海星移动启发机器人设计：去中心化控制的韧性之道

Motion Design INSIDER

海星的运动涉及数百只微小管足的协调。（图片：Gerald Corsi/iStock）

海星是通过协调数百只微小管足在复杂环境中导航的生物——尽管缺乏中央大脑。换句话说，仿佛每只脚都有自己的想法。

位于南加州大学维特比航空航天与机械工程系的Kanso仿生运动实验室，对海星现象着迷。Kanso实验室专门解码生命系统的流体物理，常将这些洞察应用于机器人发展。

实验室近期发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的论文“管足动力学驱动海星运动适应”（2026年1月13日）揭示：海星运动由单个管足的局部反馈驱动，每只脚根据机械应变程度动态调整对表面的粘附。

“我们与加州大学欧文分校McHenry实验室开始研究海星，后来与比利时蒙斯大学生物学家合作，”Kanso实验室主任、航空航天与机械工程、物理和天文学教授Eva Kanso说。“与Sylvain Gabriele副教授和SYMBIOSE实验室研究生Amandine Deridoux合作，我们为海星设计了特殊3D打印‘背包’。通过加载和卸载背包，我们可观测和测量每只管足对额外重量的响应。”

研究者发现每只脚独立响应负载变化。“从一开始，我们假设海星依赖分层分布式控制策略，每只管足基于局部机械线索决定何时附着和脱离表面，而非由中央控制器指挥，”Kanso说。

实验让团队测试并量化这些局部响应。“我们开发了一个数学模型，展示简单的局部控制规则如何通过身体力学耦合，产生协调的全身运动。”

这种基于局部反馈的自适应运动模型与软体和多接触机器人设计高度相关。潜在应用涵盖陆地、水下甚至其他星球，包括在不平、垂直和倒置地形中导航的去中心化运动系统——这些环境阻碍来自中央“任务控制”或人类决策者的持续通信。

“我们也做了将海星倒置的实验——管足形态让海星继续移动，”Kanso说。“想象你倒立，神经系统会立即告诉你处于反重力位置。但海星没有这种集体认知。”

相反，海星拥有每只管足不同体验重力的局部知识。协调运动源于脚与身体机械连接；一只脚推动时，运动影响其他脚。结果，局部故障不一定停止整个系统——实现先进的鲁棒性和韧性。

这对在极端环境中导航、易翻转、负载增减或与中央通信源断开的自主机器人是显著优势。快速移动动物（从昆虫到体操运动员）依赖“中央模式发生器”——脑干产生节奏运动模式的专用神经回路——而缓慢移动的海星则准备好动态适应环境变化。

来源

机器人如何学会挂T恤：数据的关键作用新型可穿戴设备让您通过简单手势控制机器——即使在运动中

传感器