Пауки строят паутину без помощи мозга — модель для будущих роботизированных конечностей

Исследование показало, что каждая из восьми ног паука обладает определённой степенью автономии от мозга, особенно в сложной задаче строительства паутины. Ноги паука имеют «собственный разум» и создают сети без контроля со стороны центрального мозга.

Инженеры паутины

Паутина выполняет множество функций: это и безопасный дом, и динамичная ловушка. Она состоит из прочного каркаса из радиальных спиц и построенной на нём «ловчей спирали», которая мягкая, липкая и использует микроскопический механизм подтягивания для захвата добычи. Спираль использует электростатические заряды, сложный клей и специфическую эластичность.

В паутине используется как минимум пять различных видов шёлка, а их пересечение создаёт способность фильтрации информации — крошечные вибрации постоянно улавливаются ногами паука.

Как строится паутина?

Наблюдения за обычным крестовиком (Araneus diadematus) с помощью видеосъёмки и отслеживания движений показали, что процесс строительства — это своеобразный танец вокруг центрального узла с точной хореографией повторяемых правил.

Правила удивительно просты. Каждый шаг и манипуляция нитью следует фиксированному шаблону действий: одна из ног паука измеряет угол и расстояние, чтобы разместить и соединить одну нить с другой с помощью капли клея — всегда с безупречной точностью и интервалами.

Видимая сложность структуры является результатом длинной последовательности тысяч небольших шагов и действий, каждое из которых основывается на предыдущих. Этот итеративный процесс наделяет сеть «эмерджентными свойствами» — особыми свойствами, которые проявляются в результате совместной работы различных компонентов.

Аутсорсинг задач

Сложность задачи строительства, по-видимому, заставила мозг паука передать работу восьми ногам. Другими словами, ноги паука строят паутину полуавтономно — восемь «фантомных» конечностей выполняют свой танец в рамках локальных замкнутых обратных связей.

Это открытие было сделано после изучения пауков, строящих паутину в рамках в лаборатории. В некоторых экспериментах исследователи вырезали нити строящейся паутины, в других — вращали её, как колесо обозрения. Это позволило выявить правила, управляющие строительством.

На основе установленных правил (включая те, что помогают паукам продолжать строительство нарушенной паутины) была обучена виртуальная модель паука по имени Тесей.

Новые правила, заложенные в Тесея, показали, что каждая нога действительно выполняет многие действия по строительству паутины как независимый агент. Это также помогло решить загадку того, как пауки строят идеальные сети после потери ноги.

Когда нога паука оказывается в ловушке, она отбрасывается, а при следующей линьке экзоскелета регенерирует более короткая нога. Эта замена не только вдвое меньше нормальной ноги, но и имеет другую форму, с разными волосками и сенсорами. Тем не менее, пауки с регенерированными ногами продолжают строить идеальную паутину.

Эволюция позаботилась о том, чтобы ноги паука в некотором смысле могли «думать» сами за себя, что означает, что различные свойства регенерированных ног не влияют на строительство паутины.

Это освобождает мозг от необходимости микроменеджмента восьми ног, выполняющих сложные действия, позволяя ему сосредоточиться на задачах выживания, таких как наблюдение за хищниками. Эта эффективная децентрализованная система чрезвычайно актуальна для современных робототехников, которые часто черпают вдохновение в природе.

Пауки не одиноки в децентрализации задач от мозга — большинство животных делают это в той или иной степени (например, непрерывное биение человеческого сердца). Но именно паутина даёт нам конкретное, наблюдаемое средство для измерения и понимания того, как работает эта децентрализация.

Секрет заключается во встраивании простых вычислительных задач в саму структуру конечностей паука. Робототехники называют это морфологическими вычислениями и относительно недавно открыли его силу. Оказывается, скромный садовый паук использует этот принцип уже более 100 миллионов лет.