روبرت فول حول الهندسة والتطور

مرحبا، إن أمكن أن تظهروا الشريحة الأولى من فضلكم؟ خلافا للحسابات المجراة من قبل بعض المهندسين، النحل يمكنه الطيران، والدولفين يمكنه السباحة والوزغات يمكنها تسلق أكثر الأسطح سلاسة. الآن ما أريد القيام به، في الوقت الضيق المتاح لي، هو محاولة إتاحة الفرصة لكل منكم لتجربة، نوعا ما، إثارة الكشف عن تصاميم الطبيعة. يتاح لي القيام بذلك طوال الوقت، وهو أمر مذهل. أريد أن أحاول مشاركة جزء بسيط منه في هذا العرض. تحدي النظر في تصاميم الطبيعة -- وسأخبركم عن الطريقة التي نتصوره بها، والطريقة التي استخدمناه لها. التحدي بالطبع، هو الجواب عن هذا السؤال: ما الذي يسمح بهذا الأداء الخارق للحيوانات الذي يسمح لهم أساسا بالذهاب إلى أي مكان؟ وإن استطعنا معرفة كيف يمكننا تنفيذ تلك التصاميم؟

حسنا، الكثير من علماء الأحياء سيقولون للمهندسين وآخرين، الكائنات الحية أتيحت لها ملايين السنين لتتقنها، إنها مذهلة، تستطيع القيام بأي شيء بغاية الروعة. لذلك الجواب هو تقليد الطبيعة -- فقط نسخ الطبيعة مباشرة. نعلم من خلال العمل على الحيوانات أن الحقيقة هي أنه بالضبط ما لا تريد القيام به. لأن التطور يشتغل بمبدأ حسن بما فيه الكفاية فقط، ليس بمبدأ المثالية. والقيود المطروحة في بناء أي كائن حي حين تنظر إليه هي فعلا صارمة. التقانة الطبيعية لها قيود لا تصدق. فكروا في الأمر. إن كنت مهندسا وأخبرتك أنه عليك بناء سيارة لكن عليها أن تبدأ بكونها بهذا الحجم، ثم عليها أن تنموا لتصبح في حجم كامل وعليها ان تبقى تعمل في كل خطوة على الطريق. فكروا في حقيقة أنه إن صنعتم سيارة سأخبركم أنه داخلها عليكم أن تضعوا مصنعا يتيح إمكانية صناعة سيارة أخرى.

(ضحك)

ولن يمكنكم أبدا، أبدا، بسبب التاريخ والخطة الموروثة، أن تبدؤوا بصفحة بيضاء. وهكذا فإن الكائنات الحية لها هذا التاريخ المهم. فعلا التطور يشتغل أشبه عامل مبتدئ أكثر من مهندس. وهذا بالفعل مهم حين تبدأ في النظر إلى الحيوانات. بدلا من ذلك نعتقد أنك تحتاج إلى ان تلهم من طرف علم الأحياء. تحتاج إلى أن تكتشف المبادئ العامة للطبيعة، وثم تستخدم هذه القياسات حين تكون مفيدة. هذا تحد حقيقي للقيام بالأمر لأن الحيوانات، حين تبدأ بالفعل في النظر داخلها، كيف تعيش، تبدوا معقدة بشكل ميؤوس منه. ليس هناك تاريخ مفصل لمخططات التصميم، وليس في إمكانكم أن تذهبوا للبحث عنها في أي مكان. لديهم الكثير جدا من الحركات لمفاصلهم، الكثير من العضلات، وحتى أبسط حيوان يمكننا التفكير فيه، شيء مثل حشرة، ولديهم من الخلايا العصبية والروابط أكثر مما يمكنكم تخيله.

كيف يمكنك أن تعقلن هذا؟ طيب، نعتقد -- ونفترض -- أنه بطريقة واحدة يمكن للحيوانات أن تشتغل ببساطة، وهي إن كان التحكم في حركاتهم يميل إلى كونه مدمج في أجسادهم أنفسها. ما اكتشفناه هو أنه ثنائية ورباعية وسداسية وثمانية الأرجل من الحيوانات كلها تطبق نفس القوة على السطح حين تتحرك. كلها تشتغل مثل الكنغر، تقوم بالإرتداد. ويمكن أن تنمذج بنظام مخمد الكتلة الذي نسميه نظام مخمد الكتلة لأننا ميكانيكو أحياء، إنه في الحقيقة عصا القفز. كلها تنتج نمط عصا القفز. كيف يكون ذلك صحيحا؟ طيب، كإنسان، واحدة من رجليك، تشتغل مثل اثنتين عند كلب داب، أو كثلاثة أرجل مجتمعة عند حشرة دابة، أو أربع أرجل كواحدة عند سلطعون داب. وهكذا يناوبون في الإسناد، لكن الأنماط هي متشابهة كلها. وتقريبا كل كائن حي نظرنا إليه بهذه الطريقة -- سترون في الأسبوع المقبل -- سأعطيكم تلميحا، سيكون هناك مقال سيصدر يقول بأن الأشياء الكبيرة بالفعل مثل T.Rex تستطيع ربما القيام بهذا، لكن سترون في الأسبوع المقبل.

الآن الذي يهم هو الحيوانات ثم نقول أنها ترتد على طول المستوى العمودي بهذه الطريقة، وفي تعاوننا مع Pixar في "حياة حشرة،" تناقشنا حول الطبيعة الثنائية القدم لخصائص النمل. وقلنا لهم بالطبع إنها تتحرك في مستويات أخرى كذلك، وطرحوا علينا هذا السؤال. قالو، "لماذا النمذجة فقط في المستوى العرضي أو المستوى العمودي، في حين تخبروننا أن هذه الحيوانات تتحرك في المستوى الأفقي؟" هذا سؤال جيد. لا أحد في علوم الأحياء قام أبدا بالنمذجة بهذه الطريقة. أخذنا بنصيحتهم وقمنا بنمذجة الحيوانات تتحرك على المستوى الأفقي كذلك. أخذنا أرجلها الثلاثة، جمعناها على أنها واحدة، جمعنا بعضا من أفضل علماء الرياضيات في العالم من جامعة برينستون للعمل على هذا المشكل. وقد استطعنا أن ننشئ نموذجا حيث الحيوانات لا ترتد فقط صعودا ونزولا، لكن كذلك عرضيا في نفس الوقت. والكثير من الكائنات الحية تناسب هذا النوع من النمط. الآن لماذا من المهم الحصول على هذا النموذج؟ لأنه مثير جدا للإهتمام. حين تأخذ هذا النموذج وتشوشه، تعطيه دفعة، وهو يرتد نحو شيئ ما، يستقر ذاتيا، بدون دماغ، أو ردود فعل، فقط بالبنية وحدها. إنه نموذج جميل. دعونا ننظر إلى الرياضيات.

(ضحك)

هذا يكفي.

(ضحك)

الحيوانات، حين تنظر إليها وهي تجري، تبدوا وكأنها تستقر ذاتيا هكذا، باستعمال أرجل زنبركية أساسا. هذا يعني، الرجل يمكنها أن تنجز خوارزمية التحكم بمعنى ما مدمجة في شكل الحيوان نفسه. لماذا لم نكن أكثر إلهاما من الطبيعة وهذا النوع من الإكتشافات؟ حسنا، أنا أزعم أن التقانات الإنسانية هي فعلا مختلفة عن التقانات الطبيعية، على الأقل كانت كذلك لحد الآن. فكروا في النوع القياسي للإنسان الآلي الذي ترونه. التقانات الإنسانية تميل إلى كونها كبيرة ومسطحة، مع زوايا سوية وصلبة ومصنوعة من المعدن. مع أجهزة زالجة ومحاور. هناك عدد قليل جدا من المحركات، عدد قليل جدا من أجهزة الإستشعار. في حين الطبيعة تميل إلى كونها صغيرة، متقوسة، وتنحني وتبرم ولها أرجل بدلا عن الزوائد، ولديها الكثير من العضلات والكثير، الكثير من أجهزة الإستشعار. وهكذا فهو تصميم مختلف جدا. ومع ذلك، ما يتغير، ما يثير بالفعل -- وسأريكم بعضا من ذلك لاحقا -- هو أنه كما أن التقانة الإنسانية تأخذ على أكثر من خصائص الطبيعة، آنذاك الطبيعة بالفعل يمكنها أن تصبح معلمة أكثر نفعا بكثير.

وهنا مثال مثير حقا. هذا تعاون لدينا مع ستانفورد. وقد طوروا هذه التقنية الجديدة أسموها تصنيع شكل الترسيب. إنها تقنية حيث يمكن أن تخلط المواد مع بعضها وتقولب أي شكل يريدونه، وتضع خصائص المادة. يستطيعون دمج أجهزة استشعار ومحركات على الشكل نفسه. على سبيل المثال، هنا رجل -- الجزء الواضح صلب، الجزء الأبيض متوافق، ولا تحتاج أي محاور هناك أو أي شيء. تنحني فقط لذاتها بشكل جميل. إذاً يمكن أن تضع تلك الخواص فيها. ألهمتهم أن يتباهوا بهذا التصميم بإنتاج روبوت صغير أسموه Sprawl. عملنا قد ألهم كذلك روبوتا آخر، روبوت ارتداد ملهم أحيائيا، من جامعة ميتشيغان وماكغيل سمي RHex، والتي تعني روبوت سداسي الأرجل، وهذا مستقل بذاته. دعنا نذهب إلى الفيديو ودعوني أريكم بعض هذه الحيوانات تتحرك. ثم بعض الروبوتات البسيطة التي ألهمتها اكتشافاتنا. هذا ما قام به بعضكم هذا الصباح، مع أنكم قمتم به خارجا ليس في جهاز جري. هذا ما نفعله.

(ضحك)

هذا صرصور من نوع (death's head) -- هذا صرصور أمريكي والذي تعتقدون أنكم لا يوجد في مطبخكم. هذا عقرب ثماني الأرجل، نملة سداسية الأرجل، أم أربعة وأربعين. الآن قلت أن كل هذه الحيوانات تعمل نوعا ما كعصي قفز -- إنها ترتد على طول وهي تتحرك ويمكنكم رؤية ذلك وفي حالة هذا السلطعون الشبح من شواطئ بناما ونورث كارولينا. تصل إلى أربعة أمتار في الثانية حين يجري. هو في الحقيقة يقفز في الهواء ولديه أطوار جوية حين يقوم بذلك، كحصان، وسترونه يرتد هنا. الذي اكتشفناه هو أنه سواء نظرت إلى رجل إنسان مثل ريتشارد، أو صرصور، أو سلطعون أو كنغر، صلابة الرجل النسبية لهذا النابض هي نفسها لكل ما قد رأيناه لحد الآن. الآن ما الجيد في الأرجل النابضة إذاً، ما الذي يمكنها القيام به؟ حسنا، أردنا أن نرى إن كانت تسمح لهذه الحيوانات أن تكون لها ثباتا وقدرة مناورة أعظم. وبالتالي أنشأنا بقعة فيها عوائق أكثر ارتفاعا بثلاثة مرات من ارتفاع ورك الحيوانات التي نراها، وكنا متأكدين أنها لن تستطيع القيام بهذا. وهذا ما قاموا به. الحيوان دهسها ولم يبطئ حتى. لم يخفض من سرعته المفضلة على الإطلاق. لم نستطيع أن نصدق أنه بإمكانه القيام بذلك. قد قالت لنا أنه إن أمكنك أن تصنع روبوتا بأرجل نابضية بسيطة، يمكنك أن تجعله قادرا على المناورة أكثر من أي روبوت تم إنشاؤه.

هنا أول مثال على ذلك، هذا روبوت مصنع بطريقة ترسيب الشكل من ستانفورد سمي Sprawl. لديه ستة أرجل -- هنا الأرجل النابضة المضبوطة. تتحرك بمشية الحشرة وها هي هنا تتحرك في آلة الجري. الآن المهم حول هذا الروبوت، بالمقارنة مع الروبوتات الأخرى، هو أنه لا يمكنه رؤية أي شيء، لا يمكنه الشعور بأي شيء، ليس لديه دماغ، ومع ذلك يمكنه أن يناور فوق هذه العوائق بدون أي صعوبة تذكر. إنها تقنية إنشاء الخصائص في الشكل هذه. هذا طالب دراسات عليا، هذا ما يقوم به في مشروع أطروحته، شاق جدا إن طالب دراسات عليا قام بهذا كمشروع أطروحته.

(ضحك)

هذا من ماكغيل وجامعة ميتشيغان، هذا هو الRHex، يقوم بأول خرجة له كعرض.

(ضحك)

نفس المبدأ. يمتلك فقط ستة أجزاء متحركة. ستة محركات، لكنه يتوفر على أرجل نابضية ومضبطة. يتحرك في مشية الحشرة الرجل الوسطى لديه تتحرك في تزامن مع الواجهة والرجل الخلفية في الجهة الأخرى. نوع من ثلاثي أرجل تناوبي، وتستطيع التغلب على العوائق تماما كالحيوان.

(ضحك)

يا إلهي.

(تصفيق)

سيذهب في أسطح مختلفة، هنا الرمل، على الرغم من أننا لم نقم بإتمام القدم بعد، لكن سأتحدث عن ذلك لاحقا. هنا RHex يدخل الغابة.

(ضحك)

مجددا هذا الروبوت لا يستطيع رؤية أي شيء، لا يستطيع الشعور بأي شيء، ليس لديه دماغ. يشتغل فقط عن طريق نظام ميكانيكي مضبوط، بأجزاء بسيطة جدا. لكن ملهمة من أساسيات دينامية الحيوان. أوه، إني أحبه يا بوب. هاهو هنا يسير نزولا في طريق. قمت بعرض هذا على مختبر الدفع النفاث في NASA، وقالوا أنهم ليست لديهم أي قدرة على الذهاب نزولا في الحفر للبحث عن الثلج، والحياة أساسا، في المريخ. وقال -- خصوصا مع الروبوت ذي الأرجل لأنها معقدة جدا. لا شيء يمكنه القيام بذلك. وتحدثت لاحقا. أريتهم هذا الفيديو بهذا التصميم البسيط ل RHex هنا، وفقط لإقناعهم بأنه علينا الذهاب إلى المريخ في 2011، لونت الفيديو بالبرتقالي فقط لإعطائهم معنى الوجود في المريخ.

(ضحك)

(تصفيق)

سبب آخر لماذا الحيوانات لديها أداء خارق ويمكنها الذهاب إلى أي مكان، هو أنها لديها تفاعل ناجح مع المحيط. الحيوان الذي سأريكم إياه الذي درسناه للنظر في الأمر هو الوزغة. لدينا واحد هنا ولاحظوا موضعه. إنه متمسك. الآن سأتحداكم. سأريكم فيديو. أحد الحيوانات سيقوم بالجري في المستوى، وآخر يجري صعودا على الجدار. أيهما أي واحد؟ تتحرك بمتر في الثانية. كم منكم يظن أن الذي على اليسار يجري صعودا على الجدار؟

(تصفيق)

حسنا. الغرض هو أنه فعلا يصعب التفريق، أليس كذلك؟ أمر لا يصدق، أملنا أن يقوم الطلبة بالقيام بذلك ولم يستطيعوا. تستطيع الجري صعودا في الجدار بسرعة متر في الثانية، 15 خطوة في الثانية وتبدوا كأنها تجري على المستوى. كيف تقوم بذلك؟ إنه أمر استثنائي. الذي على اليمين كان يجري صعودا في التل. كيف يمكنها القيام بذلك -- لديها أصابع قدم عجيبة -- لديها أصابع قدم تنسدل مثل بالونات الحفل حين تنفخها، ثم تقشر السطح كشريط لاصق. وكأنه لدينا قطعة من شريط لاصق وقشرناه الآن بهذه الطريقة. يفعلون ذلك بأصابع أقدامهم. إنه عجيب. هذا التقشير ألهم iRobot التي نشتغل معها، لإنشاء Mecho-Geckos. هنا نسخة بالأرجل ونسخة الجرارة أو نسخة الجرافة. دعونا نرى بعض الوزغات تتحرك في الفيديو، ثم سأريكم مقطعا قصيرا للروبوتات. هنا الوزغة تجري صعودا في سطح عمودي، هاهي تتحرك، بالوقت الفعلي، هنا تتحرك مجددا. من الواضح أنه علينا أن نبطئ هذا قليلا.

لا تستطيعون استخدام كامرات عادية. يجب أن تأخذوا 1,000 صورة في الثانية لرؤية هذا. وهنا فيديو ب1,000 صورة في الثانية. الآن أريدكم أن تنظروا إلى ظهر الحيوان. هل ترون كم يتقوس كهذا؟ لا نستطيع استيعاب ذلك -- ذاك غموض لم يحل. لا نعرف كيف يشتغل. إن كان لديكم ابن أو بنت يريد أن يأتي إلى بيركيلي، تعالوا إلى مختبري وسنستوعبه معا. حسنا، أرسلوهم إلى بيركيلي لأنه ذاك هو ثاني شيء أريد القيام به. هنا مصنع الوزغات.

(ضحك)

هذه رؤية من خلال جهاز جري بحزام يسمح بالرؤية من خلاله، ليمكننا مشاهدة أقدام الحيوانات، والفيديو يصورهم من خلال حزام جهاز الجري، لرؤية كيف تتحرك. هنا الحيوان الذي لدينا هنا، يجري في مستوى عمودي، اختاروا قدما وحاولوا مشاهدة أصبع، وانظروا إن أمكنكم رؤية ما يقوم به الحيوان. سترون أنه يسدل ثم يقشر تلك الأصابع. تستطيع القيام بذلك في 14 ميلي ثانية. إنه أمر لا يصدق. هنا الروبوتات التي ألهمت، ال Mecho-Geckos من طرف iRobot. أولا سنرى أصابع قدم الحيوانات تقشر -- أنظروا إلى ذلك. وهنا حركة التقشير في ال Mecho-Gecko تستخدم لاصقا حساسا للضغط للقيام بذلك. التقشير في الحيوان، والتقشير في الMecho-Gecko، ذلك يتيح لهم تسلقا مستقلا قد يكون في الأسطح المستوية الإنتقال إلى جدار، ثم التحرك على السقف. تلك نسخة الجرافة. الآن لا تستخدم اللصاق الحساس للضغط. الحيوان لا يستخدم ذلك. لكن هذا ما نحن مقيدون به الآن.

ما الذي يقوم به الحيوان؟ الحيوان له أصابع قدم غريبة، وإن نظرنا إلى أصابع القدم لديها أوراق صغيرة هناك، وإن نفخت فيها وقربت الصورة سترى أن هناك تصدعات صغيرة في هذه الأوراق. وإن قربت 270 مرة، سترى أنها تبدوا مثل بساط. وإن نفختها، وقربت الصورة ب900 مرة، ترى أن هناك شعيرات، شعيرات دقيقة، وإن نظرت بإمعان تلك الشعيرات الدقيقة لديها تصدعات. وإن قربت الصورة ب30,000 مرة، سترى أن لكل شعيرة نهاية متصدعة. وإن نفخت أولئك لديهم تلك البنيات الصغيرة في النهاية. أصغر فروع هذه الشعيرات يبدو مثل ملعقة الصيدلي وحيوان كهذا لديه مليار من هذه النهايات المتصدعة النانوية الحجم لكي يقترب بقدر الإمكان من السطح. في الحقيقة هذا قطر شعركم، الوزغة لديها مليونان من تلك وفي كل شعيرة 100 إلى 1,000 نهاية متصدعة. فكروا في حجم التلامس الممكن هنا.

كنا محظوظين للعمل مع مجموعة أخرى في ستانفورد والتي أنشأت لنا استشعار مأهولية خاص بحيث كنا قادرين على قياس قوة شعيرة منفردة. هنا شعيرة منفردة مع نهاية متصدعة هناك، حين قمنا بقياس القوى كانت هائلة، كانت في غاية القوة بحيث أن جزء من الشعيرات بحوالي هذا الحجم، قدم الوزغة تستطيع تحمل وزن طفل صغير -- حوالي 40 رطلا بسهولة. الآن كيف تقوم بذلك؟ قمنا مؤخرا باكتشاف ذلك. هل تقوم بذلك عن طريق الإحتكاك؟ لا، القوة ضعيفة جدا. هل تقوم بذلك عن طريق الكهرباء الساكنة؟ لا، يمكن أن تغير الشحنة، وتبقى متمسكة. هل يقومون بذلك عن طريق المشابكة؟ ذاك نوع من لصاقات فيلكرو. لا، يمكنك وضعها في سطح أملس جزيئيا -- لا يقومون بذلك. ماذا عن الرشف؟ يستطيعون الإلتصاق في الفراغ. ماذا عن الإلتحام؟ أو الإلتحام الرفيع؟ ليست لديهم أي لصاق وقد التصقت تحت الماء حتى بشكل ممتاز. إن وضعت قدمها تحت الماء تبقى ممسكة. كيف تقوم بذلك إذاً؟ صدق أو لا تصدق تستطيع التمسك عن طريق قوى الجزيئات ، قوى فان دير فال.

تعلمون أنكم غالبا قد درستم هذا قبل مدة طويلة في الكيمياء حين كانت لديكم تلك الذرتان، تكون قريبة لبعضها، والألكترونات تتحرك. تلك القوة الدقيقة كافية للسماح لها بالقيام بذلك لأنها تتجمع مرات كثيرة مع تلك البنيات الصغيرة. الذي سنقوم به هو أخذ ذلك الإلهام المستوحى من الشعيرات، ومع زميل آخر في بيركيلي، نقوم بتصنيعهم. ومؤخرا فقط قد وصلنا إلى تقدم معرفي مفاجئ يجعلنا نعتقد أننا سنكون قادرين على إنشاء أول لحام جاف اصطناعي وينظف ذاتيا. العديد من الشركات مهتمة بهذا.

(ضحك)

وقد عرضناه لNike حتى.

(ضحك)

(تصفيق)

سنرى إلى أين يذهب هذا. كنا جد متحمسين حول هذا أن أدركنا أن ذلك المستوى ذي الحجم الصغير، وحيث كل شيء يصبح لزجا، والجاذبية لا تهم بعد ذلك، احتجنا إلى النظر إلى النمل وأقدامها، لأن أحد زملائي في بيركيلي، قد صنع روبوتا سيليكونيا من ستة ميليمترات بأرجل. لكنها تلتصق. لا تتحرك بشكل جيد. لكن النمل يفعل وسنكتشف لماذا، بحيث أنه في النهاية سنقوم بهذه الحركة. وتخيلوا، ستكونون قادرين على جعل أسراب من روبوتات من ستة ميليمترات متوافرة للف والدوران. إلى أين يصل هذا؟ أظن أنه يمكنكم رؤيته بالفعل.

من الواضح أن الأنترنيت لها بالفعل آذان وعيون، لديكم كامرات ويب وهكذا دواليك. لكنه سيتوفر كذلك على أرجل وأيدي. ستكونون قادرين على القيام بعمل قابل للبرمجة عن طريق هذا النوع من الروبوتات، بحيث يمكنك الجري، الطيران والسباحة في كل مكان. رأينا في بداية ذلك دايفيد كيلي مع سمكته. إذاً في الختام ، أظن أن الرسالة واضحة. إن كنتم بحاجة إلى رسالة، إن كانت الطبيعة غير كافية، إن كنتم تهتمون ب البحث والإنقاذ، أو نزع الألغام، أو الطب، أو الأمور المتنوعة التي نشتغل عليها، يجب علينا أن نحافظ على تصاميم الطبيعة، وإلا هذه الأسرار ستفقد إلى الأبد. شكرا لكم.

(تصفيق)