游泳机器人可以帮助我们了解脊髓损伤后的运动情况

EPFL工程学院的仿生机器人实验室(BioRob)的科学家们正在开发创新产品机器人为了研究动物的运动，并最终更好地理解神经科学背后的一代运动。其中一个机器人是AgnathaX，它是一种游泳机器人，与来自EPFL和日本东北大学的研究人员、法国南特Mines-Télécom Atlantique研究所和加拿大Université de Sherbrooke研究所的研究人员一起在国际研究中使用。

BioRob的负责人Auke Ijspeert教授说:“我们设计这个机器人的目的是研究神经系统如何处理感觉信息，从而产生某种特定的动作。”“这种机制很难在活体中研究，因为中枢神经系统和外周神经系统的不同组成部分在体内是高度相连的脊髓．这使得我们很难理解它们的动态以及它们对彼此的影响。”

AgnathaX是一种长而波动的游泳机器人，旨在模仿七鳃鳗，这是一种原始的鳗鱼状鱼。它包含一系列马达，驱动机器人的十个部分，这些部分复制七鳃鳗身体上的肌肉。机器人的各个部分也有横向分布的力传感器，其工作原理类似七鳃鳗皮肤上的压力敏感细胞，可以检测水对动物的力量。

资料来源:洛桑联邦理工学院

研究小组用他们的机器人运行数学模型来模拟神经系统的不同组成部分，从而更好地理解其复杂的动力学。“我们让AgnathaX在配备了运动跟踪系统的游泳池里游泳，这样我们就可以测量机器人的运动，”BioRob的博士生劳拉·佩兹(Laura Paez)说。“当它游泳时，我们有选择地激活和关闭每个神经节段的中枢和外周神经系统的输入和输出，这样我们就可以测试有关神经科学的假设。”

科学家们发现，中枢和外周神经系统都有助于产生强健的运动。这两个系统协同工作的好处在于，它可以增强神经系统的弹性，防止神经系统中断，比如身体各部分之间的通信失败或无声的感知机制。该研究的合著者卡米洛•梅洛(Kamilo Melo)表示:“换句话说，与只有一种组件的机器人相比，通过结合使用中心和外围组件，机器人可以抵御更多的神经干扰，并保持高速游泳。”“我们还发现，机器人皮肤上的力传感器，以及机器人身体与水的物理互动，为产生和同步运动所需的有节奏的肌肉活动提供了有用的信号。”因此，当科学家切断机器人不同部分之间的通信以模拟脊髓损伤时，压力传感器测量推到机器人身体上的水的压力的信号足以维持机器人的波动运动。

这些发现可以用来设计更有效的游泳机器人，用于搜索和救援任务以及环境监测。例如，科学家们开发的控制器和力传感器可以帮助这些机器人在水流中导航扰动更能抵御技术部件的损坏。这项研究在神经科学领域也有分支。它证实了外围机制提供了一个重要的功能，而这个功能可能被众所周知的中心机制所掩盖。这项研究的合著者Robin Thandiackal说:“这些外围机制可能在脊髓损伤后的运动功能恢复中发挥重要作用，因为原则上，不需要脊髓不同部分之间的连接来维持人体的行波。”“这可以解释为什么一些脊椎动物在脊髓损伤后仍能保持运动能力。”

脊椎动物的运动是通过一种复杂的机制发生的，包括中枢神经系统(即大脑和脊髓)和外周神经系统(即连接肌肉和感觉神经元的神经)。从20世纪初开始，神经科学领域就有一个长期存在的争论，那就是关于运动所必需的神经节律是如何产生和同步的。一些研究者，如查尔斯·斯科特·谢林顿，提出节律主要是由感官反馈信号产生的——或者换句话说，是由外围机制产生的。在这种观点下，一个鳍或肢体会向一个方向移动，直到它触发一个感官信号，告诉它向另一个方向移动。像托马斯·格雷厄姆·布朗(Thomas Graham Brown)这样的其他研究人员提出，节律是由中枢神经系统中的特定振荡回路产生的。从那以后，随着发现脊髓中的神经回路可以产生协调的节律，中枢机制和外周机制之间的争论已经强烈地转向支持中枢机制。

这项研究表明，这两种神经系统都很重要，它们都能产生游泳动作，当它们结合在一起时，会产生比单独运动更有力的运动。