Credit:洛桑联邦理工学院由于他们的游泳机器人模仿了一只蓝鲨的猎物，EPFL的科学家们可能已经发现了为什么一些脊椎动物在脊髓损伤后能够保持它们的运动能力。这一发现也有助于提高用于搜救任务和环境监测的游泳机器人的性能。EPFL工程学院生物机器人实验室的科学家们正在开发创新机器人，以研究动物的运动，并最终更好地理解运动产生背后的神经科学。其中一个机器人是AgnathaX，它是一个游泳机器人，由来自EPFL和日本东北大学、法国南特矿业-电信研究所和加拿大舍布鲁克大学的研究人员参与了一项国际研究。这项研究刚刚发表在《科学机器人学》上。
BioRob的负责人Auke Ijspeert教授说:“我们使用这种机器人的目标是研究神经系统如何处理感觉信息，从而产生某种特定的运动。这种机制很难在生物体内研究，因为中枢和外周神经系统的不同组成部分在脊髓内高度相互连接。这使得我们很难理解它们的动态以及它们对彼此的影响。”
AgnathaX是一种长而起伏的游泳机器人，旨在模仿七鳃鳗，这是一种原始的鳗鱼状鱼类。它包含一系列驱动机器人十个部分的马达，这些部分沿着七鳃鳗的身体复制肌肉。该机器人还具有沿其节段横向分布的力传感器，这些力传感器像七鳃鳗皮肤上的压力敏感细胞一样工作，并检测水对动物的作用力。
学分:洛桑联邦理工学院研究小组用他们的机器人运行数学模型，模拟神经系统的不同组成部分，更好地理解其复杂的动力学。BioRob的博士生劳拉·帕埃斯人说:“我们让AgnathaX在装有运动跟踪系统的游泳池里游泳，这样我们就可以测量机器人的运动。“当它游动时，我们有选择地激活和去激活神经系统每个节段的中枢和外周输入和输出，这样我们就可以测试我们关于所涉及的神经科学的假设。”
科学家发现中枢和外周神经系统都有助于产生强健的运动。让这两个系统协同工作的好处是，它提供了增强的抵御神经中断的能力，例如身体各部分之间的通信故障或静音传感机制。该研究的合著者卡米洛·梅洛(Kamilo Melo)说:“换句话说，通过利用中央和外围组件的组合，机器人可以抵抗更多数量的神经中断，并保持高速游泳，而不是只有一种组件的机器人。“我们还发现，机器人皮肤中的力传感器，以及机器人身体和水的物理相互作用，为产生和同步运动所需的节律性肌肉活动提供了有用的信号。”因此，当科学家切断机器人不同部分之间的通信以模拟脊髓损伤时，来自测量水推压机器人身体压力的压力传感器的信号足以维持其波动运动。
Credit:洛桑联邦理工学院这些发现可用于设计更有效的游泳机器人，用于搜救任务和环境监测。例如，科学家开发的控制器和力传感器可以帮助这种机器人通过气流扰动，并更好地承受对其技术组件的损坏。这项研究在神经科学领域也有分支。它证实了外围机制提供的重要功能可能被众所周知的中心机制所掩盖。“这些周边机制可能在脊髓损伤后运动功能的恢复中发挥重要作用，因为原则上，脊髓不同部分之间不需要连接来维持沿着身体的行波，”该研究的合著者罗宾·坦迪亚卡尔说。"这可以解释为什么一些脊椎动物在脊髓损伤后仍能保持运动能力."
中枢与外周神经系统
脊椎动物的运动通过复杂的机制发生，包括中枢神经系统(即大脑和脊髓)和外周神经系统(即连接肌肉和感觉神经元的神经)。
Credit:洛桑联邦理工学院从20世纪初开始，在神经科学领域就有一场长期的争论，以确定运动所必需的神经节律是如何产生和同步的。一些研究人员，如查尔斯·斯科特·谢灵顿，提出节奏主要是由感觉反馈信号产生的——或者换句话说，是由一种外围机制产生的。在那个视图中，手指或肢体向一个方向移动，直到它触发一个感官信号，告诉它向另一个方向移动。其他研究人员，如托马斯·格雷姆·布朗，提出节奏是由中枢神经系统的特定振荡回路产生的。从那以后，中枢和外周机制之间的争论强烈转向支持中枢机制，发现脊髓中的神经回路可以产生协调的节律，即使与感觉反馈完全断开。
这项研究表明，这两个神经系统都很重要，它们都能够产生游泳运动，当它们结合在一起时，它们会产生比单独运动更强大的运动。
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