Robert Full om dyre bevægelser

Jeg vil have dig til at forestille dig, at du er en elev i mit laboratorie. Jeg vil have dig til at skabe et biologisk inspireret design. Og her er udfordringen: Jeg vil have du hjælper mig med at skabe en fuld 3D, dynamisk, parameteriserede kontakt model. Oversættelsen af det er; kan du hjælpe mig med at bygge en fod? Og det er en sand udfordring, og jeg vil have din hjælp. Selvfølgelig er der en præmie i udfordringen. Det er ikke helt en "TED Prize", men det er er en eksklusiv t-shirt fra vores laboratorie. Så send endeligt jeres idéer ind om hvordan man designer en fod.

Hvis vi gerne vil lave en fod, hvad skal vi så gøre? Først skal vi vide hvad en fod er. I ordbogen står der: "Det er et lavere legeme af et ben der er i direkte kontakt med jorden når man står eller går." Det er den traditionelle definition. Men hvis du virkeligt ville forske, hvad gør du så? Du skal ty til litturaturen og slå op under hvad der er kendt om fødder. Så du går til litturaturen. (Latter)

Måske kender du denne litturatur. Problemet er, at der er mange, mange fødder. Hvordan griber man det an? Du bliver nødt til at undersøge alle fødder og udtrække deres principper. Og jeg vil gerne have i hjælper mig i det næste klip. Når du ser dette klip, så hold øje med principper, og tænk over hvilke eksperimenter du ville lave for bedre at forstå hvordan en fod virker.

Ser du nogle ens temaer? Principper? Hvad ville du gøre? Hvilke eksperimenter ville du lave? Wow. (Bifald) Vores forskning omkring biomekaniken bag dyrenes fremdrift har gjort det muligt at lave en byggeplan bag en fod. Det er et design inspireret af naturen, men det er ikke en kopi af en bestemt fod vi har set, det er en sammenblanding af hemmelighederne bag mange, mange fødder.

Det viser sig nu, at dyr kan gå overalt. De kan komme frem på overflade typer der varierer som du så -- sandsynligheden for kontakt, bevægelsen af overfladen og det gældende type fodfæste. Hvis du vil studere hvordan en fod virker, bliver du nødt til at simulere de forskellige overflader. Her er et nyt eksperiment vi lavede: Vi satte et dyr og fik det til at løbe - denne græs edderkop -- på en overflade med 99 procent af kontaktfladen fjernet. Men det sænkede slet ikke dyret. Den løber stadig med en fart svarende til 480 km/t for mennesker.

Hvordan kan den det? Prøv at se nøje efter. Når vi sætter farten ned 50 gange, ser vi hvordan benet rammer de simulerede forhindringer. Benet agerer som en fod. Faktisk har andre dele af benet kontakt mere hyppigt end den traditionelt definerede fod. Foden er fordelt langs hele benet. Du kan lave et andet eksperiment hvor du tager en kakerlak med en fod, og du fjerner denne fod. Jeg sender nogle kakerlakker rundt. Tag et kig på deres fødder. Sådan gør den uden en fod. Den sænker ikke engang farten. Den kan løbe med den samme fart uden det segment. Det gør ikke noget for kakerlakken -- de kan gro dem tilbage. Hvordan gør de det? Se nøje efter: Dette er sat ned i fart 100 gange, og se hvad den gør med resten af benet. Det agerer, igen, som en fordelt fod. Meget effektivt.

Så, det næste spørgsmål vi havde; hvor general er en fordelt fod? Og den næstes dyrs adfærd jeg viser jer, lamslog os da vi så det for første gang. Journalister, dette er stadig hemmeligt, i har embargo -- se hvad det er! Det er en tobenet blæksprutte der er forklædt som en rullende kokosnød. Den var opdaget af Christina Huffard og filmet af Sea Studios, lige her fra Monterey.

Vi har også beskrevet en anden art af tobenet blæksprutte. Denne er forklædt som flydende alger. Den går på to ben, og holder den anden arm op i vejret så den ikke kan blive set. (Bifald) Og se hvad den gør med sin fod for at komme over svært terræn. Den bruger den smukke fordelte fod, så det ligner hindringen slet ikke er der. Intet mindre end ekstraordinært.

I 1951 lavede Escher denne tegning. Han troede han lavede et væsen af fantasi. Men vi ved at kunsten imiterer livet, og det viser sig, tre millioner siden udviklede naturen det næste dyr. Det er et reje-agtigt dyr kaldet stomatopod, og sådan her bevæger den sig på Panamas strande: den ruller faktisk, og den kan endda rulle opad bakke. Den er den ultimative fordelte fod; hele dens krop agerer som en fod.

Så det første vigtige vi vil tilføje til fodens byggeplan er en fordelt fods kontakt med overflader. Ikke bare en traditionel fod, men også benet, og selv kroppen. Kan dette inspirere designs af nye robotter? Denne biologisk inspirerede robot ved navn RHex, bygget af disse ekstraordinære ingeniører i løbet af de sidste par år. RHex's fod startede med at være simpel, den blev forbedret gennem tiden, og resulterede i denne halvcirkel. Hvorfor det? Denne video vil vise det. Hold øje med robotten, nu, bruger benets kontaktoverflade til at håndtere svært terræn. Hvad du vil kunne se, er dens halvcirkel ben fungere som en fordelt fod. Se den gå over det. Man kan se det godt på denne hindring. Ekstraordinært. Ingen sensors, alt control er indbygget i benene. Meget simpelt, men smukt.

Nu har du måske bemærket noget andet ved dyrene da de løb over svært terræn. Min assistent vil hjælpe mig nu. Da du rørte ved kakkelarkens ben -- kan du give ham en mikrofon? Da du rørte kakkelarkens bens, hvordan var det? Lagde du mærke til noget?

Dreng: Tornet.

Robert Full: Det er tornet, ikke? Det er virkeligt tornet, ikke? Det gør næsten ondt. Måske er vores kurator modig nok til at røre kakkelarkens? (Latter)

Chris Anderson: Rørte du ved den?

Robert Full: Hvis du ser nøje efter, kan du se den har pigge og indtil et par uger siden, vidste ingen hvad de gjorde. De antog de var til beskyttelse og sansning. Vi fandt ud af de er til noget andet -- her er en del af den pig. De er lavet sådan, så de nemt kollapser i én retning for at trække benet fri, men de er stive i den anden retning, for at holde fast i ulige overflader.

Krabber mister ikke fodfæstet, for de går normalt på sand -- indtil de kommer ind i vores laboratorie. Her har de et problem med denne slags net, fordi de ikke har pigge. Krabber mangler piggene, så de har et problem i svært terræn. Men det kan vi selvfølgelig klare, fordi vi kan lave kunstige pigge. Vi kan lave pigge der griber simulerede hindringer og kollapser den anden vej så de nemt hives fri. Dette gjorde vi ved at sætte kunstige pigge på krabben som du ser her, og så afprøvede vi det. Forstår vi virkelig princippet bag forbedringer? Svaret er, ja! Her er den sænket 20 gange, og krabben suser over de simulerede hindringer. (Latter og Bifald) Lidt bedre end naturen.

Så til vores byggeplan skal vi tilføje sådanne pigge. Vil dette hjælpe os med at lave mere effektive klatrene robotter? Her er RHex -- RHex har problemer på skinner -- glatte skinner som du kan se her. Hvorfor ikke tilføje en pig? Mine kolleger ved U Penn gjorde dette. Dan Koditschek satte nogle stål søm på -- meget simpel version -- på robotten -- og her er RHex, gående over de stål skinner. Uden problemer! Hvordan gør den det? Hvis vi sænker farten kan du piggene i aktion. Benet drejer rundt, og du kan se den tage fat lige der. Det kunne den ikke før, den ville bare glide og side fast og vælte. Og se det igen, lige der -- succes.

Bare fordi vi har en fordelt fod og pigge betyder det ikke man kan klatre lodrette flader. Det er svært, rigtigt svært. Men se det her dyr gøre det! En af dem jeg sender rundt klatrer op ad en lodret overflade - en glat metal plade. Det er helt vildt så hurtigt den gør det -- men hvis man sænker farten, vil du se noget der er meget ekstraordinært. Det er en hemmelighed. Dyret klatrer ved at glide, og se -- den er faktisk forfærdeligt dårligt til at gribe overfladen. Det ser ud som om den svømmer op ad fladen. Vi kan faktisk modellere den adfærd bedre som en væske. Den fordelte fod, virker mere som padle.

Det samme gælder hvis vi kigger på firbenet løbende på meget fint sand. Se dens fødder. De virker som en padle selvom den løber på en flade vi normalt tænker på som fast. Dette minder meget om hvad min tidligere bachelorstuderende opdagede da hun fandt ud af hvordan firben kan løbe på vand. Kan vi bruge det til at lave en bedre robot? Martin Buehler gjorde det -- han er nu hos Boston Dynamics -- han tog denne idé og lavede RHex til Aqua RHex. Her er RHex med padler, nu konverteret til en utroligt manøvredygtig svømmende robot.

Til ru overflader tilføjer dyr kløer. Du kunne sikkert mærke dem hvis du tog fat i den. Rørte du ved den?

CA: Ja.

RF: Og de er gode til at gribe overfalder med disse kløer. Mark Cutkosky ved Stanford Universitet, en af mine samarbejdspartnere, en fantastisk ingeniør der udviklede teknikken kaldet Shape Deposition Manufacturing, hvor han kan indstøbe kløer i den kunstige fod. Her er en simpel version af en fod til en ny robot jeg vil vise jer om lidt. Så til vores byggeplan tilføjer vi kløer. Hvis man ser på dyrene, for at kunne manøvrere på alle overflader, bruger dyrene hybrid mekanismer der indbefatter kløer, pigge, hår, puder, lim og kapillarrørs klæbemiddel og en hel masse andre ting. Disse er alle fra forskellige insekter. Der er en myre kravlende på af en lodret overflade. Lad os se på den myre.

Det er en myrefod. Du kan se hårene, kløerne og den her ting. Her er foden i luften. Se hvad der sker når foden går på din sandwich. Ser du hvad der sker? Den pude kommer ud. Det er der limen er. Her er en myrefod nedefra, og når kløerne ikke graver sig ned, kommer puden automatisk ud, uden myren gør noget. Det presses bare ud. Det her var svært at filme -- jeg tror det er hvor myrefoden er på snor. Det er svært at gøre. Sådan ser det ud tæt på -- Her er myrefoden og her er limen.

Vi opdagede at denne lim måske er en spændende tofaset blanding. Det hjælper ihvertfald med at holde fast. Til byggeplanden tilføjer vi klistrede puder. Nu tror du måske dette er vores inspiration til glatte overflader. Vi har noget bedre. Gekkoen er et godt eksempel på nanoteknologi i naturen. Det er dens fødder. De ligner næsten alienfødder. Hemmeligheden de holder fast med, er behårede tæer. De kan løbe op af overflader med en meter per sekund, 30 skridt på de ene sekund -- du kan knap se det. Sænker vi farten, placerer de deres fødder på otte millisekunder, og fjerner dem på 16 millisekunder. Hvis du ser hvordan de fjerner dem, det er bizart. De skræller dem af overfladen som du fjerner et stykke tape. Meget mærkeligt. Hvordan sidder de fast?

Hvis man ser på deres fødder, har de blad-lignende strukturer kaldet linalae med millioner af hår. Hvert hår har den værst tænkelige tilfælde af splittede ender. Den har 100 til 1000 splittede ender, og det er sandheden, fordi de tillader intim kontakt. Gekkoen har en millard af disse 200-nanometer brede splittede ender. De sidder ikke fast med lim, og de virker ikke som velcro og det virker ikke som en sugekop. Vi opdagede de virker med intermolekylære kræfter. Så til byggeplanen splitter vi nogle hår. Det har inspireret designet af det første selvrensende tøre klæbemiddel -- nu med patent, det er vi glade for. Her er den simpleste version fra naturen, og her er min samarbejdspartner Ron Fearings forsøg på en kunstig version af det tøre klæbemiddel lavet af polyurethan. Her er det første forsøg med vægt på.

Dette har en kæmpe stor interesse i mange områder. Du kan sikkert finde på tusinder af anvendelser. Mange mennesker har netop det, og vi er spændte på at lave det som produkt. Vi har forestillet os produkter som denne her: Vi forestillede os et bio-inspireret plaster, hvor vi fjernede limen. Vi tog nogle hår fra en gekko, satte hårene på plastret og lavede dette plaster.

Det er en frivillig bachelor -- vi har 30.000 bachelorstuderende vi kan vælge blandt -- det er faktisk bare en rød tusch. Men det laver et fantastisk plaster. Det er åndbart, kan nemt tages af, der er ingen irritation og det virker under vand. Jeg synes det er et ekstraordinært eksempel på forskning drevet af nysgerrighed -- vi undrede os bare om hvordan de klatrede -- kan føre til ting vi ikke kunne forestille os. Det er bare et eksempel på hvorfor vi skal støtte nysgerrigheds-drevet forskning. Her bliver plastret taget af.

Vi har omdefineret hvad en fod er. Nu er spørgsmålet; kan vi bruge de her hemmeligheder, til at inspirere et design af en fod, bedre end naturens? Her er det nye projekt: Vi prøver at skabe den første klatrende eftersøgnings- og redningsrobot -- ingen sugekopper eller magneter -- der kun kan bruge bestemte overflader. Jeg kalder den nye robot RiSE, for "Robot in Scansorial Enviroment" -- det er klatrende omgivelser -- og vi har et ekstraordinært hold af biologer og ingeniører der laver robotten. Her er RiSE. Det er seksbenet og har en hale. Her er den på et hegn og et træ. Her er RiSE's første skridt på en hældning. Kan du høre lyden? Du kan høre den gå op. Her kommer den mod dig, dens første skridt op ad en væg. Den bruger kun sine simple fødder, så det er meget nyt. Men vi tror vi har dynamikken af robotten rigtig.

Mark Cutkosky har dog taget den videre. Det er ham der kan lave de her form-depositions fødder og tæer. Næste skridt er at lave kompatible tæer, og prøve at tilføje pigge og kløet og det tøre klæbemiddel. Idéen er at få styr på tæer og foden først, prøve at klatre med dem, og til sidst sætte dem på robotten. Det er præcist det han har gjort. Han har bygget and klatrende "fod-bot" inspireret af naturen.

Her er Cutkosky og hans fantastiske studerendes design. De her er tunede tæer -- der er seks af dem, og de bruger den byggeplan jeg snakkede om. Der er altså ingen sugekopper eller lim, og den vil til sidst når den sidder på en robot -- den er lige så biologisk inspireret som dyret -- forhåbentligt klatre alle slags overflader. Her ser du den klatre op af en bygning på Stanford. Farten er sat op -- igen er det en klatrende fod. Det er ikke hele robotten, vi arbejder på den -- her kan du se hvordan den fastgører sig. Disse strukturer tillader pigge, friktionspuder og til sidst klæbende hår til at gribe svære overflader. Sådan fik de denne her ting -- hastigheden sat 20 gange op -- kan du forestille dig den forsøge at redde nogen oppe den øvre etage? OK? Du kan se det for dig, det er ikke umuligt. Det er en meget udfordrende opgave. Der kommer mere senere.

Til slut: Vi har fået designhemmeligheder fra naturen ved at se på hvordan fødder er lavet. Vi har lært at fordele kontrollen over smarte dele. Sæt ikke alt i hjernen, men giv noget af kontrollen til fødderne, benene, selv kroppen. At naturen bruger hybride løsninger, ikke én løsning, til disse problemer, og de er integreret og fantastisk robuste. Og til sidst, tror vi stærkt at vi ikke skal efterligne naturen men i stedet blive inspireret af biologien, og bruge de her nye principper til at -- potentielt -- at lave noget bedre end naturen.

Der er en klar besked: Uanset om du vil forske fundementalt i virkeligt spændende, bizarre, dejlige dyr, eller du vil bygge en Eftersøgnings- og redningsrobot der kan hjælpe dig i et jordskælv, eller redde en fra en ildebrand, eller du tænker på medicin, bliver vi nødt til at bevare naturens løsninger. Ellers vil disse hemmeligheder blive tabt for altid. Tak.