Сперма морского ежа оказалась на удивление полезной для специалистов по робототехнике

Инженеры уже несколько десятилетий создают машины с алгоритмами "поиска экстремума". Морские ежи усовершенствовали этот метод естественным путем.

Отредактировано 2023-07-08
Пурпурные морские ежи под водой выпускают яйца и сперматозоиды во время спариванияМорские ежи отточили способ, с помощью которого их сперматозоиды находят яйцеклетки в просторах океана.

Сперматозоиды обладают уникальным чувством направления. Репродуктивные клетки многих видов настроены на поиск яиц, независимо от расстояния и сложности пути. Возьмем, к примеру, секс морских ежей. Сначала самцы и самки выбрасывают в океан тучи сперматозоидов и яйцеклеток. Чтобы найти и оплодотворить яйцеклетку в открытых водах, сперматозоиды этих колючих обитателей морского дна следуют по химическому следу из хлебных крошек. А инженеры используют этот умный метод привлечения для создания собственных более умных роботов, ищущих цель.

В исследовании, опубликованном 9 декабря в журнале Physical Review E, подробно описано сходство между траекторией сперматозоида морского ежа и компьютерными системами, в которых используется метод поиска в реальном времени, называемый поиском экстремума. Инженеры из Калифорнийского университета в Ирвайне и Мичиганского университета создали математическую модель траектории сперматозоида, чтобы лучше понять его поведение. По мнению авторов, оценка биологической природы морского ежа может помочь в разработке миниатюрных роботов, которые точно так же следуют сигналам от источников.

С 1920-х годов инженеры используют поиск экстремума как метод адаптивного управления для программирования технологий, которые помогают управлять или направлять системы для максимального функционирования. Он использовался для контроля и оптимизации расхода топлива в системах полета, сгорания топлива в двигателях и газовых печах, а также в антиблокировочных тормозных системах автомобилей. По словам Махмуда Абдельгалила, который изучает динамику и управление в Калифорнийском университете в Ирвайне и является ведущим автором статьи, алгоритм поиска экстремума в системе отслеживает сигнальный маяк, испускаемый источником.

Когда вы думаете о роботах-конструкторах, секс морских ежей - не совсем то, что приходит на ум. Но Абдельгалил говорит, что их репродуктивные клетки являются полезной и хорошо изученной биологической моделью. Чтобы найти яйцеклетку, сперматозоиды морского ежа используют хемотаксис, при котором клетки перемещаются в ответ на химический стимул. Яйца морских ежей специально выделяют соединение, называемое пептидом, активирующим сперматозоид, который взаимодействует со жгутиком сперматозоида, управляя его движением. Это изгибает и наклоняет направление сперматозоида на пути к яйцеклетке.

"У сперматозоидов нет GPS", - говорит Абдельгалил. "Они не знают заранее, где находится яйцеклетка. Поэтому они измеряют локальную концентрацию [пептида] в текущем положении, затем используют эту информацию и двигаются в направлении увеличения концентрации - что мы называем направлением градиента концентрации".

То же самое происходит с роботом, ищущим экстремум: У него нет координат или другой информации о местонахождении цели - все, что он знает, это то, что он может измерить и проследить динамический сигнал из текущего положения. Идея рассмотреть сперматозоиды морского ежа возникла у Абдельгалила, когда он увидел ранее опубликованную работу, в которой подробно описывалось их поведение под микроскопом. Траектория движения сперматозоидов выглядела почти идентично предложенной модели одноколесного робота, стремящегося к экстремуму, - простой машины, которая может контролировать только свою ориентацию и двигаться в прямом направлении.

"Как только я увидел две картинки, я понял, что это более или менее одно и то же", - говорит он. Итак, в новом исследовании Абдельгалил и его коллеги проиллюстрировали, как ключевые компоненты стратегии навигации сперматозоида морского ежа напоминают отличительные черты поиска экстремума.

Эта чрезвычайно эффективная стратегия поиска, которая эволюционировала в природе с течением времени, может оказаться полезной для тонкой настройки будущих системных конструкций и технологий. Алгоритмы поиска экстремума с минимальными датчиками могут помочь в управлении миниатюрными роботами, такими как те, которые тестируются для адресной доставки лекарств. По словам Абдельгалила, исследовательские группы уже изучали конструкции микророботов для доставки лекарств, использующие внешние сигналы. Например, Абдельгалил упоминает, что исследователи из Цюрихского технологического института в Швейцарии разработали крошечного робота, вдохновленного личинкой морской звезды, который управляется звуковыми волнами и в один прекрасный день может оказаться полезным для доставки лекарств непосредственно в конкретные больные клетки организма. "Я надеюсь, что моя работа в конечном итоге найдет применение в изучении или проектировании микророботов, которые используют экстремальный поиск для автономной навигации в окружающей среде и нахождения точных мест расположения зараженных клеток, нуждающихся в лекарствах", - говорит он.

Абдельгалил также отмечает, что и другие организмы, по-видимому, обладают той или иной формой поиска экстремума, включая бактерии, ищущие пищу, или водоросли, движущиеся в направлении света. "Мы можем учиться на примере поведения этих микроорганизмов, чтобы разрабатывать роботов, которые будут вести себя четко определенным образом, когда ими никто не командует", - говорит он. "Это может повысить автономность наших более традиционно управляемых роботов".