Робърт Фул за движението при животните

Искам да си представите, че сте студент в моята лаборатория. Възложил съм ви да създадете биологично вдъхновен проект. И така, ето предизвикателството: Искам да ми помогнете да създам напълно триизмерен, динамичен, параметризиран контактен модел. Преводът на това е - бихте ли ми помогнали да изградя едно стъпало? Това е истинско предизвикателство и наистина искам да ми помогнете. Разбира се, при предизвикателството има награда. Не е точно наградата ТЕD, но е специална фланелка от нашата лаборатория. Затова моля, изпратете ми идеите си за това как да се проектира едно стъпало.

Ако искаме да проектираме стъпало, какво трябва да направим? Първо трябва да знаем какво представлява стъпалото. Ако прибегнем към речника, там пише: "Това е долният край на крак, който е в пряк контакт със земята при стоене или вървене." Това е традиционното определение. Но ако наистина искате да проведете изследване, какво трябва да направите? Трябва да прибегнете до литературата и да потърсите какво е известно за стъпалата. И така, прибягвате към литературата. (Смях)

Тази литература може би ви е позната. Проблемът е, че има много, много стъпала. Как се прави това? Трябва да проучите всички стъпала и да извлечете принципи за това как действат те. Искам да ми помогнете да го направим при следващия клип. Като гледате този клип, търсете принципи, мислете и за експерименти, които може да проектирате, за да разберете как действа едно стъпало.

Виждате ли някакви общи теми? Принципи? Какво бихте направили? Какви експерименти бихте провели? Уау. (Аплодисменти) Нашето проучване по биомеханиката на животинското придвижване ни позволи да направим чертеж на стъпало. Това е дизайн, вдъхновен от природата, но не е копие на никое определено стъпало, което току-що сте погледнали, а синтез от тайните на много, много стъпала.

Оказва се, че животните могат да отидат навсякъде. Те могат да се придвижват по субстрати, които варират, както видяхте - по вероятността за контакт, движението на тази повърхност и типа захвати за крака, които присъстват. Ако искаш да проучиш как действа едно стъпало, ще трябва да стимулираме тези повърхности, или да стимулираме тези отломки. Когато направихме това, ето един нов експеримент, който направихме: поставихме едно животно и го накарахме да тича... този тревен паяк... по повърхност с отстранени 99 процента от контактната повърхнина. Но това дори не забави животното. То все още тича с човешкия еквивалент на 300 мили в час.

А как може да го прави? Ами, погледнете по-внимателно. Когато го забавим 50 пъти, виждаме как кракът удря тези симулирани отломки. Кракът действа като стъпало. И всъщност животното осъществява контакт с други части от крака си по-често от традиционно дефинираното стъпало. Стъпалото се разпределя по целия крак. Може да се проведе друг експеримент, при който може да се вземе хлебарка със стъпало и може да се отстрани стъпалото. Подавам няколко хлебарки наоколо. Погледнете стъпалата им. Без стъпало, ето какво прави. Дори не забавя ход. Може да тича със същата скорост дори без този сегмент. Не е проблем за хлебарката - може да им пораснат пак, ако ви интересува. А как го правят? Погледнете внимателно: това е забавено 100 пъти, и гледайте какво прави с останалата част от крака си. Действа, отново, като разпределено стъпало. Много ефективно.

Въпросът, който имахме, е: колко общо е едно разпределено стъпало? Следващото поведение на това животно, което ще ви покажа, направо ни вцепени първия път, когато го видяхме. Журналистите, това е неофициално, над него има ембарго... погледнете какво е това! Това е чифтокопитен октопод, маскиран като търкалящ се кокосов орех. Открит е от Кристина Хъфард и заснет от "Сий Студиос", точно тук, от Монтерей.

Описахме също и друг вид чифтокопитен октопод. Той се маскира като плаващи водорасли. Върви на два крака и държи другите ръце нагоре във въздуха, така че не може да го видят. (Аплодисменти) Вижте какво прави със стъпалото си, за да преодолява труден терен. Използва това прекрасно разпределено стъпало, за да направи така, все едно тези пречки изобщо ги няма. Наистина изключително.

През 1951 г. Ешер прави тази рисунка. Смятал, че създава животинска фантазия. Но ние знаем, че изкуството имитира живота, и се оказва, че природата, преди три милиона години, еволюирала следващото животно. Подобно на скарида животно, наречено стоматопод - ето как се движи то по плажовете на Панама: всъщност се търкаля, може да се търкаля дори и нагоре. Това е върховното разпределено стъпало; цялото му тяло в този случай действа като негово стъпало.

Затова, ако искаме да добавим към проекта си първата важна черта, трябва да добавим контакт с разпределено стъпало. Не само с традиционното стъпало, а и с крака, и дори от тялото. Може ли това да ни помогне да вдъхновим дизайна на новаторски роботи? Вдъхновихме биологично този робот, наречен RHex, създаден от изключителни инженери в течение на последните няколко години. Отначало стъпалото на RHex беше доста просто, после с времето се преобърна и в крайна сметка се получи този полукръг. Защо така? Видеото ще ви покаже. Гледайте как роботът осъществява контакт с крака си, за да се справи с този много труден терен. Това, което виждате всъщност, е, че той използва този полукръгъл крак като разпределено стъпало. Вижте го как минава над това. Виждате го добре тук, върху тези отломки. Изключително. Никакви сензори, целият контрол е вграден право в настроените крака. Наистина просто, но красиво.

Може да сте забелязали още нещо за животните, когато тичаха по неравния терен. Асистентът ми ще ми помогне тук. Когато пипна крака на хлебарката... може ли да му дадете микрофона? Когато пипна крака на хлебарката, какво усети? Забеляза ли нещо?

Момче: Бодлив.

Робърт Фул: Бодлив, нали? Наистина е бодлив, нали? Малко боли. Може да го дадем на нашия куратор и да видим дали ще е достатъчно смел да пипне хлебарката. (Смях)

Крис Андерсън: Ти пипал ли си я?

РФ: Ако се вгледате внимателно в това, виждате, че имат шипове и допреди няколко седмици никой не знаеше за какво са те. Предполагаха, че са за защита и за сензорни структури. Открихме, че са за нещо друго... ето сегмент от този шип. Настроени са така, че лесно се огъват в една посока, за да изтеглят крака от отломки, но са твърди в другата посока, така че улавят несъразмерностите в повърхността.

На раците не им липсват захвати за стъпала, защото обикновено се движат по пясък... докато дойдат в нашата лаборатория. Където имат проблем с тази мрежа, защото нямат шипове. Раците нямат шипове, затова имат проблем на този неравен терен. Но, разбира се, ние можем да се справим с това, защото можем да направим изкуствени шипове. Можем да правим шипове, които се захващат по симулирани отломки и се огъват при отстраняване за лесното им изтегляне. Направихме го, като поставихме на раците тези изкуствени шипове, както виждате тук, а после ги изпитахме. Разбираме ли наистина този принцип на настройката? Отговорът е - да! Това е забавено 20-кратно, ракът просто хвърчи през тези симулирани отломки. (Смях) (Аплодисменти) Малко по-добро от природата.

И така, към нашия проект трябва да добавим настроени шипове. Ще ни помогне ли това да мислим за дизайна на по-ефективни катерачни роботи? Е, ето го RHex... RHex има проблем по релси... по гладки релси, както виждате тук. Тогава защо да не добавим шип? Колегите ми го направиха в "Ю Пен". Дан Кодичек постави стоманени гвоздеи... много проста версия... на робота... и ето го сега RHex, пресича тези стоманени... тези релси. Няма проблем! Как го прави? Да забавим, и ще видите шиповете в действие. Гледайте завъртането на крака, и ще видите как се захваща ето там. Не можеше да го прави преди - просто се подхлъзваше, засядаше и се катурваше. Гледайте отново, точно там... успешно.

Това, че имаме разпределено стъпало и гръбнаци, не значи, че могат да се изкачват вертикални повърхности. Това е много, много трудно. Но вижте как го прави това животно! Едно от тези, които подавам наоколо, е изкачване по тази вертикална повърхност, която е гладка метална плоча. Изключително е колко бързо може да го прави... но ако го забавите, виждате нещо доста изключително. Това е тайна. Животното успешно се катери чрез приплъзване и вижте..., и всъщност се справя ужасно, що се отнася до захващането по повърхността. Всъщност изглежда, все едно плува по повърхността. Можем да моделираме по-добре това поведение като течност, ако се вгледате в него. Разпределеното стъпало всъщност действа повече като гребло.

Същото е вярно и когато гледахме как този гущер тича по флуидизиран пясък. Гледайте стъпалата му. Всъщност функционира като гребло, въпреки че взаимодейства с повърхност, която обичайно смятаме за твърда. Не по-различно от това, което откри моята бивша студентка, когато откри как гущерите могат да тичат по самата вода. Може ли да се използва това за създаване на по-добър робот? Мартин Бюлер е успял... той сега е в "Бостън Дайнамикс"... взел тази идея и превърнал RHex в Aqua RHex. Ето го RHex с гребла, превърнат сега в невероятно маневрен плуващ робот.

При неравни повърхности обаче животните добавят нокти. И вероятно ги усещате, ако сте го хващали. Пипнахте ли го?

КА: Аз да.

РФ: И наистина се справят много добре в захващане за повърхности с тези нокти. Марк Къткоски в Станфордския университет, един от сътрудниците ми, е изключителен инженер, който разви техника, наречена Производство чрез снемане на форма, при която може да вгражда нокти направо в изкуствено стъпало. Ето я най-простата версия на стъпало за един нов робот, която ще ви покажа след малко. И така, за нашия проект, да прикачим нокти. Ако погледнем животните обаче, за да са наистина маневрени на всички повърхности, животните използват хибридни механизми, включващи нокти, шипове, косми, възглавнички, лепило и капилярно залепване, и цял куп други неща. Всички тези са от различни насекоми. Това е мравка, пълзяща нагоре по вертикална повърхност. Да погледнем тази мравка.

Това е стъпалото на мравката. Виждате космите, ноктите и това нещо тук. Това е, когато стъпалото й е във въздуха. Вижте какво се случва, когато стъпалото дойде върху сандвича ви. Виждате ли какво се случва? Тази възглавничка излиза. И там е лепилото. Тук отдолу е стъпало на мравка, и когато ноктите не се забият, тази възглавничка излиза автоматично, без мравката да прави каквото и да било. Тя просто изпъква. Трудно беше да се направи тази снимка... според мен това е снимка на стъпалото на мравката на суперстринга. Затова е доста трудно да се направи. Ето как изглежда отблизо... тук е мравешкото стъпало, а там е лепилото.

Открихме, че това лепило може да е интересна двуфазна смес. Със сигурност й помага да се задържи. Затова, за нашия чертеж, се придържаме към лепкави възглавнички. Може да решите, че за гладки повърхности се вдъхновяваме оттук. Тук имаме нещо по-добро. Геконът е наистина страхотен пример за нанотехнология в природата. Това са стъпалата му. Те са... изглеждат почти извънземни. А тайната, с която се залепват, включва косматите пръсти на краката им. могат да тичат нагоре по повърхност с метър в секунда, да правят 30 стъпки за тази една секунда... едва се виждат. Ако го забавим, прикрепят стъпалата си за осем милисекунди и ги отделят за 17 милисекунди. А като гледаш как ги отделят, е странно. Обелват ги от повърхността, както бихте белили парче скоч. Много странно. Как залепват?

Ако погледнете краката им, те имат листоподобни структури, наречени линали с милиони косми. И всеки косъм има възможно най-тежкия случай на цъфтящи краища. Има от сто до хиляда разцепени краища и това е тайната, защото позволява близък контакт. Геконът има един милиард от тези разцепени краища с размер 200 нанометра. Те не се лепят с лепило, нито пък действат с велкро или като вакуум. Открихме, че действат само чрез междумолекулни сили. Затова, за нашия проект, разцепихме някои косми. Това вдъхнови дизайна на първото самопочистващо се сухо лепило... радваме се да кажем, че патентът е издаден. А ето и най-простата версия в природата - това е опитът на моя сътрудник Рон Фиъринг за изкуствена версия на това сухо лепило, направено от полиуретан. Ето и първия опит за действието му върху някакъв товар.

Към това има огромен интерес в ред различни области. Сигурен съм, че могат да се измислят хиляда възможни начини за употреба. Както направиха много хора, и се вълнуваме от реализацията на това като продукт. Представяли сме си продукти, например този: представихме си биологично вдъхновен лейкопласт, при който свалихме лепилото от лейкопласта. Взехме няколко косъма от гекон, който си сменя кожата; сложихме три ролки от тях тук и направихме този лейкопласт.

Това е студент-доброволец... имаме 30 000 студенти, така че може да избираме сред тях... това всъщност е само червен белег от химикалка. Но така се получава невероятен лейкопласт. Аериран е, може да се отлепя лесно, не причинява никакво раздразнение, водоустойчив е. Според мен това е изключителен пример за това как основаното върху любопитство изследване... просто се чудехме как се катерят нагоре по нещо... може да доведе до неща, каквито не можете и да си представите. Просто пример за това защо трябва да подкрепяме основаното върху любопитство изследване. Ето, сваляне на лейкопласта.

И така, сега предефинирахме какво е стъпало. Въпросът е - можем ли тогава да използваме тези тайни, за да вдъхновим проект за по-добро стъпало, по-добро от това, което виждаме в природата? Ето новия проект: опитваме се да създадем първия катерещ се робот за търсене и спасяване... без вакуум и магнити... който може да се движи само по ограничени видове повърхности. Нарекох новия робот RiSE - Робот в катерачна среда (Robot in Scansorial Environment); изключителен екип биолози и инженери създават този робот. Ето го RiSE. Шестокрак е и има опашка. Ето го на ограда и на дърво. Ето ги и първите стъпки на RiSE по наклон. Имате ли аудиото? Чувате го как се изкачва. Ето го, идва нагоре към вас, при първите си стъпки нагоре по стена. Тук използва само най-простото си стъпало, това е нещо съвсем ново. Но смятаме, че сме уловили точно динамиката на робота.

Марк къткоски обаче стига една стъпка по-далеч. Той успя да изгради тези произведени чрез снемане на форма стъпала и пръсти на краката. Следващата стъпка е да се направят услужливи пръсти на краката, опити да се добавят шипове и нокти, и да се настрои за сухи лепила. Идеята е първо да се нагласят пръстите на крака и стъпалото, опита за изкачване, и в крайна сметка да се постави на робота. И точно това е направил той. Всъщност, изгради катерещ се стъпален бот, вдъхновен от природата.

А ето проекта на Къткоски и изумителните му студенти. Това са настроени пръсти на крака... шест са и използват принципите, за които току-що говорих, вкупом за чертежа. Не се използва вакуум, лепило и в крайна сметка, когато е прикачен към робота... толкова биологично вдъхновен е, колкото и животното... да се надяваме, ще може да се изкачва по всякакъв вид повърхност. Тук го виждате, да се изкачва по сграда в Станфорд. Ускорено е... отново, това е изкачващо се стъпало. Все още не е целият робот, работим по него... сега виждате как се захваща. Тези настроени структури позволяват на шиповете, възглавничките за триене и накрая на залепващите косми да се захващат за много предизвикателни, трудни повърхности. И така успяха да получат това... това сега е ускорено 20 пъти... можете ли да си представите да се опитвате да се качите и да спасите някого на онзи горен етаж? Нали така? Сега може да се визуализира, не е невъзможно. Много предизвикателна задача. Но следва и още.

За да завършим: получихме тайни на дизайна от природата чрез разглеждане строежа на стъпалата. Научихме, че трябва да разпределяме контрола към малки части. Да не се поставя целият в мозъка, а да се постави част от контрола в настроени стъпала, крака и дори тяло. Че природата използва хибридни решения, а не едно-единствено решение, за тези проблеми, те са интегрирани и невероятно жизнеспособни. И трето, силно вярваме, че не искаме да имитираме природата, а да се вдъхновяваме от биологията и да използваме тези новаторски принципи с най-добрите съществуващи инженерни решения, за да правим... потенциално... нещо по-добро от природата.

Така че има ясно съобщение: независимо дали ви интересува фундаментално, основно проучване на много интересни, странни, чудесни животни, или искате да изградите робот за търсене и спасяване, който може да ви помогне при земетресение, или да спаси някого при пожар, или се интересувате от медицина, трябва да пазим дизайна на природата. Иначе тези тайни ще бъдат изгубени завинаги. Благодаря.