你见过海星移动吗?对我们许多人来说，海星似乎一动不动，就像海底的一块岩石，但实际上，它们的腹部有数百只管状的脚。这些脚伸展和收缩附着在粗糙的地形上，抓住猎物，当然，移动。
海星上的任何一只管脚都可以自主地对刺激做出反应，但如果把它们结合在一起，它们可以同步自己的动作，产生一个跳跃的动作——这就是它们跑步的方式。多年来，研究人员一直想知道海星是如何实现这种同步的，因为它没有大脑，而且是一个完全去中心化的神经系统。
答案来自南加州大学维特比工程学院的研究人员，今天发表在《英国皇家学会界面杂志》上:海星通过“支配手臂”发出的全球方向性指令，以及个体对刺激的局部反应来实现协调运动。换句话说，一旦海星提供了移动方向的指令，每只脚就会自己找到如何移动的方法，而无需进一步的交流。
包括南加州大学维特比航空航天与机械工程系的伊娃·坎索教授和南加州大学维特比博士研究生西娜·海达里在内的研究人员，以及加州大学欧文分校生态学和进化生物学副教授马特·麦克亨利也加入了他们的研究。鲍登学院(Bowdoin College)海洋生物学教授艾米·约翰逊(Amy Johnson);以及鲍登学院(Bowdoin College)生物学和数学副研究员奥拉夫·埃勒斯(Olaf Ellers)。
这项工作建立在现有的行为层次模型的基础上，但进一步解释了海星移动在本地与全球发生的比例。
“神经系统不会在同一时间处理同一地点的所有事情，而是依赖于‘海星’有能力并将会解决的想法，”Kanso说，他是工程系的aZohrab A. Kaprielian研究员。“如果一只脚抵着地面，其他的脚就会感受到压力。这种机械耦合是一个管足与另一个管足共享信息的唯一方式。”
第三种运动模式
海星的神经系统的特征是嘴周围有一个神经环，通过桡神经与每只手臂相连。每只管足的肌肉都受到连接到桡神经和环神经的神经元的刺激。
爬行时，所有的脚都朝着同一个方向走，但它们的运动并不同步。然而，当实现跳跃步态时，海星似乎把几十英尺的距离协调成两三个同步的组。Kanso领导的研究小组研究了这两种运动模式，以及它们之间的过渡。结果是一个模型，它描述了海星的运动在多大程度上是由管脚水平的局部感觉-运动响应决定的，而不是由全局感觉-运动指令决定的。
在动物世界里，行为通常由两种流行的运动模式中的一种来描述;昆虫飞行等行为是感觉反馈通过一个中央处理系统传递的结果，这个系统发送一个信息来激活一个反应，或者是完全分散的结果，个体对感觉信息的反应，比如鱼群或蚁群。
这两个模型似乎都不能描述海星的运动。
“以海星为例，神经系统似乎依赖于身体和环境之间相互作用的物理学来控制运动。所有的管脚在结构上都与海星相连，因此彼此相连。”
通过这种方式，有一个“信息”在管脚之间进行机械通信的机制。一个单独的管足只需要感知它自己的状态(本体感觉)并做出相应的反应。由于它的状态是机械耦合到其他管脚，他们共同工作。当管脚开始移动时，每一个都产生一种单独的力，成为感觉环境的一部分。通过这种方式，每个管脚也会对其他管脚产生的力做出反应，最终，它们彼此建立起一种节奏。
这类似于其他的机械模型的协调。例如，拿一套机械节拍器来说，它是一种帮助音乐家保持节奏或时间的装置。你可以在所有不同的阶段开始一组10个，把它们放在同一个平面上。随着时间的推移，它们将同步。起作用的是与海星看到的机械耦合效应;每个节拍器都与其他节拍器创造的节拍相互作用，因此，它们与其他节拍器进行有效的“交流”，直到它们开始以完全的节奏和同步性打拍子。
海星行为如何帮助我们设计更高效的机器人系统
了解一个分布式的神经系统，比如海星，是如何实现复杂的、协调的运动的，可能会导致机器人等领域的进步。在机器人系统中，为机器人编写执行重复任务的程序相对简单。然而，在需要定制的更复杂的情况下，机器人会面临困难。如何设计机器人，使它们能在更复杂的问题或环境中发挥同样的作用?
Kanso说，答案可能在于海星模型。“以海星为例，我们可以设计控制器，这样学习就可以分层进行。决策和与全球权威机构的沟通都有分散的部分。这对于设计具有多个执行器的系统的控制算法是有用的，我们将大量的控制委托给系统的物理特性——机械耦合——而不是中央控制器的输入或干预。”
接下来，Kanso和她的团队将首先研究全局方向性命令是如何产生的，以及如果存在竞争刺激会发生什么。
