Робърт Фул за инженеринга и еволюцията

Добре дошли. Може ли първия кадър, моля? Противно на изчисленията, правени от някои инженери, пчелите могат да летят, делфините могат да плуват, а гущерите могат дори да се катерят нагоре по най-гладките повърхности. За краткото време, с което разполагам, искам да се опитам да позволя на всеки от вас да преживее някак тръпката от разкриването на природния дизайн. Имам възможност да го правя постоянно, и е просто невероятно. Искам да се опитам да споделя само малка частица от това с вас в тази презентация. Предизвикателството от разглеждането на природния дизайн... ще ви кажа как го възприемаме и как сме го използвали. Предизвикателството, разбира се, е да се отговори на този въпрос: Какво позволява съществуването на това изключително постижение на животните, което им позволява по същество да ходят навсякъде? А дали ние можем да открием как да прилагаме този дизайн?

Е, много биолози ще кажат на инженери и други, че организмите имат милиони години, за да го докарат, както трябва, те са зрелищни, могат да правят всичко чудесно. Затова отговорът е биомимикрия - просто пряко копиране на природата. Знаем от работа с животни, че истината е, че точно това не трява да се прави. Защото еволюцията действа на принципа "колкото-толкова", не на принцип за усъвършенстване. А пречките при построяването на който и да е организъм, като се вгледаш, са наистина сурови. Природните технологии имат невероятни препятствия. Помислете за това. Ако сте инженер и ви кажа, че трябва да построите автомобил, но отначало трябва първо да е ето толкова голям, после трябва да израсне до пълен размер и да работи на всяка стъпка по пътя. Помислете за факта, че ако построите автомобил, ще ви кажа, че в него също трябва да сложите фабрика, която ви позволява да направите друг автомобил.

(Смях)

И не можете абсолютно никога, абсолютно никога, заради историята и наследения план, да започнете от нулата. И така, организмите имат тази важна история. Наистина, еволюцията работи повече като калайджия, отколкото като инженер. А това е наистина важно, когато започнеш да разглеждаш животните. Вярваме, че вместо това е нужно да си вдъхновен от биологията. Нужно е да откриваш общите принципи на природата, а после да използваш тези аналогии, когато са благоприятни. Да се прави това е истинско предизвикателство, защото животните, като започнеш наистина да се вглеждаш вътре в тях, как действат, изглеждат безнадеждно сложни. Няма подробна история на проектните планове, не може да отидеш да ги видиш никъде. Имат твърде много движения в ставите си, твърде много мускули, дори най-простото насекомо, за което се сетим - нещо като насекомо, и имат повече неврони и връзки, отколкото може да си представите.

Как да се осмисли това? Е, ние вярвахме... нашата хипотеза беше... че един начин животните да действат просто е, ако има тенденция контролът на движенията им да е вграден в самите им тела. Открихме, че животните с два, четири, шест и осем крака всички произвеждат едни и същи сили на земята, когато се движат. Всички действат като това кенгуру - скачат. И могат да бъдат моделирани чрез пружинна масова система, която наричаме пружинна масова система, защото сме биомеханици, а всъщност е пружина за скачане. Всички изпълняват схемата на пружина за скачане. Как може да е вярно това? Ами, един човек - един от вашите крака действа като два крака на подтичващо куче, или действа като три крака заедно като един на подтичващо насекомо, или четири крака като един при подтичващ рак. А после се сменят за оттласкване, но всички схеми са едни и същи. Почти всеки организъм, който сме разглеждали по този начин... ще видите следващата седмица... ще ви подскажа - ще излезе една статия, в която се казва, че наистина големите животни като тиранозавър рекс вероятно не са могли да правят това, но ще видите следващата седмица.

Интересното е, че животните, както казахме, подскачат по вертикалната равнина ето така, и при сътрудничеството си с Пиксар и "Животът на една буболечка" дискутирахме чифтокопитната природа на героите-мравки. И им казахме - разбира се, те се движат и в друга плоскост, а те ни зададоха този въпрос. Попитаха: "Защо да моделираме само в стреловидната равнина или вертикалната равнина, щом вие ни казвате, че тези животни се движат в хоризонталната равнина?" Това е добър въпрос. Никой в биологията никога не го е моделирал по този начин. Приехме съвета им и моделирахме животните, движещи се също и в хоризонталната равнина. Взехме трите им крака, огънахме ги като един, повикахме някои от най-добрите математици в света от Принстън да работят по тази задача. И успяхме да създадем модел, при който животните не само скачат нагоре-надолу, а в същото време скачат и от едната на другата страна. Много организми се вписват в тази схема. А защо е толкова важно да имаме този модел? Защото е много интересно. Като вземеш този модел и го обезпокоиш, тласкаш го и той се блъска в нещо, се самостабилизира, без мозък и без рефлекси, само чрез самата структура. Това е красив модел. Да разгледаме математиката.

(Смях)

Стига толкова.

(Смях)

Животните - като ги погледнеш как тичат, като че ли се самостабилизират така, по същество чрез пружиниращи крака. Тоест, краката могат да правят изчисления самостоятелно, контролните алгоритми в известен смисъл са вградени във формата на самото животно. А защо не сме били по-вдъхновени от природата и този тип откритие? Е, бих твърдял, че човешките технологии са наистина различни от природните технологии, поне досега. Помислете за типичния вид робот, който виждате. Човешките технологии имат склонност да са големи, плоски, с прави ъгли, вцепенени, направени от метал. Имат търкалящи се устройства и полуоси. Има много малко мотори, много малко сензори. А в природата има склонност към малки, извити неща, те се огъват, усукват и вместо това имат крака и израстъци, имат много мускули и много, много сензори. Така че това е много различен дизайн. Но онова, което се променя, което е наистина вълнуващо... и ще ви покажа малко от него после... е, че докато човешката технология поема повече от характеристиките на природата, тогава природата наистина може да стане много по-полезен учител.

Ето един наистина вълнуващ пример. За това си сътрудничим със Станфорд. Те развиха тази нова техника, наречена "Производство със снемане на форма". Това е техника, при която могат да смесят материали заедно, да отлеят която и да било форма, която им хареса, и да вложат вътре свойствата на материала. Могат да вграждат сензори и двигатели направо в самата форма. Например, ето един крак... прозрачната част е вдървена, бялата част е гъвкава и не ви трябват никакви полуоси или каквото и да било. Просто се огъва само прекрасно. И така, може да се вложат тези свойства. Това ги вдъхновило да покажат този дизайн, като направят малък робот, когото нарекли Спроул. Нашата работа също вдъхнови един робот - биологично вдъхновен скачащ робот от университета на Мичиган и МакГил, наречен RHex - от робот хексапод; този е автономен. Нека да преминем към видеото и да ви покажа някои от тези животни в движение. А после - някои от простите роботи, вдъхновени от нашите открития. Ето какво са правили някои от вас тази сутрин, макар и да сте го правили навън, а не на бягаща пътечка. Ето какво правим.

(Смях)

Това е хлебарка "глава на смъртта" - това е американска хлебарка, която мислите, че нямате в кухнята си. Това е осмокрак скорпион, шестокрака мравка, стоножка с четиридесет и четири крака. Казах, че всички тези животни са един вид пружини за скачане - те скачат, докато се движат; виждате това в този рак-дух от плажовете на Панама и Северна Каролина. Той достига скорост четири метра в секунда, когато тича. Всъщност скача във въздуха и има въздушни фази, като го прави, като кон - ще го видите да скача тук. Открихме, че независимо дали гледаш крака на човек като Ричард, или хлебарка, или рак, или кенгуру, относителната крачна вцепененост на тази струна е една и съща за всичко, което сме виждали досега. Тогава за какво са пружиниращите крака - какво могат да правят? Е, искахме да видим дали те позволяват на животните да имат много по-голяма стабилност и маневреност. Затова построихме терен, в който имаше препятствия с височина, три пъти по-висока от височината на хълбоците на животните, които разглеждаме, и бяхме сигурни, че не могат да се справят. Ето какво направиха. Животното претича над него и дори не забави. Изобщо не намали предпочитаната си скорост. Не можахме да повярваме, че може да го направи. Това ни каза, че може да се построи робот с много прости пружиниращи крака, може да се направи по-маневрен от всеки, правен някога.

Ето първият пример за това - това е произведеният със станфордското снемане на форма робот на име Спроул. Той има шест крака - ето ги настроените пружиниращи крака. Движи се с походка на насекомо; тук върви по бягаща пътечка. Важното в този робот, в сравнение с други роботи е, че той не вижда нищо, не усеща нищо, няма мозък, и все пак може да маневрира над тези пречки без никаква трудност. Заради тази техника да се вграждат свойствата във формата. Това е дипломант; това прави за дипломния си проект - много е яко, ако един дипломант прави това за дипломния си проект.

(Смях)

Това е от МакГил и университета в Мичиган; това е RHex на първото си излизане за демонстрация.

(Смях)

Същият принцип. Има само шест движещи се части. Шест мотора, но има пружиниращи, настроени крака. Движи се с походката на насекомо, средният крак се движи в синхрон с предния и задния крак от другата страна. Нещо като редуващ се трипод и могат да преодоляват пречки точно като животното.

(Смях)

О, Боже.

(Аплодисменти)

Ще върви по различни повърхности - ето пясък, макар и още да не сме усъвършенствали краката, но ще говоря за това по-късно. Тук RHex влиза в горите.

(Смях)

Отново - този робот не вижда нищо, не усеща нищо, няма мозък. Просто работи с настроена механична система, с много прости части. Но е вдъхновен от фундаменталната динамика на животното. О, обичам го, Боб. Ето го, тръгва по една пътечка. Представих това на една лаборатория за реактивни двигатели в НАСА, а те казаха, че нямат способност да слизат надолу по кратери, за да търсят лед, и в крайна сметка живот, на Марс. Той каза... особено с роботи с крака, защото те са твърде сложни. Нищо не може да прави това. И след това говоря аз. Показах им това видео с простия дизайн на RHex, и просто за да ги убедя, че трябва да отидем на Марс през 2011-та, оцветих видеото оранжево, само за да им дам усещане, че са на Марс.

(Смях)

(Аплодисменти)

Друга причина животните да имат изключително изпълнение и да могат да ходят навсякъде е това, че имат ефективно взаимодействие с околната среда. Животното, което ще ви покажа - което проучихме, за да разгледаме това, е гущерът. Имаме един тук - забележете позицията му. Той се държи. А сега ще ви предизвикам. Ще ви покажа едно видео. Едно от животните ще тича хоризонтално, а другото ще тича нагоре по стена. Кое прави кое? Движат се с метър в секунда. Колко от вас мислят, че онова вляво тича нагоре по стената?

(Аплодисменти)

Добре. Смисълът е, че наистина е трудно да се разбере, нали? Невероятно е - опитвахме със студенти, те също не могат да различат. Могат да тичат нагоре по стена с един метър в секунда, 15 стъпки в секунда и изглеждат, все едно тичат хоризонтално. Как го правят? Просто е феноменално. Онзи отдясно се изкачваше нагоре. Как го правят - имат странни пръсти на краката... имат пръсти на краката, които се развиват като парти свирки, щом ги надуеш, а после се обелват от повърхността като скоч лепенка. Ако имахме парче скоч, и ние бихме го белили така. Те го правят с пръстите на краката си. Странно е. Това отлепяне вдъхнови iRobot, с които работим, за да изградим "Меко-Геко". Ето една версия с крака и тракторна версия, или булдозерна версия. Да видим някои от гущерите в движение на видео, а после ще ви покажа малък клип с роботите. Ето го гущерът, тичащ нагоре по вертикална повърхност - ето го, в реално време, ето го пак. Очевидно, трябва да го забавим малко.

Не може да се използват обикновени камери. Трябва да правиш 1000 снимки в секунда, за да видиш това. Ето видео при 1000 кадъра в секунда. Искам да погледнете гърба на животното. Виждате ли колко много се огъва, ето така? Не можем да проумеем това... това е неразрешена мистерия. Не знаем как работи. Ако имате син или дъщеря, които искат да дойдат в Бъркли, елате в лабораторията ми и ще го проумеем. Така, пратете ги в Бъркли, защото това е следващото нещо, което искам да направя. Това е гущерската мелница.

(Смях)

Това е прозрачна пътечка с прозрачен колан за бягаща пътечка, така че да можем да гледаме краката на животните и да ги записваме на видео през колана на бягащата пътечка, за да видим как се движат. Ето животното, което имаме тук, тичащо по вертикална повърхност, изберете един крак, опитайте се да гледате един пръст и вижте дали може да видите какво прави животното. Вижте го как развива, а после отлепя тези пръсти. може да го прави за 14 милисекунди. Невероятно е. Ето ги роботите, вдъхновени от тях - "Меко-Геко" от iRobot. Първо ще видим как се отлепят пръстите на краката на животното... погледнете това. А ето отлепящото действие на "Меко-Геко" - той използва чувствително към налягане лепило, за да го прави. Отлепяне при животното, отлепяне при "Меко-Геко", което им позволява да се катерят автономно, да преминават от плоска повърхност към стена, а после да продължат към таван. Ето я булдозерната версия. Тя не използва чувствително към натиск лепило. Животното не използва това. Но до това сме ограничени за момента.

А какво прави животното? Животното има странни пръсти на краката, а ако се вгледате в пръстите на краката, имат едни малки листенца там. Ако ги разгледате с увеличение, ще видите, че в тези листенца има малки набраздявания. А при увеличение 270 пъти ще видите, че прилича на черга. А ако увеличите това 900 пъти, виждате, че там има косми - мънички косми, и ако гледате внимателни, тези мънички косми са набраздени. А ако ги увеличите 30 000 пъти, ще видите, че всеки косъм има разцепени краища. Ако ги увеличите - те имат едни малки структури накрая. Най-малкото разклонение на космите прилича на шпатула, а едно животно като това има 1 милиард от тези разцепени краища с нано-размер, за да стигне много близо до повърхността. Всъщност, ето диаметъра на вашия косъм - един гущер има 2 милиона такива, а всеки косъм има от 100 до 1000 разцепени краища Помислете какъв контакт е възможен с това.

Имахме щастието да работим с друга група в Станфорд, която ни построи специален сензор, така че да можем да измерим силата на един отделен косъм. Ето един отделен косъм с малко разцепени краища там, когато измерихме силите, бяха огромни - бяха толкова големи, че една кръпка от косми с горе-долу този размер, кракът на гущера можеше да издържи тежестта на едно малко дете... спокойно около 40 паунда (18 кг.). А как го правят? Наскоро го открихме. Дали го правят чрез триене? Не, силата е твърде ниска. Дали го правят чрез електростатика? Не - може да се промени зарядът, но все още се държат. Дали го правят чрез интерлокинг? Това е нещо подобно на велкро. Не - може да ги поставиш върху молекулярно равни повърхности - не го правят. Ами засмукване? Залепят се във вакуум. Ами мокро залепване? Или капилярно залепване? Нямат никакво лепило и се залепват дори под вода, направо прекрасно. Ако сложите крака им под вода, се хващат. Как тогава го правят? Не е за вярване, но се хващат чрез междумолекулярни сили, чрез сили ван дер Ваалс.

Вероятно сте учили това отдавна по химия - когато има два атома и те са близо един до друг, електроните се движат. Тази мъничка сила е достатъчна, за да им позволи да го правят, защото се умножава толкова много пъти с тези малки структури. Онова, което правим е, че вземаме вдъхновението от космите и с един друг колега в Бъркли ги произвеждаме. Съвсем наскоро направихме пробив и сега смятаме, че ще можем да създадем първото синтетично, самопочистващо се, сухо лепило. Много фирми се интересуват от това.

(Смях)

Представихме го дори пред "Найк".

(Смях)

(Аплодисменти)

Ще видим накъде ще тръгне. Толкова сме развълнувани от това, че осъзнахме, че в този малък мащаб, където всичко става лепкаво и гравитацията вече няма значение, трябваше да гледаме мравките и краката им, защото един от другите ми колеги в Бъркли е построил шестмилиметров силиконов робот с крака. Но той се залепва. Не се движи много добре. А мравките го правят и ще открием защо, така че накрая ще го накараме да се движи. Представете си - ще може да има рояк от тези шестмилиметрови роботи, тичащи наоколо. Накъде бие това? Мисля, че вече виждате.

Явно, интернет вече има очи и уши, имате уеб камери и така нататък. Но ще има също крака и ръце. Ще можете да вършите програмируема работа чрез тези видове роботи, така че да може да тичате, да летите и да плувате навсякъде. Видяхме Дейвид Кели в началото на това с неговата риба. И така - в заключение, мисля, че посланието е ясно. Ако ви е нужно послание, ако природата не е достатъчна, ако ви е грижа за откриване и спасяване, или прочистване на мини, или медицина, или разнообразните неща, по които работим, трябва да запазим природния дизайн - иначе тези тайни ще бъдат изгубени завинаги. Благодаря.

(Аплодисменти)