01/02/2024
Door Ad Spijkers
Een nieuw universeel model voorspelt bewegingen van dieren, zodat proeven met levende exemplaren niet meer nodig zijn.
Onderzoekers van West Virginia University in Morgantown (130 km zuidelijk van Pittsburgh) hebben een manier ontwikkeld om de neuronen- en spierpatronen te voorspellen die de voortbeweging regelen van dieren van elke grootte en met elke snelheid. Dit zal robotici helpen werkmodellen van dieren te bouwen die de ledemaatbewegingen van elke soort nauwkeurig reproduceren. Niet alleen zouden robots in sommige experimenten dan levende dieren kunnen vervangen. Kleine dieren (zoals vlooien) of grote dieren (zoals olifanten) zouden in robotvorm op een beter beheersbare schaal kunnen worden gerepliceerd voor onderzoek.
Parameters
De robot is gebouwd door ingenieurs, maar het is een biologisch project dat rekening houdt met de diversiteit van het leven. Elk dier doet iets bijzonders. Het was interessant daarover te leren; de onderzoekers proberen het ene wezen in de orde van 1 mm te vergelijken met een ander in de grootteorde van 1 m.
Het model werkt door te meten hoe ver het ledemaat van een dier vanuit zijn rustpositie beweegt en vergeleken met de energie die nodig is om het te bewegen. Ze meten de parameters die betrekking hebben op de grootte, het gewicht en de snelheid van het ledemaat. Die maat voorspelt hoe het ledemaat zal reageren op de vier met elkaar verweven krachten: zwaartekracht, traagheid, elasticiteit en viscositeit.
Afmetingen
Sommige dieren zijn zo klein dat hun massa er niet zo veel toe doet. Andere zijn zo langzaam dat hun versnelling te laag is om veel impact te hebben. Een van de medewerkers paste de biologisch geïnspireerde robot toe op het ontwerp van Drosophibot, een robot die ongeveer zo groot is als een kat, maar beweegt als een fruitvlieg. Wanneer Drosophibot loopt, ervaart hij krachten op dezelfde manier als een fruitvlieg.
Dit insect is een belangrijk diermodel voor neurowetenschappers. Maar er zijn nog steeds enkele experimenten die wegens hun kleine formaat moeilijk tot onmogelijk zijn uit te voeren op fruitvliegjes. Met de Drosophibot kunnen de onderzoekers biologisch geïnformeerde experimenten met de robot uitvoeren en data verkrijgen die kunnen worden gebruikt om hypothesen over het dier te onderbouwen.
Modellering
Door het onderzoek kunnen de onderzoekers de beweging van een dier de betrokken spier- en neuronale activiteit voorspellen en deze vergelijken met andere dieren. Daarbij gelden twee belangrijke aannames. De eerste is dat de beweging in kwestie een heen-en-weerbeweging met zich meebrengt. De tweede is dat de beweging 'belaste' en 'onbelaste' fasen omvat, bijvoorbeeld wanneer een voet op de grond staat en vervolgens vrij rondzwaait. Behalve op lopen is dat toe te passen op een vogel of insect dat met zijn vleugels klapt, zelfs op een slak die zijn voedingsspieren samentrekt en loslaat.
Bestaande modellen hebben vergelijkingen tussen dieren van vergelijkbare grootte en snelheid mogelijk gemaakt. Volgens de onderzoekers kan hun model worden uitgebreid om dieren met verschillende voortbewegingsmodi of met een verschillend aantal poten te vergelijken.
Universeel model
De beslissing om 'alles te behandelen alsof het twee benen heeft' is een belangrijke vereenvoudiging die de universaliteit van het model mogelijk maakte. De onderzoekers zouden de vereenvoudiging kunnen doorvoeren. Wanneer vierpotige dieren zoals honden of paarden draven, zetten ze vrijwel synchroon twee poten tegelijk neer. Insecten met zes poten hebben een 'statiefgang', waarbij ze drie poten tegelijk neerleggen. Het is niet hetzelfde als lopen op twee benen, maar ze werken met twee paar benen tegelijk.
Dit gaf de wetenschappers een overzicht in vogelvlucht van de vraag of bijvoorbeeld een snel rennende kakkerlak ooit vergelijkbaar is met een snel rennend paard. Er bestaat een aantal fundamentele verschillen tussen deze dieren die het voorheen moeilijk maakten om ze te vergelijken. Omdat de ledematen van zoogdieren relatief groot en zwaar zijn, werken ze op complexe manieren tegen de krachten van elasticiteit, zwaartekracht en traagheid. Maar de beweging van insecten is compleet anders.
Robotisering
De onderzoekers willen hun model graag toepassen om robotversies te helpen bouwen van dieren die interessant zijn voor onderzoekers. Omdat de mechanismen overeenkomen, kunnen ze hetgeen ze in een robot zien, gebruiken om iets te vertellen over het dier waarop de robot is gebaseerd. Daarvoor zijn geen experimenten met levende dieren nodig. Onderzoekers hoeven een dier niet uit elkaar te halen om het te begrijpen. Ze kunnen een kopie maken die vertelt of we echt begrijpen hoe de beweging plaatsvindt, of dat er dingen zijn die ze missen.
Foto: WVU/Savanna Leech