机器人为鳗鱼运动的惊人稳健性提供了线索

在洛桑联邦理工学院开发的两栖机器人中测试的神经回路模型展示了多感觉反馈如何使鳗鱼即使在脊髓受伤后也能游泳，同时也为脊椎动物从水生到陆地的进化转变提供了新的见解。

　　

像鳗鱼和七鳃鳃鳗这样的细长鱼类是非凡的运动能手。鳗鱼不仅在游泳时表现出非凡的运动能力，而且在不平坦的地面上爬行时也能游动。即使在控制运动的脊髓部分受损（大多数脊椎动物的脊髓受损会导致瘫痪）后，它们也能游动。然而，这些不可思议的能力背后的神经机制长期以来一直是个谜。

先前的研究表明，皮肤压力和肌肉拉伸的感觉会调节被称为中枢模式发生器（CPG）的神经网络的活动。CPG 分布在脊髓中，被认为控制着这些波动性物种的适应性运动。但由于研究活体动物的多重感觉反馈存在技术难度，这些理论尚未得到充分探索。

现在，一个由来自洛桑联邦理工学院工程学院、日本东北大学和加拿大渥渥太华大学的研究人员组成的团队在《美国国家科学院院刊》上发表了一个神经回路的数学模型，该模型整合了拉伸和压力感知，用于控制鳗鱼及其近亲的运动。具体来说，研究人员在他们的模型中假设每个身体部位都有一个类似CPG的神经回路，该回路产生有节奏的运动模式，并由拉伸和压力感知反馈自主调节。

随后，研究人员利用该模型进行计算机模拟，并使用洛桑联邦理工学院（EPFL）仿生机器人实验室开发的两栖鳗鱼机器人进行实验。在水下实验中，科学家们证实，他们的模型能够快速生成稳定的游泳模式，而拉伸反馈对于这种快速稳定至关重要。值得注意的是，与游泳相关的神经回路也使机器人能够在陆地上爬行并绕过障碍物，而拉伸反馈对于推动障碍物产生向前推力也至关重要。

“游泳神经回路也能支持陆地运动，这一发现表明，脊椎动物从水生到陆地的进化过渡可能并不需要开发全新的神经回路，”仿生机器人实验室负责人奥克·伊斯佩特（Auke Ijspeert）说道。“相反，现有的水生神经回路可以被重新利用——这一原理有助于我们理解运动控制的进化起源。”

打造更具弹性的机器人

研究团队还利用机器人和模拟系统，探究了鳗鱼在脊髓断裂后仍能游动的可能机制——脊髓断裂会导致大多数脊椎动物瘫痪。他们的研究结果表明，如果遍布全身的神经回路具备一定程度的自发节律生成能力，那么这种能力可以与拉伸和压力反馈相结合，使模拟鱼和机器鱼在脊髓断裂部位前后都能产生协调一致的游动动作。

研究人员表示，除了提供有关动物运动控制进化和机制的新信息外，他们的研究成果还可以用于开发能够抵御物理损伤、能够在灾难现场等不可预测的环境中稳健移动的机器人。特别是，集成多传感器反馈的控制方法可以帮助研究人员开发出能够在水下和不平坦地形上同样轻松移动的机器人。

Ijspeert 补充道，对脊髓损伤后运动功能的深入了解不仅具有生物学意义，而且还可以为设计不依赖大脑控制的分散式运动控制系统提供原则：“如果我们能够理解生物学如何利用身体感官（没有大脑）控制复杂的运动，我们也许能够利用这些信息更好地控制自主机器。”