Как насекомые активируют мышцы для адаптации к потере конечностей
Адаптивность объясняет, почему насекомые так широко распространены и являются самой многочисленной группой животных на Земле. Они демонстрируют устойчивую и гибкую локомоцию даже при кардинальных изменениях структуры тела, например, потере конечности.
Исследовательская группа продвинулась в понимании адаптивной локомоции насекомых и её механизмов. Эти знания не только раскрывают интригующую информацию о биологии насекомых, но и могут помочь в создании более надёжных и устойчивых многоногих роботов, способных адаптироваться к аналогичным физическим повреждениям.
Нервная система насекомого состоит примерно из 105–106 нейронов. Чтобы понять процесс адаптации, необходимо учитывать роль внутренних нейронных цепей, влияющих на приспособление в неблагоприятных обстоятельствах, и механизмов сенсорной обратной связи, отражающих характеристики тела и физическое взаимодействие с окружающей средой.
Группа исследователей, включая доцента Даи Оваки из Департамента робототехники Высшей инженерной школы Университета Тохоку и доцента Хитоси Аонуму из Исследовательского института электронных наук Университета Хоккайдо, одновременно регистрировала движения ног и активацию мышц у сверчков до и после ампутации средней ноги.
Результаты показали, что после удаления средней ноги манера ходьбы сверчков изменилась с тетраподной/триподной походки на четырёхногую рысь.
Анализ электромиограммы (EMG) мышц у основания средней ноги выявил, что мышцы были активны в противоположных фазах при ходьбе. Время активации мышц средней ноги синхронизировалось по фазе, когда обе ноги были удалены, в то время как у сверчков со всеми ногами наблюдалась синхронизация в противофазе.
Результаты продемонстрировали два вывода:
- В мезоторакальном ганглии существует внутренняя контралатеральная связь, которая генерирует синхронизацию активации мышц по фазе.
- Механорецептивная информационная обратная связь от кампаниформных сенсилл ног подавляет центрально генерируемые паттерны, что приводит к противофазным движениям ног при нормальной походке.
«Наши результаты проложат путь к дальнейшему пониманию механизма координации ног при локомоции насекомых, — сказал профессор Даи Оваки. — Это также может помочь в разработке принципов децентрализованного контроллера, обеспечивающего гибкую и адаптивную ходьбу у шестиногого робота, подобного насекомому».