Estrelas-do-mar: pés tubulares e controle descentralizado que inspiram a robótica

À primeira vista, as estrelas-do-mar parecem tranquilas e até simplórias - mas a forma como se deslocam é bem mais elaborada do que aparenta. Em vez de depender de um cérebro centralizado para comandar a locomoção, elas sincronizam centenas de minúsculos pés tubulares.

Cada pé, por conta própria, fixa-se, puxa e se solta enquanto o animal avança sobre superfícies irregulares. É um processo lento, mas surpreendentemente eficaz.

Para investigadores do Laboratório Kanso de Movimento Bioinspirado, na USC, esse trabalho coletivo “sem cérebro” é justamente o que torna as estrelas-do-mar tão valiosas como inspiração para a robótica.

Num novo artigo científico, a equipa descreve como as estrelas-do-mar conseguem coordenar o movimento por meio de decisões locais, tomadas ao nível de cada pé tubular.

Pés que respondem ao que sentem

A lógica central é direta: cada pé tubular ajusta a aderência conforme a deformação mecânica local - isto é, quanta força está a sofrer naquele ponto. Em vez de aguardar instruções de cima, o pé reage ao que acontece exatamente onde está.

Para pôr essa hipótese à prova, a equipa trabalhou com colaboradores da UC Irvine e da Universidade de Mons, na Bélgica.

Os investigadores criaram uma “mochila” impressa em 3D para uma estrela-do-mar e, depois, alternaram entre adicionar e retirar carga para modificar o peso do animal.

“Em conjunto com o professor associado Sylvain Gabriele e a estudante de pós-graduação Amandine Deridoux, do Laboratório SYMBIOSE, concebemos uma ‘mochila’ especial impressa em 3D para a estrela-do-mar”, afirmou Eva Kanso, diretora do Laboratório Kanso.

“Ao carregar e descarregar a mochila, conseguimos observar e medir como cada pé tubular respondia ao peso adicional.”

O que observaram foi que os pés não esperavam qualquer sinal global: cada um reagia de forma independente.

“Desde o início, formulámos a hipótese de que as estrelas-do-mar recorrem a uma estratégia de controlo hierárquica e distribuída, na qual cada pé tubular toma decisões locais sobre quando aderir e quando se desprender da superfície com base em sinais mecânicos locais, em vez de ser dirigido por um controlador central”, disse Kanso.

Regras simples, coordenação do corpo inteiro

Na USC, a equipa desenvolveu um modelo matemático para demonstrar como esse tipo de comportamento local - um “se sentir isto, faça aquilo” - pode, quando ampliado, resultar em locomoção coordenada. Isso acontece porque os pés estão ligados entre si pela própria mecânica do corpo.

“Na USC, desenvolvemos um modelo matemático que mostra como regras simples de controlo local, acopladas pela mecânica do corpo, podem dar origem a uma locomoção coordenada do animal como um todo”, explicou Kanso.

A estrela-do-mar não precisa de um plano mestre: a física do corpo ajuda a conectar muitas decisões pequenas e locais até parecer que há organização.

“Também realizámos experiências em que virámos a estrela-do-mar de barriga para cima - a morfologia dos pés tubulares permite que ela continue a mover-se”, disse Kanso.

Para um ser humano, ficar invertido pode soar como um alarme geral. Para uma estrela-do-mar, é apenas um novo conjunto de forças a atuar em pés diferentes.

Não existe uma única mensagem nervosa de “pânico” para todo o corpo. Cada pé tubular lida com a sua própria situação.

Movimento eficaz sem cérebro

Há uma vantagem clara nesse sistema: ele é robusto. Se alguns pés tubulares falharem ou perderem contacto, a estrela-do-mar não fica paralisada. Os demais continuam a ajustar-se, porque o controlo é distribuído.

Esse tipo de redundância embutida é precisamente o que se desejaria num robô que pode ser derrubado, ter de transportar carga extra, perder tração ou operar em ambientes em que a comunicação é limitada ou pouco fiável.

Os investigadores defendem que isso é particularmente relevante para robôs moles (soft robots) ou robôs de múltiplos pontos de contacto - máquinas que precisam rastejar, escalar ou agarrar-se em ambientes desorganizados: debaixo de água, em superfícies verticais ou até noutros planetas.

Em cenários assim, depender de um único sinal de “controlo da missão” ou de um controlador perfeitamente sincronizado pode ser arriscado.

No fim, as estrelas-do-mar mostram que é possível trocar velocidade por adaptabilidade e, ainda assim, alcançar um deslocamento surpreendentemente eficaz - mesmo sem um cérebro central a dar as ordens.

“Em conjunto, estas descobertas demonstram que as estrelas-do-mar adaptam a sua locomoção a exigências mecânicas variáveis ao modular as interações entre os pés tubulares e o substrato, revelando uma estratégia robusta de controlo descentralizado num organismo sem cérebro e destacando princípios gerais de controlo distribuído na biologia e na robótica mole”, concluíram os investigadores.