鼓舞人心的机器人设计：海星运动的经验教训
运动设计内幕
海星的运动涉及数百个微小管脚的运动。 （图片来源：杰拉尔德·科西/iStock）海星是一种生物，其运动涉及数百个微小管脚的协调，以在复杂的环境中航行——尽管缺乏中央大脑。换句话说，就好像每只脚都有自己的想法。
对于位于南加州大学维特比航空航天与机械工程系的 Kanso Bioinspired Motion Lab 来说，海星构成了一种有趣的现象。 Kanso 实验室专门致力于解码生命系统的流动物理学，通常应用这些见解来为机器人技术的发展提供信息。
该实验室最近在《美国国家科学院院刊》(PNAS) 上发表的论文 ，“管脚动力学驱动海星运动的适应”（2026 年 1 月 13 日），揭示了海星的运动是由各个管脚的局部反馈引导的，每个管脚动态地调整其对表面的附着力，以响应不同程度的机械应变。
“我们开始与加州大学欧文分校的麦克亨利实验室合作研究海星，后来与比利时蒙斯大学的生物学家合作，”坎索实验室主任兼航空航天和机械工程、物理学和天文学教授伊娃·坎索说。 “我们与 SYMBIOSE 实验室的副教授 Sylvain Gabriele 和研究生 Amandine Deridoux 一起，为海星设计了一款特殊的 3D 打印“背包”。通过装载和卸载背包，我们可以观察和测量每个管脚对增加的重量的反应。”
研究人员发现，每只脚对不断变化的负载做出独立的反应。 Kanso 说：“从一开始，我们就假设海星依赖于分层和分布式控制策略，其中每个管脚根据本地机械提示做出何时附着和脱离表面的本地决定，而不是由中央控制器指导。”
这些实验使团队能够测试和量化这些局部反应。 “我们开发了一个数学模型，展示了简单的局部控制规则如何通过身体力学耦合，可以产生协调的整体动物运动。”
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的设计高度相关。陆地、水下甚至其他星球上的潜在应用包括机器人的分散式运动系统，用于在不平坦、垂直和颠倒的地形中导航——这些环境阻碍了中央“任务控制”或人类决策者的一致通信。
“我们还进行了将海星翻转的实验——管脚的形态允许海星继续移动，”坎索说。 “想象一下，如果你在倒立。你的神经系统会立即让你知道你处于一个与重力相反的位置。但海星没有这样的集体识别。”
相反，海星配备了每个管脚以不同方式经历重力的局部知识。协调运动是由于脚与身体机械相连；当一只脚推动时，运动会影响其他脚。因此，局部故障不一定会导致整个系统停止运行，从而实现高级的稳健性和弹性。
对于在极端环境中航行的自主机器人来说，这是一个显着的优势，因为它们容易翻转、丢失或增加负载，或者与中央通信源断开连接。虽然快速移动的动物（从昆虫到体操运动员）依赖于“中枢模式发生器”——位于脑干的专门神经回路，产生有节奏的运动模式，但缓慢移动的海星已经准备好动态适应环境变化。
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