Normalmente, comprender cómo las partes móviles de los insectos o de los robots se coordinan con fluidez para llevarlos a su destino requiere un laborioso modelado de la mecánica, la electrónica y la ciencia de la información. Sin embargo, en un nuevo estudio, los investigadores en biomecánica condensaron los sprints de las cucarachas en principios y ecuaciones prácticos, que luego utilizaron para que un robot de prueba se desplazara mejor.
El método permitió a los investigadores conocer cómo opera cada pata de forma independiente, cómo se integran todas en un conjunto y la armonía o falta de ella en la forma en que lo hacen. A pesar de las dinámicas de movimiento completamente divergentes de insectos y robots, el nuevo método funcionó para ambos y también debería funcionar para otros robots y animales.
El robot biológico, la cucaracha, era el corredor muy superior, con señales neurológicas que guiaban sus seis patas impecablemente evolucionadas. El robot mecánico, un modelo de consumo, tenía cuatro patas rechonchas y no tenía sistema nervioso, pero dependía en cambio, para el control de la locomoción, de fuerzas físicas burdas que viajaban a través de su chasis como señales rudimentarias para coordinar de forma aproximada su torpe marcha.
“El robot era mucho más voluminoso y apenas podía percibir su entorno. La cucaracha tenía muchos sentidos y puede adaptarse mejor a terrenos irregulares. Los obstáculos tan altos como sus caderas no la ralentizaban en absoluto”, afirma Izaak Neveln, primer autor del estudio, que en aquel momento era investigador posdoctoral en el laboratorio de Simon Sponberg, profesor adjunto de la Escuela de Física y de la Escuela de Ciencias Biológicas del Instituto de Tecnología de Georgia.
Un método universal
El método, o “medida”, como la denomina el estudio, trascendió estas enormes diferencias, que impregnan la robótica inspirada en los animales.
“La medida es general (universal) en el sentido de que puede utilizarse independientemente de que las señales sean patrones de impulsos neuronales, cinemática, voltajes o fuerzas, y no depende de la relación particular entre las señales”, escriben los autores del estudio.
Independientemente de cómo funcione un insecto o un robot, las entradas y salidas matemáticas de la medida siempre están en las mismas unidades. La medida no siempre eliminará la necesidad de modelado, pero permite acortarlo y orientarlo, y evitar errores angustiosos.
Por qué los insectos palo se mueven de forma tan extraña
Con frecuencia, un robot o un animal envía numerosas señales de caminata a través de un sistema central para armonizar la locomoción, pero no todas las señales están centralizadas. Incluso en los seres humanos, aunque la locomoción depende en gran medida de las señales del sistema nervioso central, algunas señales neuronales se limitan a regiones del cuerpo; son señales localizadas.
Algunos insectos parecen moverse con poca centralización, como los insectos palo, también conocidos como fásmidos, cuyas patas se mueven casi de forma independiente. Los insectos palo son corredores torpes.
“La idea ha sido que los insectos palo tienen un control del movimiento más localizado, mientras que una cucaracha va muy rápido y necesita mantener la estabilidad, y su control motor probablemente está más centralizado, es más parecido a un reloj”, afirma Neveln.
Una fuerte centralización de las señales suele coordinar mejor la locomoción. Las señales centralizadas podrían ser código que viaja por el cableado de un robot elaborado, las neuronas centrales de una cucaracha que sincronizan sus patas, o el chasis del torpe robot inclinándose desde una pata que golpea el suelo y transfiere peso a una pata opuesta.
Los robotistas necesitan ver más allá de las diferencias y descifrar la interacción entre las señales locales y centrales de un locomotor.
Metrónomos y cucarachas
La nueva “medida” lo logra centrándose en un fenómeno general de las patas al caminar, que puede considerarse como péndulos que se mueven de un lado a otro. Para una locomoción óptima, necesitan sincronizarse en lo que se denomina oscilaciones de acoplamiento de fase.
Un experimento sencillo y divertido ilustra este principio físico. Si unos cuantos, digamos seis, metrónomos (péndulos de ritmo que utilizan los profesores de piano) se balancean desincronizados, y se colocan todos sobre una plataforma que se mueve libremente al compás de los balanceos de los metrónomos, los péndulos acabarán sincronizándose al unísono.
Las fases, o direcciones, de sus oscilaciones se acoplan entre sí al centralizar sus impulsos mecánicos compuestos a través de la plataforma. Este ejemplo concreto de acoplamiento de fase es mecánico, pero también puede ser computacional o neurológico, como en la cucaracha.
Sus patas serían análogas a los metrónomos que se balancean, y la actividad neuromuscular central análoga a la plataforma que se mueve libremente. En la cucaracha, no las seis patas se mueven en la misma dirección.
“Su sincronización no es uniforme. Tres patas están sincronizadas en fase entre sí (las patas delantera y trasera de un lado con la pata central del otro lado), y esas tres están sincronizadas en contrafase con las otras tres”, afirma Neveln. “Es una marcha en trípode alterna. Un trípode de tres patas se alterna con el otro trípode de tres patas”.
Un mejor movimiento robótico
Y, al igual que los péndulos, el movimiento de cada pata puede representarse gráficamente como una onda. Todas las ondas de las patas pueden promediarse en una onda global del desplazamiento de la cucaracha y, a continuación, desarrollarse en matemáticas más útiles que relacionan la centralización con la descentralización y factores como la entropía, que pueden desestabilizar el control de la locomoción.
Los principios y las matemáticas resultantes beneficiaron al torpe robot, que tiene señales descentralizadas fuertes en los motores de sus patas que reaccionan al contacto de las patas con el suelo, y un control centralizado más débil que el del insecto palo. Los investigadores también representaron gráficamente los movimientos del robot, pero no dieron lugar al grupo de ondas ordenadamente sincronizadas que produjo la cucaracha.
Los investigadores aplicaron los principios y las matemáticas al torpe robot, que inicialmente estaba descoordinado, dando botes o saltos inútiles como un palo saltarín. Entonces, los científicos reforzaron el control centralizado redistribuyendo el peso de su chasis para que se moviera de forma más coherente.
“Los metrónomos sobre la plataforma representan un acoplamiento mecánico, y nuestro robot coordina el control de esa manera”, afirma Neveln. “Puede cambiar el acoplamiento mecánico del robot reposicionando sus pesos. Pudimos predecir los cambios que esto produciría utilizando la medida que desarrollamos a partir de la cucaracha”.
Los investigadores también conectaron músculos y neuronas específicos de la cucaracha para observar sus sincopaciones con las ondas de desplazamiento. Diecisiete cucarachas dieron 2.982 zancadas para fundamentar los principios y las matemáticas, y los insectos también les deparan sorpresas a los investigadores.
Una destacó: los científicos habían pensado que la señalización se centralizaba más cuando la cucaracha aceleraba, pero, en cambio, tanto la señalización central como la local se reforzaron, quizá duplicando el mensaje de correr.
El estudio aparece en la revista Nature Communications. La National Science Foundation financió la investigación. Las conclusiones, los resultados y las recomendaciones son responsabilidad de los autores y no reflejan necesariamente los de la NSF.
