Excitable crawling

要約

私たちは、ソフトロボットクローラーの移動を設計するためのスパイクコントローラーの適合性を提案し、分析します。
神経興奮性の FitzHugh-Nagumo モデルに触発され、受動的なクローラ機構と結合したときにオンデマンドでスパイクを生成できる電気フリップフロップ回路表現を備えた双安定コントローラーを設計しました。
クローラー機構からの固有受容感覚信号により、コントローラーの双安定性がリズミカルなスパイクに変わります。
出力電圧は、クローラーのアクチュエーターを作動させ、蠕動波による動きを生成します。
幾何学的解析を通じて、この制御戦略が内因性のクローリングを達成することを示します。
電気機械感覚運動の相互接続により、具体化された負のフィードバック制御が提供され、移動が促進されます。
寸法解析により、クローラーの機械的および電気的ダイナミクスにおける特徴的なスケールと、クローラーが這う歩行をどのように決定するかについての洞察が得られます。
神経回路の恒常性制御のように、機械的スケールに最適に一致する電気的スケールの適応制御は、さらなる効率を達成するために構想され得る。
私たちのアプローチは、生物学的中心パターン生成器に触発された複数の感覚運動ループにスケールアップできます。

要約(オリジナル)

We propose and analyze the suitability of a spiking controller to engineer the locomotion of a soft robotic crawler. Inspired by the FitzHugh-Nagumo model of neural excitability, we design a bistable controller with an electrical flipflop circuit representation capable of generating spikes on-demand when coupled to the passive crawler mechanics. A proprioceptive sensory signal from the crawler mechanics turns bistability of the controller into a rhythmic spiking. The output voltage, in turn, activates the crawler’s actuators to generate movement through peristaltic waves. We show through geometric analysis that this control strategy achieves endogenous crawling. The electro-mechanical sensorimotor interconnection provides embodied negative feedback regulation, facilitating locomotion. Dimensional analysis provides insights on the characteristic scales in the crawler’s mechanical and electrical dynamics, and how they determine the crawling gait. Adaptive control of the electrical scales to optimally match the mechanical scales can be envisioned to achieve further efficiency, as in homeostatic regulation of neuronal circuits. Our approach can scale up to multiple sensorimotor loops inspired by biological central pattern generators.

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