仿生科技：來自蜘蛛腿的靈感——為未來的機器人構建四肢


圖片來源：Pixabay
蜘蛛恐懼症患者常常把蜘蛛不可預測的移動當作他們害怕的原因，他們指出，蜘蛛每一條細長的腿似乎都以一種恐嚇人的程度自主抬起、彎曲和摸索。
可能令人不安的是，我和我的同事Thiemo Krink進行的一項研究顯示，在某種程度上，蜘蛛的每一條腿確實獨立於大腦，尤其是在織網這種複雜的任務中。
我們的研究表示，蜘蛛的腿有它們“自己的思維”，在織網時不需要大腦的監督，這對機器人領域有著重要的意義，科學家們或許能從這個分散智能的例子中得到啟示，從而發明具有類似自主性的機器人四肢。
為了得出結論，我們觀察了一種常見的花園蜘蛛——十字園蛛（Araneus diadematus）。這是一種大家都十分熟悉的生物，它既存在於我們的後院裏，又是兒童讀物《夏洛的網》中的女主角。
蛛網工程師
蜘蛛網具有很多功能。它們為蜘蛛提供了一個安全的家，但眾所周知，它們也是一個看不見的、高度靈活的陷阱，能捕捉並牢牢抓住任何一隻離蛛網太近的昆蟲。
為了實現這個功能，蜘蛛網利用一個堅固的放射狀支架，其頂部有一個被稱為“捕獲螺旋”的結構，它柔軟而具有粘性，並能用一種極其機敏的微觀紡絲機製來吸引蜘蛛的獵物。
這種捕獲螺旋不僅能利用靜電荷來捕捉昆蟲，它還能利用一種複雜的膠水緊緊地抓住昆蟲，膠水還具有的一種特殊彈性，能讓蜘蛛網極富伸展性，使得那些不幸落入陷阱的昆蟲無法掙脫、難以重獲自由。
互聯網便是一個很好的類比，因為蜘蛛網上至少利用了五種不同的蛛絲，它們之間交叉和連接的方式創造了一種信息過濾能力，就像蜘蛛善於感知的腿隨時都能注意到任何微小的振動。
蜘蛛網圖
鑒於蜘蛛網的精巧複雜性，我們必須要問，一個如此小的動物，它明顯隻有一個很小的大腦，是如何設計並建造出這種高級結構的。現代科技幫助我們開始理解蜘蛛是如何完成這樣複雜的任務的。
通過錄像和追蹤它八條腿的移動，我們能夠精確細致地追蹤蜘蛛的織網活動，發現這個建造過程像一支精心編排舞蹈，它圍繞著一個樞紐中心，遵循著可複製的規則。


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這些規則非常簡單。每一個步驟和蛛絲的掌控都遵循著一種固定的行為模式，蜘蛛的一條腿會測量角度和距離用來放置另一條蛛絲，然後快速地在蛛絲上塗上膠水，這個過程中精度和間距的控製通常是無可挑剔的。許多年前，我們編寫了一個虛擬的蜘蛛，名叫Theseus，以演示蜘蛛是如何工作的。
蛛網結構的表麵複雜性是由數千次小步驟和動作組成的長序列的結果，每一次行動都建立在前一個步驟和動作的基礎之上。這種迭代過程為蛛網注入了一種突變屬性，這種特殊屬性是不同組分共同工作的結果，能提供一種卓越的建築和工程功能。
業務外包
蜘蛛織網時，手頭（或者說是腳）任務的複雜性似乎需要蜘蛛的大腦把這項工作外包給它的八條腿。換句話說，蜘蛛腿半自主地進行織網活動，八條肢幹在局部的、封閉的反饋回路中表演舞蹈。
這是我們在實驗室內研究蜘蛛在框架內織網後發現的規律。在一些實驗中，我們切斷了一些已經織好的蛛絲網。在另外的試驗中，我們像摩天輪運動一樣旋轉蜘蛛網。進行這項探究不是為了惹怒蜘蛛，而是為了幫助我們了解支配蜘蛛織網活動的規則。
隨著一套規則的製定，包括如何幫助蜘蛛繼續織一個已經被擾亂過的網，我們把這些規則教給了虛擬蜘蛛Theseus。


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基於我們在實驗室觀察到的真實蜘蛛的舞蹈，我們教給Theseus的新規則表明，每一條腿實際上都以一個獨立代理人的身份進行著許多織網動作。這個發現反過來幫我們解開了為什麽蜘蛛在缺失一條腿後仍然能織出完美的網的謎題。
當蜘蛛的一條腿被困住時，它就會被拋棄，等到蜘蛛再次蛻去它的外骨骼時，一條短一點的腿便會重新長出來。這個新肢不僅隻有正常腿的一半大小，而且形狀也不一樣，有不同的翅毛和傳感器。然而，不知何故，擁有再生腿的蜘蛛仍然能繼續編織完美的網。
在進化的過程中，蜘蛛腿在一定程度上能獨立思考，這意味著再生腿的不同特性並不會影響其織網活動。
這使得大腦從對八條腿執行複雜活動的微觀管理中得到釋放，可以專注於像尋找捕食者這樣的生存活動中。這種高效、分散的係統與現代機器人專家非常相關，因為他們的人工設計常常受到自然世界的啟發。
實際上，蜘蛛不是唯一能分散大腦任務的動物，大部分動物在一定程度上都擁有這種能力，比如人類的心髒能連續地跳動。但通過蜘蛛結的網，它們為我們提供了一種具體的、可觀察的、迷人的方法，來衡量和理解這種去中心化是如何運作的。
蜘蛛這種巧妙的技巧在於它將簡單任務的計算嵌入了其四肢結構之中。機器人專家把這稱為形態計算，而且是直到最近才發現它的能力。事實證明，這種不起眼的花園蜘蛛早在1億年前就能出色地使用這種能力了。
撰文：Fritz Vollrath
翻譯：黃子鬱
審校：殷姝雅
引進來源：theconversation
引進鏈接：https://theconversation.com/spider-legs-build-webs-without-the-brains-help-providing-a-model-for-future-robot-limbs-153561
本文來自：環球科學


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