研究人员发现如何预测各种形状 大小和速度的动物的运动

西弗吉尼亚大学的机械工程师开发了一种方法来预测控制任何体型、任何速度的动物运动的神经元和肌肉模式。

西弗吉尼亚大学本杰明·斯塔特勒工程与矿产资源学院助理教授尼古拉斯·什切辛斯基(NicholasSzczecinski)的这一发现将帮助机器人专家建立精确再现每个物种肢体运动的动物工作模型。机器人不仅可以在一些实验中取代活体动物，而且跳蚤等小型动物或大象等大型动物也可以以机器人形式以更易于管理的规模进行复制以供研究。

“我是一名工程师，但这是一项生物学工作，考虑到生命的所有多样性，”什切青斯基说。“每种动物都会做一些特别的事情。当我们尝试将一种毫米级的生物与另一种米级的生物进行比较时，了解这一点非常酷。”

什切青斯基和他的合作者创建的模型的工作原理是测量动物的肢体从静止位置移动多远以及移动所需的能量，这些参数涉及肢体的大小、重量和速度。该测量预测肢体将如何响应重力、惯性、弹性和粘度这四种相互交织的力。

什切青斯基解释说：“有些动物体型很小，它们的质量并不那么重要，而另一些动物则很慢，它们的加速度太低，无法产生太大影响。”“例如，当你做瑜伽时，你通常不会加速太多，因此惯性力不会对你产生太大影响。相反，你的身体移动方式主要是重力之间的相互作用，试图将你的四肢拉下来以及你肌肉的弹性，试图让一切保持紧绷和到位。”

这项研究使学生们自己的努力受益匪浅。

“在我的实验室，本科生、研究生和博士后研究人员正在设计机器人、操作机器人并收集数据，”什切青斯基说。“他们提出了调试硬件和软件的新颖解决方案。”

克拉鲁斯·戈德史密斯(ClarusGoldsmith)是来自俄亥俄州哥伦布市的机械工程博士研究生，来到西弗吉尼亚大学什切青斯基的神经机械智能实验室工作。戈德史密斯将什切青斯基的“受生物学启发的机器人技术”应用到了Drosophibot的设计中，该机器人的大小与猫差不多，但移动起来像果蝇。当果蝇行走时，它会像果蝇一样感受到力量。

“果蝇是神经科学家的重要动物模型，”戈德史密斯说，“但由于果蝇体型较小，仍有一些实验难以在果蝇上进行。Drosophibot使我们能够在果蝇上进行生物学实验。机器人并获取可用于提供有关该动物的假设的数据。”

对于什切青斯基的研究，如果动物的运动符合所做的两个主要假设，他就可以预测所涉及的神经元和肌肉活动，并将其与其他动物进行比较。

“第一个假设是所讨论的运动涉及来回运动，”他说。“另一个假设是，运动涉及‘加载’和‘卸载’阶段，例如当你的脚放在地面上时，然后当它自由摆动时。除了行走之外，很多事情都是这样，所以我们可以将其应用于鸟或昆虫拍动翅膀，甚至蜗牛收缩和释放其进食的肌肉。”

虽然现有的模型只能促进大小和速度相似的动物之间的比较，但什切青斯基相信他的模型可以扩展到比较具有不同运动模式(它们如何从一个地方移动到另一个地方)或不同数量的腿的动物。

他说，“将所有事物视为有两条腿”的决定是一个关键的简化，使该模型具有普遍性。

“我们可以进行这种简化，因为当狗或马等四足动物小跑时，它们会非常同步地一次放下两条腿。昆虫有六条腿，有“三脚架步态”，一次放下三条腿。这与用两条腿走路不同，但它们同时用两组腿工作。这让我们可以鸟瞰一下，比如说，一只跑得快的蟑螂是否与一匹跑得快的马相似，因为这些动物之间存在一些真正根本的差异，以前很难对它们进行比较。”

由于哺乳动物的四肢相对较大且较重，因此它们以复杂的方式抵抗弹性力、重力和惯性力。例如，当人类伸手拿起物体时，肌肉会将手臂移向物体并阻止其移动经过物体。但昆虫的运动却完全不同。

“一只行走的昆虫就像《圣诞故事》中的小孩，当他的妈妈给他穿上所有的外套时，他却无法放下手臂，”什切青斯基说。“这就是昆虫骨骼的工作原理。如果你在地上发现一只死去的昆虫，它的腿是直立的，而不是在重力作用下翻到一边。弹性随大小变化与质量随大小变化的结果是这项研究的核心。”

什切青斯基说，他和他的合作者渴望应用他的模型来帮助构建研究人员感兴趣的动物机器人版本。

“由于机制匹配，我们可以利用在机器人中看到的东西来告诉我们它所基于的动物，而不需要在活体动物上进行实验。我们不必将动物拆开来理解它。我们可以建造一份副本将告诉我们是否真正了解这场运动是如何发生的，或者是否有我们遗漏的东西。”