Mažos galūnės ir ilgi kūnai: koordinuojanti liza

Mažos galūnės ir ilgi kūnai: koordinuojanti liza

vaizdas: Brachymeles kadwa driežo rūšies vaizdas ant lapo.
peržiūrėti daugiau

Kreditas: Philipas Bergmannas, Clarko universitetas

Gyvatės ir driežai turi skirtingus kūno judėjimo modelius. Driežai lenkiasi iš vienos pusės į kitą, kai atitraukia kojas, kad galėtų vaikščioti ar bėgti. Kita vertus, gyvatės slysta ir banguoja, kaip banga, keliaujanti kūnu. Tačiau yra driežų rūšių, kurių kūnas yra ilgas, panašus į gyvatę, o galūnės tokios mažos, kad net mokslininkai susimąstė apie jų paskirtį. Supratimas, kaip juda šie hibridiškai atrodantys driežai, gali padėti suprasti, kodėl įvyko evoliucinis perėjimas nuo driežo prie gyvatės judėjimo.

Naudodami biologinius eksperimentus, robotų modelius ir geometrinę judėjimo teoriją nuo devintojo dešimtmečio, Džordžijos technologijos instituto mokslininkai ištyrė, kaip ir kodėl tarpinės driežų rūšys, turinčios pailgą kūną ir trumpas galūnes, gali naudoti savo kūną judėti. Gyvųjų sistemų fizikos profesoriaus Danielio Goldmano vadovaujama tyrimų grupė tyrinėjo kūno ir galūnių koordinavimą įvairiuose driežų kūnų pavyzdžiuose. Jų daugiadisciplinis požiūris atskleidė anksčiau nežinomo driežų kūno judesių spektro egzistavimą, atskleidžiantį judėjimo dinamikos tarp driežo ir gyvatės judesių tęstinumą. Jų išvados, paskelbtos birželio mėn Proceedings of the National Academy of Sciencesgilinti supratimą apie evoliucijos poveikį judėjimui ir turėti papildomų taikomųjų pažangių robotikos projektų.

„Mus domino, kodėl ir kaip šie tarpiniai driežai naudoja savo kūnus ir galūnes, kad galėtų judėti skirtingose ​​sausumos aplinkose“, – sakė Goldmanas. „Tai esminis judėjimo biologijos klausimas ir gali įkvėpti pajėgesnius judančius robotus.

Daugiadisciplininis požiūris

Baxi Chong, mokslų daktaras. Goldmano laboratorijos studentas ir pirmasis straipsnio autorius susidomėjo trumpakojų, pailgų driežų rūšimis Brachymeles Clarko universiteto evoliucinės biologijos docento Philipo Bergmanno pristatyme, kuriame Bergmannas aptarė rūšies evoliuciją. Chongas, teoretikas, turėjo galvoje įrankį, kuris, jo manymu, galėtų padėti paaiškinti, kaip retas driežas juda, todėl jis kreipėsi į Bergmanną, kad bendradarbiautų. Bergmannas nusiuntė filmuotą medžiagą apie driežus laukinėje gamtoje į Goldmano laboratoriją analizei.

Neseniai Georgia Tech ir Goldmano laboratoriją baigusi Eva Erickson pritaikė naujus dirbtinio intelekto metodus, kad analizuotų driežų kūno judėjimą Bergmanno vaizdo įrašuose ir kitas driežų rūšis. Programinė įranga, žinoma kaip neuroninio tinklo sekimas, naudoja AI, kad nustatytų vaizdų ypatybes, pvz., kojas ir kūną, ir sektų šias funkcijas bei jų judesius.

Paprastai buvo manoma, kad organizmai juda kaip gyvatės, lenkia kaip driežai arba visiškai nelenkia kūno. Tačiau analizuodami filmuotą medžiagą, tyrėjai pastebėjo daugybę gyvačių bangų (keliaujančių bangų) ir driežus primenančių judesių (stovinčios bangos), atstovaujančių įvairioms driežų rūšims.

„Žymių gyvūnų pozos įvertinimo programinė įranga labai patobulėjo ir leidžia daug geriau suprasti organizmų kinematiką“, – sakė Ericksonas, įstosiantis daktaro laipsnį. programą Browno universitete 2022 m. rudenį. „Stebėdami vaizdo įrašus naudodami programą DeepLabCut nustatėme, kad šios rūšys judėdamos atlieka įvairius bangų modelius.

Kitas klausimas buvo, kaip suprasti bangų modelių įvairovę. Anot Chongo, nors yra begalė būdų galvoti apie bangas ir jų reikšmę, informacija yra tokia sudėtinga, kad žmonėms beveik neįmanoma ją suprasti nenaudojant daug pastangų reikalaujančių ir daug laiko reikalaujančių lygčių.

Vietoj to, Chongas naudojo matematinę techniką, kurią pastaraisiais dešimtmečiais sukūrė dalelių fizikai ir valdymo teoretikai. Nors teorija, dabar judėjimo srityje vadinama geometrine mechanika, iš pradžių buvo pristatyta siekiant ištirti idealizuotą judėjimą – suprasti, kaip trys sujungti taškai gali plaukti vandenyje, Chongas pritaikė teoriją, įtraukdamas kojų sąvoką.

Naudodamas geometrinę mechaniką, Chong sukūrė diagramas, kurios vizualizavo kūno ir galūnių koordinavimo duomenis, pakeisdamas sudėtingus skaičiavimus daug paprastesne diagramine analize. Jie sugebėjo pamatyti ir parodyti gyvates primenančių bangų pranašumus trumpų galūnių pailgų driežų judėjime ir numatyti, kad pranašumas atsiranda, kai pirminė traukos generacija pereina iš galūnių į kūną.

“Geometrinės mechanikos pranašumas yra tas, kad mums nereikia tyrinėti visų judėjimo galimybių, kad nustatytų, kuri iš jų yra geriausia”, – sakė Chongas.

Neuroninio tinklo sekimo ir geometrinės mechanikos išvados leido grupei sukurti teoriją: driežo judėjimo stilius – ar jie juda stovinčiomis bangomis bėgdami, ar keliaujančią bangą slysdamas – yra glaudžiai susijęs su galūnių dydžiu ir kūno pailgėjimu. .

Teorijos tikrinimas su tikrais ir robotais driežais

Tyrėjai išbandė teoriją dviem būdais. Pirma, jie pakeitė aplinką, smėlyje gyvenančius driežus įterpdami į tai, ko jie niekada nesutiktų natūraliai: smėlį, pro kurį pučiamas oras. Jie pastebėjo, kad trumpakūniai driežai stipriomis kojomis buvo priversti kraipytis, o tai vadinasi „plaukimas ant žemės“. Iš esmės jie sugebėjo apgauti driežus, kad jie judėtų kaip gyvatė, o tai dar labiau sustiprino judėjimo modelių spektro egzistavimą.

Tada komanda sukūrė roboto modelį, kad ištirtų driežo ir gyvatės kūno judesių privalumus tarpinių driežų rūšims. Robofizinis modelis, žinomas kaip robofizinis modelis, veikia kaip fiziko gyvos sistemos modelis, kurį taip pat galima naudoti norint keisti tokius parametrus kaip galūnių ilgis ir driežo kūno tempimas žeme. Turėdami tokias galimybes, jie gali išbandyti savo teorinio modelio prognozes, kartu įgydami supratimo apie biologinę sistemą.

Tada komanda sukūrė roboto modelį, kad ištirtų driežo ir gyvatės kūno judesių privalumus tarpinių driežų rūšims. Robofizinis modelis, žinomas kaip fizikas, veikia kaip gyvos sistemos modelis. Su robotu jie gali išbandyti savo teorinio modelio prognozes, taip pat įgyti įžvalgų apie tarpinio driežo biologiją ir judėjimą.

„Mes sukūrėme robofizinį modelį, kad jį būtų galima perkonfigūruoti – galime keisti galūnių ilgį ir pakeisti driežo roboto judėjimą, pridėdami ir pašalindami pilvo plokštelę“, – sakė Tianyu Wang, robotikos mokslų daktaras. studentas ir Goldmano laboratorijos narys. „Tada mes panaudojome robotą panašiems eksperimentams smėlyje, stebėdami jo judesius ir veikimą.

Tyrėjai išsiaiškino, kad kai didesnis kūno svoris buvo paskirstytas ant pilvo, o ne ant galūnių, gyvatės kūno judesiai turėjo aiškų pranašumą, kad driežai būtų nukreipti ten, kur jiems reikia – net ir tiems driežams, kurių kojos yra stipriausios.

Apskritai komanda pastebėjo, kad driežų kūno pailgėjimo ir galūnių sumažėjimo laipsnis yra tiesiogiai susijęs su kūno ir galūnių judesių koordinavimu, o tai rodo glaudų susipynimą tarp kūno formų ir judėjimo stiliaus. Tyrėjai netgi nustatė, kad mažytės galūnės driežams yra labai naudingos ne tik varant, bet ir pakeliant pilvus nuo žemės.

Įžvalgos

Tyrėjų išvados leido jiems padaryti išvadą, kad evoliucija ne tik pailgino kūną ar sutrumpina galūnes, bet ir labai koordinuotai bei funkcionaliai.

„Mūsų darbas tikrai padeda paaiškinti, kodėl šios tarpinės rūšys gali konkuruoti su kitomis rūšimis ir išlikti pačios savaime milijonus metų“, – sakė Bergmannas. „Jie nesivysto, kad būtų panašūs į gyvates, bet yra visiškai funkcionalios rūšys, turinčios savo ekologinį vaidmenį.

Taip pat robotai gali pritaikyti tyrėjų darbe atrastas koncepcijas. Pavyzdžiui, naudodamiesi Goldmano laboratorijos išvadomis, robotai sukūrė gyvačių, driežų ir varliagyvių įkvėptus robotus, kurie vieną dieną galėtų būti naudojami paieškos ir gelbėjimo operacijose.

„Naudodami robofizinius modelius galime sukurti principus, kurie taip pat gali informuoti naujos kartos robotus, kuriems gali tekti šliaužti po griuvėsius arba judėti nežemiškoje aplinkoje, pavyzdžiui, mėnulio ar planetų paviršiuje“, – sakė Goldmanas.

Galiausiai, svarbus tyrimo aspektas buvo daugiadalykinis požiūris. Paimdamas vaizdo įrašus iš evoliucinio biologo, taikydamas AI sekimo programinę įrangą ir geometrinę mechaniką, kad suprastų judėjimą, ir kurdamas robofizinį modelį, kad patikrintų savo hipotezes, kiekvienas studentas panaudojo individualias žinias tyrimo klausimu.

„Turiu pasakyti, kad tai buvo tikrai nuostabus studentų vadovaujamas projektas“, – sakė Goldmanas.

Citata: Baxi Chong, Tianyu Wang, Eva Ericksoa, Philip J. Bergmann ir Daniel I. Goldman, „Mažyčių galūnių ir ilgų kūnų koordinavimas: driežo antžeminio plaukimo geometrinė mechanika“, PNAS, 2022 m. birželio mėn. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2118456119

###

Džordžijos technologijos institutas arba Džordžijos technikos universitetas yra 10 geriausių viešųjų mokslinių tyrimų universitetų, auginančių lyderius, kurie tobulina technologijas ir gerina žmonių būklę. Institutas siūlo verslo, skaičiavimo, dizaino, inžinerijos, laisvųjų menų ir mokslų laipsnius. Beveik 44 000 studentų, atstovaujančių 50 valstijų ir 149 šalių, mokosi pagrindiniame Atlantos miestelyje, Prancūzijos ir Kinijos miesteliuose bei nuotoliniu būdu ir internetu. Kaip pirmaujantis technologijų universitetas, Georgia Tech yra Gruzijos, Pietryčių ir tautos ekonominės plėtros variklis, kasmet atliekantis daugiau nei 1 mlrd.


Leave a Comment

Your email address will not be published.