Robert Full om ingeniørkunst og evolution.

Velkommen. Må jeg bede om det første billede, tak? Modsat udregninger udført af visse ingeniører, så kan bier flyve, delfiner kan svømme, og gekkoer kan sågar klatre op ad selv de glatteste overflader. Nuvel. Det, jeg ønsker at gøre på den korte tid, jeg har, er at forsøge at lade hver enkelt af jer opleve, på en måde, den fornøjelse det er at afsløre naturens design. Jeg har lejlighed til at gøre det hele tiden, og det er simpelthen fantastisk. Jeg vil prøve at dele bare en smule af det med jer gennem denne præsentation. Udfordringen ved at studere naturens design -- og jeg forklarer måden, vi betragter det på, og hvordan vi bruger det. Udfordringen er naturligvis at besvare dette spørgsmål: Hvad tillader denne uovertrufne præstation hos dyr, der tillader dem at leve næsten overalt? Og hvis vi kunne regne dét ud, hvordan vi kan selv gøre brug af disse udformninger?

Mange biologer vil sige til ingeniører og andre, at organismerne har haft millioner af år til at regne tingene ud, de er storslåede, de kan gøre alt vidunderligt godt. Så svaret er bio-efterligning -- bare kopier naturen direkte. Fra at arbejde med dyr ved vi, at sandheden er, at det er nøjagtig hvad vi ikke skal gøre. For evolution fungerer ud fra tilstrækkelighedsprincippet, og ikke ud fra et princip om, at noget skal være perfekt. Og begrænsningerne i at bygge en hvilken som helst organisme er er virkelig store. Naturlige teknologier har utrolige begrænsninger. Tænk over det. Tænk, hvis du var ingeniør, og jeg bad dig bygge en automobil, der i starten skulle have denne størrelse, derefter skulle vokse til fuld størrelse, og som skulle fungere fejlfrit undervejs. Tænk over, at hvis du bygger en automobil, så beder jeg dig sørge for, at der indeni også er en fabrik, der kan skabe endnu en automobil.

(Latter)

Og du kan aldrig, absolut aldrig, på grund af historien og den indbyggede plan, begynde med en ren tavle. Så organismer har denne vigtige historie. Evolution fungerer faktisk mere som en opfinder end som en ingeniør. Og dette er virkelig vigtigt, når man studerer dyr. I stedet for mener vi, at man skal lade sig inspirere af biologi. Man skal finde naturens generelle principper, og så bruge disse analogier, når de er fordelagtige. Det er en sand udfordring at gøre dette fordi dyr, når man virkelig studerer, hvordan de fungerer, virker håbløst komplekse. Der findes ingen detaljeret historik af grundtegningen, man kan ikke slå det op nogen steder. De har for mange bevægelser i deres led, for mange muskler, selv det simpleste dyr, for eksempel et insekt, og de har flere neuroner og forbindelser, end du kan forstille dig.

Hvordan kan du finde hoved og hale i dette? Tja, vi troede --- og vi opstillede hypoteser om -- at en måde dyr kunne fungere simpelt er, hvis deres bevægelsesstyring hovedsageligt var indbygget i deres kroppe. Hvad vi opdagede var, at to-, fire-, seks- og ottebenede dyr alle frembringer de samme energier på overfladen, når de bevæger sig. De fungerer alle som denne kænguru, de springer. Og de kan modeleres efter et fjederstyrkesystem, som vi kalder et "fjederstyrkesystem", fordi vi er biomekanikere - det er i virkeligheden en kængurustylte. De producerer alle samme mønster som en kængurustylte. Hvordan kan det passe? Jo, et menneske, et af jeres ben, fungerer som to ben på en hund der lunter, eller som tre ben tilsammen på et luntende insekt, eller fire ben på en luntende krabbe. De skiftes i fremdriften, men mønstrene er alle de samme. Næsten alle organismer, som vi har studeret på denne måde, -- det kommer i næste uge -- jeg giver jer et fingerpeg, der udkommer en artikel som fortæller, at virkelig store dyr såsom T.Rex sandsynligvis ikke kunne dette, men det ved I mere om i næste uge.

Det spændende er, at de dyr, som vi nævnte springer af sted over det lodrette plan sådan her, og i vores samarbejde med Pixar i "Græsrødderne," diskuterede vi myrefolkenes tobenede beskaffenhed. Og vi forklarede dem, at de naturligvis også bevæger sig i et andet plan, og de stillede de os dette spørgsmål. De sagde, "Hvorfor skal vi kun modellere det sagittale, eller lodrette, plan, når I nu siger, at disse dyr bevæger sig i det vandrette plan?" Det er et godt spørgsmål. Ingen inden for biologi har nogensinde modelleret det på den måde. Vi gjorde, som de sagde, og modellerede også dyrenes bevægelser i det horisontale plan. Vi tog deres tre ben, og samlede dem som ét, vi fik nogle af verdens bedste matematikere fra Princeton universitetet til at arbejde på udfordringen. Og vi var i stand til at skabe en model, hvor dyr ikke bare springer op og ned, men samtidig også fra side til side. Og mange organismer passer ind i denne type mønster. Nuvel, hvorfor er det vigtigt at have denne model? Fordi det er meget interessant. Når man tager denne model og påvirker den, giver den et skub, og den støder ind i noget, så selv-stabiliserer den, uden hjælp fra en hjerne, ej heller fra reflekser, alene ved hjælp af konstruktionen. Det en smuk model. Lad os kigge på matematikken bag.

(Latter)

Det vist rigeligt.

(Latter)

Når man studerer dyr, mens de løber, virker de til at være selvstabiliserende som dette, grundlæggende ved brug af fjedrende ben. Det vil sige, at benene selv kan lave beregninger, kontrolalgoritmerne er på sin vis indbygget i dyrenes udformning. Hvorfor har vi ikke ladet os inspirere mere af naturen og denne slags opdagelser før? Tja, jeg mener, at menneskelige teknologier er fundamentalt forskellige fra naturlige teknologier, det har de i det mindste været hidtil. Tænk over den typiske type robot, man ser. Menneskelige teknologier har haft en tendens til store overflader, med rette vinkler, stive, skabt i metal. De har bevægende dele og aksler. Der er meget få motorer, meget få sensorer. Hvorimod naturen plejer at være lille, og buet, og den vender og drejer sig og har ben i stedet og har vedhæng, den har mange muskler og mange, mange sensorer. Så det er et meget anderledes design. Det, der er ved at ændre sig, det, der er virkelig spændende -- og jeg vil vise jer noget af det om lidt -- er, at efterhånden som menneskelig teknologi antager flere karaktertræk fra naturen, så kan naturen blive en meget mere hjælpsom lærer.

Og her er et eksempel, der er virkelig spændende. Dette er et samarbejde, vi havde med Stanford universitetet. Og de udviklede en ny teknik, der kaldes 'formændringsfremstilling'. Det en teknik, hvor man kan blande materialer sammen og give dem en hvilken som helst form, og tillægge materialerne egenskaber. De kan indstøbe sensorer og styremotorer i selve formen. For eksempel er der her et ben. Den gennemsigtige del er hård, og den hvide del er eftergivende, og man behøver ingen aksler eller noget. Den bøjer smukt helt af sig selv. Så man kan indarbejde egenskaberne. Det inspirerede dem til at demonstrere dette design ved at fremstille en lille robot, som de kaldte Sprawl. Vores arbejde har også inspireret en anden robot, en biologisk inspireret springende robot, fra University of Michigan og McGill Universitetet. Den er døbt RHex, for 'robot hexapod' [6-fod], og den er selvstyrende. Lad os gå over til video, så jeg kan vise jer nogle af disse dyr i bevægelse. Og derefter nogle af de simple robotter, som vores opdagelser har inspireret. Her er, hvad nogle af jer gjorde i morges, om end I gjorde det udendørs og ikke på en trædemølle Her er, hvad vi gør.

(Latter)

Dette er en "Dødningehoved kakerlak", en amerikansk kakerlak, som I tror, ikke findes i jeres køkken. Dette er en otte-benet skorpion, en seks-benet myre, et fireogfyrre-benet tusindben. Nuvel, jeg sagde, at disse dyr stort set fungerer som kænguru stylter -- de springer af sted, når de bevæger sig, og man kan se dette hos denne spøgelseskrabbe fra Panamas kyst og North Carolina. Den bevæger sig op til fire meter i sekundet, når den løber. Den springer faktisk op i luften og har faser, hvor den er luftbåren. Når den gør det, er den som en hest - bemærk, hvordan den hopper her. Hvad vi opdagde er, at uanset om man studerer et menneskeben, som Richard, eller en kakerlak, eller en krabbe, eller en kænguru, så er fjedringens relative stivhed den samme for alt, hvad vi har studeret hidtil. Nå, hvad nytte har fjedrende ben så, hvad gør de godt for? Vi ønskede at undersøge, om det gav dyrene større stabilitet og manøvredygtighed. Så vi byggede et terræn, der havde forhindringer på tre gange hoftehøjden på de dyr, som vi studerede, og vi var overbeviste om, at de ikke kunne klare dette. Og her er hvad de gjorde. Dyret løb over dem og det sænkede ikke engang farten. Det nedsatte ikke sin foretrukne hastighed overhovedet. Vi kunne ikke tro vores egne øjene. Det fortalte os, at hvis man kunne bygge en robot med meget simple fjedrende ben, kunne man gøre den lige så menøvredygtig som nogen, der nogensinde er blevet bygget.

Her er det første eksempel på dette, dette er Stanfords Shape Deposition Manufactured robot, Sprawl. Den har seks ben -- der er de tunede fjedrende ben. Den bruger samme gangart som et insekt, og her er den på trædemøllen. Det, der er vigtigt ved denne robot, sammenlignet med andre robotter, er, at den kan ikke se noget, den kan ikke føle noget, den har ikke en hjerne, og alligevel kan den manøvrere over disse forhindringer uden nogen som helst vanskeligheder. Det er teknikken med at bygge egenskaberne ind i formen. Dette er en dimitterende student, dette er hvad han gør ved sit afgangsprojekt, meget robust hvis den dimitterende student gør det ved sit afgangs projekt.

(Latter)

Dette er fra McGill og University of Michigan, dette er RHex, den gør sin debut i en demonstration.

(Latter)

Samme princip. Den har kun seks bevægelige dele. Seks motorer, men den har fjedrende, tunede ben. Den bevæger sig med et insekts gangart, hvor det midterste ben bevæger sig synkront med det forreste og bagerste ben på dens modsatte side. En slags vekslende trefod, og de kan overkomme forhindringer nøjagtigt som dyret.

(Latter)

Åh, du godeste.

(Klap salver)

Den kan bevæge sig over forskellige overflader, her er sand, selvom vi ikke har færdigudviklet fødderne endnu, men det taler vi om senere. Her er RHex på vej ind i skoven.

(Latter)

husk, at denne robot ikke kan se noget, den kan intet føle, den har ingen hjerne. Den fungerer bare med et tunet mekanisk system, med meget simple dele. Men inspireret af dyrs fundamentale funktioner. Åh, jeg er vild med ham, Bob. Her smutter den ned ad en sti. Jeg præsenterede dette for Jet Propulsion Lab hos NASA, og de sagde, at de ikke havde nogen mulighed for at gå ned i kratere for at lede efter is, og i sidste ende liv, på Mars. Og han sagde -- i særdeleshed med ben-robotter, fordi de er alt for komplicerede. Intet kan klare det. Og jeg holdt tale bagefter. Jeg viste dem denne video med RHex' simple design her, og bare for at overbevise dem om, at vi skulle med til Mars i 2011, tonede jeg videobilledet orange - bare for at give dem fornemmelsen af at være på Mars.

(Latter)

(Klapsalve)

En anden årsag til, at dyr har ekstraordinære evner og kan bevæge sig overalt er, at de har et effektivt samspil med deres omgivelser. Det dyr, jeg skal til at vise jer, som vi har studeret for at se dette fænomen, er gekkoen. Vi har en her, og læg mærke til dens stilling. Den holder godt fast. Nu giver jeg jer en udfordring. Jeg viser jer en video. Et af disse dyr kommer til at løbe over en vandret overflade, og det andet kommer til at løbe op ad en væg. Hvilken gør hvad? De bevæger sig en meter i sekundet. Hvor mange tror, det er den til venstre, der løber op ad væggen?

(Klapsalve)

Okay. Pointen er, at det er virkelig svært at se, ikke? Det utroligt. Vi så på, mens vores studerende prøvede at regne det ud, og de kunne ikke se forskel. De kan løbe op ad en væg med 1 meter i sekundet, 15 skridt på et sekund, og de får det til at se ud som om de løber vandret. Hvordan bærer de sig ad? Det simpelthen fænomenalt. Det er den til højre, der bevægede sig op ad bakke. Hvordan gør de dette -- de har bizarre tæer -- de har tæer, som retter sig ud som Nytårs-truthorn, når man puster i dem, og derefter skrælles af overfladen ligesom tape. Som hvis vi havde et stykke tape nu, ville vi skrælles det af sådan. Det gør de med deres tæer. Det bizart. Denne skrællen inspirerede iRobot, som vi arbejder med, til at bygge Mecho-Gekkoer. Her er version med ben, og en traktor - eller bulldozer - version. Las os se nogle af gekkoerne bevæge sig på video, og bagefter viser jeg en lille bid af et klip med vores robotter. Her er gekkoen, der løber op ad en lodret flade, der var den, i uredigeret hastighed, der var den igen. Tydeligvis er vi nødt til at køre dette lidt langsommere.

Man kan ikke bruge almindelige kameraer. Man er nødt til at tage 1,000 billeder pr. sekund for at kunne se dette. Og her er noget film skudt med 1,000 billeder pr. sekund. Nu vil jeg bede jer lægge mærke til dyrets ryg. Kan I se hvor meget, den bøjer sådan der? Vi kan ikke regne det ud -- det et uløst mysterie. Vi har ingen ide om, hvordan det fungerer. Hvis I har en søn eller en datter, som vil til Berkeley, så kom ned på mit laboratorie, så kan vi regne det ud sammen. Okay, send dem til Berkeley, fordi det er det næste, jeg vil gøre. Her er gekkomøllen.

(Latter)

Det en gennemsigtig trædemølle med et gennemsigtigt løbebånd, så vi kan studere dyrets fødder, og filme dem på video gennem trædemøllens bånd, for at se hvordan de bevæger sig. Her er et dyr, som vi fik til at løbe op ad en lodret flade, vælg en fod og prøv at kigge på en tå, og læg mærke til om du kan se, hvad dyret gør. Se tæerne folde ud og skrælle af. Den kan gøre det på 14 millisekunder. Det utroligt. Her er de robotter, som de har inspieret, Mecho-Gekkoerne fra iRobot. Først ser vi dyrets tå skrælle af -- se engang. Og her er så Mecho-Gekkoens tå-skrællen, den bruger et tryk-følsomt klæbemiddel til at gøre det. Dyrets skrælning, Mecho-Gekkoens skrælning, der lader dem kravle autonomt op ad flade overflader, bevæge sig over på væggen, og derefter over på loftet. Her er bulldozer versionen. Den bruger ikke tryk-følsom lim. Det gør dyret jo heller ikke. Men det er, hvad vi er begrænset til i øjeblikket.

Hvordan gør dyret det? Dyret har underlige tæer, og hvis man kigger på tæerne, har de sådanne små blade, og hvis man forstørrer dem og zoomer ind, ser man, at der er små revner i disse blade. Og hvis man zoomer in 270 gange, ligner det et tæppe. Og hvis man forstørrer dét, og zoomer ind 900 gange, ser man, at der er hår der, små hår, og hvis man ser godt efter, har disse små hår også revner. Og hvis man zoomer ind 30,000 gange, ser man, at hvert hår er spaltet i enden. Og hvis man forstørrer disse, har de sådanne små strukturer på enden. Den mindste gren af hårene ligner en spartel, og et dyr som dette har 1 milliard af disse nano-store spaltede ender for at komme meget tæt på overfladen. Faktisk er her diameteren på dit hår, en gekko har 2 millioner af disse, og hvert hår har mellem 100 og 1000 spaltede ender. Forstil jer, hvor meget kontakt, de kan have.

Vi var heldige at arbejde sammen med en anden gruppe på Stanford, som byggede en speciel bemandet sensor til os, hvormed vi var i stand til at måle styrken på et enkelt hår. Her er et enkelt hår med en lille spalte i enden, da vi målte kræfterne, var de enorme, de var så store, at med en samling af hår på cirka denne størrelse kunne gekkoens fod nemt støtte et lille barns vægt -- ca. 20 kg. Nuvel, hvordan gør de så det? Vi opdagde dette for nylig. Gør de det gennem friktion? Nej, styrken er for lav. Gør de det via statikelektricitet? Nej, man kan ændre ladningen uden, at de slipper. Gør de det ved sammenføjning? Det en lidt ligesom Velcro. Nej, man kan sætte dem på en molekylær flad overflade -- det ikke det de gør. Hvad med sugekopper? De hænger fast i vakuum. Hvad så med fugt binding? Eller kapellær binding? De har ingen lim, og de hænger sågar fint fast under vand. Hvis du sætter deres fødder under vand så griber de fast. Hvordan gør de det så? Tro det eller lad være griber de fast ved hjælp af indermolekylære kræfter, ved hjælp af van der Waals kræfter.

Du havde sikkert noget om det her for længe siden i kemi, om, hvis to atomer er tæt på hinanden, og elektronerne bevæger sig rundt. Dén lille kraft er tilstrækkelig til at lade dem gøre dette, fordi det sker så mange gange med disse små strukturer. Det vi gør er, at vi lader os inspirere af hårene, og sammen med en anden kollega fra Berkeley fremstiller vi dem. Og vi har for nylig gjort en landvinding, og mener nu, at vi bliver i stand til at skabe det første syntetiske, selvrensende, tørre bindemiddel. Mange virksomheder er interesserede i dette.

(Latter)

Vi gav endda også en præsentation til Nike.

(Latter)

(Klapsalve)

Vi får se, hvor det fører hen. Vi var sådan oppe at køre over dette, at det gik op for os, at på denne lillebitte skala, hvor alting bliver klistret, og tyngdekraften ikke betyder noget længere, måtte vi studere myrer og deres fødder, fordi en af mine andre kollegaer på Berkeley har bygget en seks-millimeter stor silikonerobot med ben. Men den sidder fast. Den bevæger sig ikke særlig godt. Men det gør myrerne, og vi skal nok finde ud af hvorfor, så vi i sidste ende kan få den til at bevæge sig. Forestil jer, engang vil man kunne have sværme af disse seks-millimeter robotter til at løbe rundt. Hvor fører dette hen? Jeg tror allerede, I kan forestille jer det.

Tydeligvis har internettet allerede øjne og ører, I har webkameraer og så videre. Men det får også ben og fødder. Du bliver i stand til at lave programmerbart arbejde med disse robotter, så man kan løbe, flyve og svømme overalt. Vi så David Kelly's starte det med hans fisk. Som konklusion mener jeg, budskabet er klart. Hvis du har rbug for et budskab, hvis naturen i sig selv ikke er nok, hvis du interesserer dig for redningsarbejde, eller minerydning, eller medicin, eller de forskellige ting, vi arbejder på, er det nødvendigt at bevare naturens design, ellers går disse hemmeligheder tabt for altid. Tak skal I have.

(Klapsalve)