехники, которые берут эти математические идеи и применяют их к настоящим мягким роботам».
Группы Мехты и Газзолы сотрудничали с Рханором Джиллеттом, почетным профессором молекулярной и интегративной физиологии из Иллинойса, чтобы включить наблюдаемую физиологию осьминога в свою математическую модель для этого исследования. В будущей работе будут обсуждаться биологические последствия энергетического контроля. Кроме того, исследователи сотрудничают с Гиришем Кришнаном, профессором инженерии промышленных и корпоративных систем из Иллинойса, чтобы внедрить их математические идеи в реальный дизайн мягких роботов и управление ими. Это не только создаст систематический способ управления мягкими роботами, но и обеспечит более глубокое понимание механизмов их работы.
Эта работа была частью проекта CyberOctopus, междисциплинарной исследовательской инициативы университета в Лаборатории координированных исследований Университета Иллинойса, поддерживаемой Управлением военно-морских исследований.
