20/Sep/04

Insectos y ciencia: robot que simula una cucaracha enseña a caminar a los robots

TEMAS: Biología, Zoología, Entomología, Insectos, Robótica

BERKELEY - Un robot cucaracha llamado RHex es el punto de partida para un proyecto de gran magnitud que busca entender el rasgo más distintivo de los animales: cómo es que se mueven sin tropezarse.

La NSF (de sus siglas en ingles para National Science Fundation: Fundación Nacional de Ciencias) ha anunciado hoy (Jueves 16 de Septiembre) una donación de 5 millones de dólares en un plazo de 5 años, a la Universidad de California, en Berkeley, que permitirá financiar un "equipo de las estrellas" de biólogos, ingenieros y matemáticos de universidades de todas partes del país, que intentarán entender las bases mecánicas y neurológicas de la locomoción. Tal donación es sólo una sexta parte en total de los casi 30 millones de dólares que forman el programa Fronteras de la Investigación Biológica Integrativa, o FIBR (de: Frontiers in Integrative Biological Reserch), que promueve la investigación integrativa que se concentra en tratar de dilucidar los interrogantes más importantes que existen hoy en las ciencias biológicas.

"El movimiento es la firma de la vida", dice Robert Full, que es profesor de biología integrativa en la UC Berkeley, y líder del grupo. "Pero todavía no existe ni un sólo modelo a nivel de sistemas, partiendo desde las neuronas hacia los músculos, al esqueleto, hasta el cuerpo completo, que pueda explicar el control que hace que el movimiento sea posible. ¿Teniendo tantos nervios y tantos músculos cómo puede ser posible que podamos siquiera movernos hacia delante?".

Investigadores de la UC, de la Universidad de Michigan, de la Princeton, de la Cornell y de la del estado de Montana, se concentrarán en RHex, un pequeño robotito de seis piernas que corretea como una cucaracha, tomándolo como un modelo de trabajo en los principios que están tratando de revelar. Por medio de ajustes hechos al robot al que luego se toma como modelo físico, se espera desenmarañar las complejas redes neuronales y musculares de los insectos.

Al mismo tiempo, conducirán experimentos biomecánicos y neurológicos sobre insectos, diseñados para desarrollar modelos matemáticos que permitan mejorar el robot. Esta estrategia simultanea les permitirá descubrir los controles neurales y musculares y los lazos de realimentación que llevan a los notablemente similares patrones de movimiento de cuerpo completo en animales tan diversos como cangrejos, cucarachas, lagartos, perros y humanos.

"El robot tiene que operar en el mundo real, tal como un animal lo hace, por eso podemos usarlo para probar en él nuestras hipótesis", dice Full. "Sabemos que, por ejemplo, el centro de masa del cuerpo se balancea de lado a lado, igual que si un 'palo de saltar' estuviera sosteniendo el cuerpo, pero lo que no sabemos es como sus partes, sus piernas, pies, actuadores o músculos, se adicionan para proveer ese patrón general de movimiento tan notable".

"Podemos preguntar cosas tales como: ¿Qué pasaría si tuviera una pierna más obediente? ¿Y si tuviera dos articulaciones en tal o cual pierna, que es lo que nos da esto comparado con una sola articulación? Podríamos empezar a ponerle músculos artificiales. Por supuesto, eso lo haría un mejor robot, pero no es la meta de este programa".

Full ha estudiado la locomoción animal por 30 años, proporcionando un importante entendimiento sobre tema, no sólo a los biólogos, sino también a los ingenieros quienes han diseñado robots, tales como el RHex, que imitan los movimientos de los animales. RHex fue construido por colaboradores de Full en la Universidad de Michigan, liderados por Daniel Koditschek, profesor de energía eléctrica y computación científica. Además, Full ha contribuido también con otros robots: Ariel quien camina como un cangrejo y fue diseñado para operar en la zona de los rompientes del mar y a enderezarse sólo si es que se lo daba vuelta; Mecho-Gecko, quien puede subir por las paredes; y el construido en Stanford: Sprawlita, quien puede saltar trechos de hasta cinco veces su tamaño, gracias a los pistones que impulsan sus seis piernas.

Pero, admite él, que un biólogo y un ingeniero sólo podrán avanzar hasta allí en su entendimiento sin la ayuda de los matemáticos y especialistas en dinámica quienes puedan crear modelos que puedan ser probados en animales y robots. Full ha acuñado la frase "Biología Neuromecánica de Sistemas" para este método multidisciplinario, el cual integra datos entre modelos matemáticos, simulaciones numéricas, modelos de robots y experimentos biológicos.

El equipo que él ha convocado representa lo mejor en estas áreas. A pesar de que Full ya ha hecho correr a cucarachas, cangrejos, lagartijas y a otros animales en ruedas, por entre gelatina y por sobre terrenos complejos, para entender su estabilidad, igualmente él está deseoso juntarse con un neurofisiólogo experimental quien sea capaz de interpretar el código neural de los insectos. John Miller, un profesor de biología celular y neurociencia, y director del Centro de Biología Computacional en la universidad de Montana, en Bozeman, espera ser capaz de rescribir tal código mientras mide el movimiento, las fuerzas y las señales neuromusculares. Ellos trabajarán conjuntamente con dos matemáticos, el profesor Philip Holmes, de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, y John Guckenheimer, profesor de matemática y mecánica teórica y aplicada en Cornell, quienes analizaran los datos obtenidos para intentar producir modelos matemáticos. Estos modelos proveerán, a su debido tiempo, de realimentación a la cucaracha robótica de Koditschek, que luego va a servir para realizar experimentos controlados ya que es más fácil de manipular que los animales verdaderos, pero que es igual de capaz para enfrentar desafíos realistas.

"Este robot, el más movible que ha sido construido basándose en los principios fundamentales que conocemos sobre animales, va a ayudarnos a acercarnos a uno de los grandes desafíos en la biología: como es que éstos se mueven", dijo Full.

El programa FIBR de la NSF impulsa a los investigadores a identificar áreas inexploradas o preguntas no respondidas en la biología y a usar métodos innovadores para tratar de resolverlas, por medio de la integración de conceptos científicos y herramientas de investigación que provienen de varias disciplinas, tales como: biología, matemática y las ciencias físicas, ingeniería, ciencias sociales y las ciencias de la información. Entre otros proyectos financiados por el NSF este año está el BeeSpace, un entorno interactivo que permite estudiar el comportamiento social de las abejas de la miel, también hay un proyecto que examinará como es que las especies pueden vivir juntas, pueden evolucionar juntas, y otro que examina como el clima afecta la variación genética y la evolución.

"FIBR es uno de los principales, y revolucionarios programas de biología en la NSF", dice Mary Clutter, jefe del directorio de ciencias biológicas en la NSF. "Con la aplicación de métodos innovadores y ampliamente integrativos a la investigación en biología, los proyectos del FIBR afrontan los grandes desafíos y promueven el entrenamiento de una nueva y audaz generación de científicos deseosos de ser capaces de hacer puentes por sobre las habituales fronteras interdisciplinarias".

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