תמנונים כבני-אדם

01.06.2005
פרופ' תמר פלש. דרגות חופש
 
 
החופש לבחור בין אפשרויות פעולה רבות מאוד לא תמיד עושה את החיים לקלים יותר. לדוגמה, אדם שהתרגל לקנות מצרכים בחנות המכולת הקטנה, עלול למצוא את עצמו נבוך, ומתקשה לתפקד, אל מול שפע המוצרים והאפשרויות המוצגים בסופרמרקט עירוני גדול. הבחירה בין אפשרויות רבות מחייבת את המוח להשתמש במשאבים רבים של חישוב ועיבוד נתונים. מחקר של מדענים ממכון ויצמן למדע ומהאוניברסיטה העבריתבירושלים הראה באחרונה, שהתמנון מצא דרך להתמודד עם הסיבוכיות הרבה הכרוכה בחופש התנועה הרב שהעניק לו הטבע. בזרוע של אדם, למשל, יש מעט מיפרקים הקובעים מספר לא גדול יחסית של דרגות חופש שיש לשלוט בהן כדי להשיג תנועה רצויה. התמנון, לעומת זאת, יכול לכופף את זרועו לכל כיוון ובכל מקום לאורך הזרוע, שיכולה גם להתקצר ולהתארך, מה שמסבך את העניין עוד יותר.
 
התכנון, השליטה והבקרה של תנועת זרועבעלת אפשרויות רבות כל כך היא מטלה חישובית מורכבת מאוד. כיצד מצליח התמנון להתגבר על מורכבות זו כדי להניע את זרועו ביעילות? פרופ' תמר פלש, מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, וד"ר בני הוכנר,מהמחלקה לנוירוביולוגיה והמרכז לחישוביות עצבית באוניברסיטה העברית, גילו באחרונה שהתמנון מעדיף אסטרטגיות בקרה שמבטיחות פעולה יעילה, תוך צמצום מספר דרגות החופש הכמעט בלתי-מוגבל של זרועו. במילים אחרות, במקום אפשרויותהתנועה הרבות העומדות לרשותו, מפעיל התמנון מבחר מצומצם של דפוסי תנועה בסיסיים, שכל אחד מהם מתאפיין בכמות קטנה, יחסית, של משתנים (דרגות חופש) שאותם יש לבקר במהלך התנועה. באמצעות שילובים שונים של דפוסי התנועה הללו, התמנון יוצר את כל מיגוון התנועות שהוא נזקק להן: הוא מושיט את זרועותיו אל המטרה באמצעות כיפוף שהוא יוצר בזרוע, שמתקדם במהירות לעבר קצה הזרוע, וכך הוא יוצר תנועה המבוססת על שלוש דרגות חופש בלבד. כך הוא מפשט במידה ניכרת את המטלה החישובית הנדרשת לצורך תכנון והפעלה של תנועת הזרוע, המגיעה אל המטרה בדייקנות ובמהירות. במחקר, שתוצאותיו התפרסמו בעבר בכתב-העת המדעי Science, הראו המדענים שאכן, מוחו המרכזי של התמנון אינו שולט באופן מרכזי על המשימה המורכבת הזאת, ולפיכך הוא מעביר את התכנון, השליטה והבקרה על התנועה לזרועות עצמן. הם גילו, שכל זרוע של התמנון מצוידת במעין "מוח" משלה, המתכנן, מבקר ומוציא לפועל את תנועת הזרוע.
 
במחקר הנוכחי, שבוצע במסגרת עבודת הדוקטורט של ד"ר גרמן סומברה מהמעבדה של ד"ר הוכנר, ותואר במאמר שפירסמו המדענים בכתב העת המדעי Nature, הראו המדענים שכאשר התמנון תופס בזרועו מזון, הוא עושה זאת שוב ושוב באותה תנועה קבועה שחוזרת על עצמה. להפתעתם התברר, שתנועה זו מבוצעת תוך ניצול מספר מצומצם של דרגות חופש, ושהתמנון מעדיף צמצום זה על פני החופש הכמעט בלתי-מוגבל שהעניק לו הטבע. למעשה, מתברר כי תנועה זו של זרוע התמנון המביאה מזון לפיו, דומה מאוד לתנועת הזרוע האנושית. מחקר זה הוא חוליה נוספת בסדרת מחקרים שהחלה לפני 11 שנים, ונועדה לגלות כיצד יכול מוחו (הלא גדול יחסית) של התמנון להתמודד עם תכנון ובקרת מסלולי תנועה של שמונה זרועות ארוכות וגמישות בעת ובעונה אחת.
 
החוקרים ניתחו את תנועת זרוע התמנון באמצעות מחשב, וגילו כי לאחר שזרוע התמנון לוכדת את המזון, היא נחלקת לשלושה חלקים קשיחים, שבדומה לזרוע האנושית, נעים סביב שלושה "מיפרקים". החלק הראשון והמרוחק יותר ממלא תפקיד דומה לכף היד האנושית, ואילו החלקים השני והשלישי פועלים בדומה לאמה ולזרוע. שני החלקים האחרונים תמיד שווים באורכם.
 
המדענים אומרים, כי התמנון מפעיל ב"מוח" המקומי שבזרועו מעין תוכנית ייחודית לחישוב הנקודה המרכזית בזרוע, שמחלקת את אורך הזרוע לשני המקטעים ("זרוע" ו"אמה"). מוחו המרכזי של התמנון מסנכרן את תנועת פרקי האמה והזרוע. מתברר, שהאבולוציה הגיעה לאותו פתרון בבני-אדם (שבהם הוא מיושם באמצעות מבנה השלד) ובתמנון (שבו הוא מיושם באמצעות תוכנית מוטורית המגבילה מרצון את אפשרויות התנועה של הזרוע ומייצבת את הזרוע במבנה קשיח ודינמי).
 
המדענים שואפים להעתיק את הפתרון האבולוציוני היעיל הזה מעולמו של התמנון לעולמם של הרובוטים התעשייתיים. פיתוח זרועות רובוטיות רכות וגמישות הוא אחת מהמטרות המרכזיות של מפתחי הרובוטים במקומות שונים בעולם. רובוטים בעלי זרועות כאלה, הדומות לזרועות התמנון, יתאימו לפעולה באזורים שאין לנו מידע מספיק על תנאי השטח בהם, כמו, למשל, באזורי אסון. זרועותיהם של רובוטים כאלה יוכלו לעקוף פינות ולחדור לחללים ששום כלי אחר אינו יכול להגיע אליהם. רובוטים כאלה יוכלו להשתתף במשימות חילוץ והצלה, וכן במשימות של ניטרול מוקשים, תיקון כלי שיט מתחת למים, ואפילו השתתפות בניתוחים רפואיים שבהם יוכלו לחדור לחללים מפותלים, כמו למשל כלי דם, מעי, ועוד.
 
תנועת זרוע התמנון. יעילות ופשטות
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם