工程师利用前所未有的计算模型捕捉章鱼手臂复杂的肌肉结构

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一个研究小组最近在《美国国家科学院院刊》上发表了一项题为“肌肉结构软臂的拓扑、动力学和控制”的研究。这篇登上封面的论文描述了一种前所未有的计算模型，该模型可以捕捉章鱼手臂复杂的肌肉结构。
该模型反过来又用于解释结构力学如何通过从简单的肌肉收缩模式中自动协调复杂的三维循环运动来大大简化手臂的控制。研究人员自 2019 年以来一直在合作开展这项工作，其总体目标是开发“电子章鱼”能力——换句话说，创建可以复制章鱼手臂复杂运动的机器人控制系统。
在许多动物（包括人类）中，中央大脑充当着身体其他部分的决策中心或控制器。相比之下，章鱼的“大脑”分布在八条手臂上，因此每条手臂都可以独立运作。此外，章鱼的生理结构使每条手臂能够实现几乎无限自由度的运动范围，这使得计算变得极其复杂。
“总体动机是弄清楚如何控制具有多自由度的复杂系统，并找到运行昂贵计算的替代方法，”副教授 Mattia Gazzola 说道。“章鱼是一种有趣的动物模型，自 20 世纪 80 年代以来一直受到研究。[研究人员] 想知道其能力的‘秘密’。”
机械工程博士生 Arman Tekinalp 在谈到他进行这项研究的动机时补充道： “我发现从活体动物身上学习并将一些见解转化为软体机器人设计的想法非常有趣。”
在之前的研究工作中，研究人员与一个跨学科团队合作开发了一种控制简化章鱼手臂模型的理论方法。在这项研究中，该团队利用 MRI 和组织学及生物力学数据来模拟由近 200 个相互交织的肌肉群组成的真实手臂。
他们还利用图像跟踪技术记录了活体章鱼在水槽中执行任务时的动作。章鱼被放在有机玻璃板的一侧，板上有一个洞，只有一只手臂可以伸进去。在实验中，一个诱人的物体被放在板的另一侧。然后研究人员可以拍摄章鱼伸手去拿和操纵物体的视频。
“这几乎就像和一个小孩一起工作一样，”加佐拉回忆起观察章鱼时的情景。“你必须知道如何接近[章鱼]并让它保持专注。”
研究团队从成像中提取了运动数据，并在模拟中表明，他们的控制方法可以复制章鱼手臂所表现出的复杂运动。
“我们利用拓扑学和微分几何将一组基本理论结果应用于手臂，以描述其形状并通过肌肉驱动来控制它，”Gazzola 说。
为了描述手臂的运动，该团队开发了简单的肌肉激活模板，可以实现复杂的 3D 运动。“我们没有使用数千个自由度，而是将两个拓扑量（扭动和扭转）与肌肉动力学联系起来，”Gazzola 说。
“这两个量分别由不同的肌肉群控制，它们的共同激活产生第三个拓扑量，描述手臂的 3D 形态变化，即它的运动。”
他们的高保真计算模型是生物学和工程学的一个里程碑，前者可以帮助解释章鱼的惊人能力。“计算模型是机器人专家测试其算法的有用试验台，”Prashant Mehta 教授说。
这项长期研究体现了多年来多个研究小组和校园内多名学生的跨学科努力。事实上，团队一直在变化——将于 2024 年 12 月毕业的 Tekinalp 将在马里兰大学帕克分校担任博士后。
梅塔表示：“对于马蒂亚和我来说，看到我们两个研究小组的学生之间的密切合作都是一件令人欣慰的事。”
这项研究的后续工作包括，研究人员计划扩展他们的模拟技术，研究以协作方式控制所有八只手臂的方法（例如，模仿章鱼如何同时处理多个物体）。他们还希望将他们的发现转化为机器人原型，以供实验测试。
“我们的理论理解仍然是一种直观的方法，”Gazzola 谈到接下来的进一步行动时说道。“我们希望开发一个自动化框架，以便我们的章鱼模型能够学会自行执行任务。”
该团队包括机械工程博士候选人 Arman Tekinalp、研究生 Seung Hyun Kim、Prashant Mehta 教授和副教授 Mattia Gazzola，均来自伊利诺伊大学香槟分校机械科学与工程系。他们的跨学科合作还包括弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授 Noel Naughton（前贝克曼研究员）、伊利诺伊大学分子与整合生理学系的研究人员以及北卡罗来纳大学教堂山分校和南佛罗里达大学的其他研究人员。