Mechanical Intelligence Simplifies Control in Terrestrial Limbless Locomotion

要約

微視的な虫から巨視的なヘビに至るまで、手足のない運動器は、通常、波状の実体波伝播を利用して、複雑で不均一な自然環境を横断します。
理論モデルとロボット物理モデルは通常、身体の運動学とアクティブな神経/電子制御を重視します。
しかし、そのようなアプローチは受動的で機械的に制御されるプロセス（「機械的知能」を伴うプロセス）の役割を無視することが多いため、最も単純な生物の性能さえも再現できないと我々は主張する。
機械知能が不均一なテラダイナミック領域で四肢のない移動をどのように支援するかの原理を明らかにするために、ここでは不均一な地形のモデル (硬い柱の格子) での移動の比較研究を実施します。
私たちは、高度に研究された線虫である線虫である線虫のモデル生物学的システムと、さまざまなスケールで手足のない生物の両側アクチュエーター形態をモデル化するロボット物理装置を使用しました。
ロボットの運動学は、純粋な開ループ制御により線虫のパフォーマンスを定量的に再現しました。
機械的インテリジェンスは、アクティブなセンシングとフィードバックの必要性を減らし、障害物のナビゲーションと活用の制御を簡素化しました。
C. elegans で観察される活発な行動、頭部衝突時の波状反転、システムの機械的知能の活用によるロコモーションの強化。
私たちの研究は、線虫のような神経的に単純な手足のない生物が、複雑な環境で移動するために適切に調整された両側性作動を介して機械的知能をどのように活用できるかについての洞察を提供します。
これらの原則は、神経的により洗練された生物に適用される可能性が高く、捜索救助や惑星探査などの用途に手足のないロボットの設計と制御のパラダイムも提供します。

要約(オリジナル)

Limbless locomotors, from microscopic worms to macroscopic snakes, traverse complex, heterogeneous natural environments typically using undulatory body wave propagation. Theoretical and robophysical models typically emphasize body kinematics and active neural/electronic control. However, we contend that because such approaches often neglect the role of passive, mechanically controlled processes (those involving ‘mechanical intelligence’), they fail to reproduce the performance of even the simplest organisms. To uncover principles of how mechanical intelligence aids limbless locomotion in heterogeneous terradynamic regimes, here we conduct a comparative study of locomotion in a model of heterogeneous terrain (lattices of rigid posts). We used a model biological system, the highly studied nematode worm Caenorhabditis elegans, and a robophysical device whose bilateral actuator morphology models that of limbless organisms across scales. The robot’s kinematics quantitatively reproduced the performance of the nematodes with purely open-loop control; mechanical intelligence simplified control of obstacle navigation and exploitation by reducing the need for active sensing and feedback. An active behavior observed in C. elegans, undulatory wave reversal upon head collisions, robustified locomotion via exploitation of the systems’ mechanical intelligence. Our study provides insights into how neurally simple limbless organisms like nematodes can leverage mechanical intelligence via appropriately tuned bilateral actuation to locomote in complex environments. These principles likely apply to neurally more sophisticated organisms and also provide a design and control paradigm for limbless robots for applications like search and rescue and planetary exploration.

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