Robert Full: Lehren aus dem Gecko-Schwanz

Lassen Sie mich heute eine Erstentdeckung mit Ihnen teilen. Aber ich möchte es Ihnen so erzählen, wie es wirklich passiert ist. Und nicht so, wie ich es auf einer wissenschaftlichen Konferenz vorstellen würde oder wie Sie es in einer wissenschaftlichen Publikation lesen könnten. Es ist eine Geschichte, die über Bionik hinausgeht, hin zu etwas, das ich Biosymbiose nenne. Ich definiere diesen Begriff als die Verbindung zwischen Biologie und einer weiteren Disziplin, wobei sich die Disziplinen gegenseitig voranbringen, wobei aber die daraus hervorgehenden gemeinsamen Entdeckungen über die einzelnen Fachgebiete hinausgehen. Nun, was die Bionik anbelangt, so wird, je mehr Eigenschaften der Natur menschliche Technologien annehmen, die Natur ein immer nützlicherer Lehrer. Die Ingenieurwissenschaft kann sich durch die Biologie inspirieren lassen, indem sie deren Prinzipien und Analogien nutzt, wenn sie einen Vorteil bieten. Aber dann kann sie diese mit der besten menschlichen Ingenieurskunst verbinden, um letztendlich etwas herzustellen, das besser ist als die Lösung der Natur.

Nun, da ich Biologe bin, machte mich dies besonders neugierig. Dies sind Gecko-Zehen. Und wir haben uns gefragt, wie sie diese bizarren Zehen nutzen, um dermaßen schnell eine Wand hinaufzuklettern. Wir haben es herausgefunden. Und was wir entdeckt haben, ist, dass sie diese blattähnlichen Strukturen an den Zehen haben, die mit Millionen winziger Härchen aussehen wie ein Teppich. Und jedes dieser Härchen hat die schlimmstmögliche Form von Spliss, etwa 100 bis 1000 gespaltene Haarenden in Nanogröße. Und jedes einzelne Tier hat 2 Milliarden dieser gespaltenen Haarenden in Nanogröße. Sie haften weder wie ein Klettverschluss noch durch Saugwirkung oder Klebstoff. Tatsächlich haften sie allein aufgrund intermolekularer Kräfte, den Van-der-Waals-Kräften. Und ich freue mich sehr, Ihnen heute die Herstellung des ersten synthetischen, selbstreinigenden Trockenklebemittels verkünden zu dürfen. Ausgehend von der einfachsten in der Natur vorkommenden Form, einer einzelnen Verzweigung, hat mein Ingenieurskollege Ron Fearing von der Universität Berkeley die erste synthetische Version hergestellt. Das gleiche gilt für meinen anderen hervorragenden Kollegen, Mark Cutkosky von der Universität Stanford. Er hat Haare hergestellt, die viel größer sind als die des Geckos, dabei aber die gleichen Prinzipien angewendet.

Und dies ist der erste Test. (Gelächter) Hier sehen Sie Kellar Autumn, meinen ehemaligen Doktoranden, der jetzt Professor am Lewis & Clark College ist, wie er sprichwörtlich seinen Erstgeborenen hergibt, um diesen Test machen zu können. (Gelächter)

Vor kurzem ist dann das hier passiert:

Mann: Dies ist das erste Mal, dass tatsächlich jemand damit geklettert ist.

Sprecher: Lynn Verinsky, eine Profikletterin, die nur so vor Zuversicht zu strotzen schien.

Lynn Verinsky: Ganz ehrlich, das ist hundertprozentig sicher. Es ist vollkommen sicher.

Mann: Woher wissen Sie das?

Lynn Verinsky: Wegen der Haftpflichtversicherung.

Sprecher: Mit einer Matte auf dem Boden und mit einem Seil gesichert, begann Lynn ihren 18-Meter-Aufstieg. Lynn erreichte die Höhe mit einer perfekten Mischung von Hollywood und Wissenschaft.

Mann: Sie sind nun also offiziell der erste Mensch, der einen Gecko nachgeahmt hat.

Lynn Verinsky: Ha! Wow. Und was für eine Ehre das war.

Robert Full: Das hat sie an rauen Oberflächen gemacht. Aber sie hat auch an glatten Oberflächen zwei von diesen hier verwendet, um nach oben zu klettern und sich nach oben zu ziehen. Sie können das in der Lobby ausprobieren und sich das durch den Gecko inspirierte Material ansehen. Das Problem bei Robotern, die dies tun, ist, dass sie sich nicht mehr lösen können, wenn sie dieses Material verwenden. Dies ist die Lösung der Geckos. Sie rollen ihre Zehen mit großer Geschwindigkeit von der Oberfläche weg, während sie die Wand hinauflaufen.

Nun, ich freue mich sehr, Ihnen heute die neuste Version eines Roboters - Stickybot (Klebebot) - zeigen zu können, der ein neues, hierarchisches Trockenklebemittel verwendet. Hier haben wir den Roboter. Und das ist, was er tut. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie erkennen, dass er die Zehen aufrollt, genau wie ein Gecko. Und wenn wir Ihnen einen Auschnitt des Videos zeigen können, sehen Sie ihn eine Wand hinaufklettern. (Applaus) Da ist er. Und jetzt kann er auch an anderen Oberflächen haften, dank des neuen Klebemittels, das die Forschungsgruppe in Stanford erzeugen konnte, als sie diesen unglaublichen Roboter entworfen haben. (Applaus)

Oh. Eine weitere Sache, auf die ich hinweisen wollte. Sehen Sie sich Stickybot an. Sie können etwas an ihm sehen. Und das ist nicht bloß, damit er aussieht wie ein Gecko. Er hat einen Schwanz. Und immer wenn man denkt, man hätte die Natur verstanden, passiert so etwas. Die Ingenieure sagten uns, dass die Kletterroboter, wenn sie keinen Schwanz haben, von der Wand fallen. Also haben sie uns eine wichtige Frage gestellt. Sie sagten: "Nun, es sieht irgendwie aus wie ein Schwanz." Auch wenn wir nur einen unbeweglichen Stab montiert haben. "Verwenden Tiere ihre Schwänze, wenn sie Mauern hinaufklettern?" Was sie getan haben, war, dass sie sich revanchiert haben, indem sie uns eine Hypothese gegeben haben, die wir in der Biologie testen konnten und auf die wir so nicht gekommen wären.

Nun, natürlich gerieten wir da ein wenig in Panik, denn als Biologen sollten wir das bereits wissen. Wir haben uns gefragt: "Nun, was tun Schwänze?" Nun ja, wir wissen, dass Schwänze zum Beispiel als Fettspeicher dienen. Wir wissen, dass man sie zum Greifen verwenden kann. Und die vielleicht am besten bekannte Tatsache ist, dass sie ein statisches Gleichgewicht verleihen. (Gelächter) Er kann als Gegengewicht dienen. Betrachten Sie einmal dieses Känguru. Sehen Sie diesen Schwanz? Das ist unglaublich. Marc Raibert baute den Hüpfroboter Uniroo. Ohne seinen Schwanz war dieser Roboter instabil. Im Allgemeinen schränken Schwänze die Wendigkeit ein. So wie bei diesem Menschen in seinem Dinosaurieranzug. (Gelächter) Meine Kollegen haben diese Einschränkung tatsächlich getestet, indem sie das Trägheitsmoment der Studenten erhöhten - sie hatten also einen Schwanz bekommen - und sie durch einen Hindernisparcours rennen ließen. Dabei haben sie eine Abnahme der Leistungsfähigkeit festgestellt, genau wie erwartet. (Gelächter) Aber hierbei handelt es sich natürlich um einen passiven Schwanz. Man kann aber auch einen aktiven Schwanz haben.

Und als ich mich daran machte, dies zu erforschen, wurde mir klar, dass wir bei einem der großartigen TED-Vorträge der Vergangenheit, von Nathan, über einen aktiven Schwanz gesprochen haben.

Video: Myhrvold geht davon aus, dass die Dinosaurier, die ihren Schwanz durch die Luft peitschten, dies für die Liebe taten und nicht für den Kampf.

Robert Full: Er sprach darüber, dass der Peitschenschwanz ein Kommunikationsmittel ist. Er kann aber auch zur Verteidigung genutzt werden. Ziemlich schlagkräftig. Wir gingen also ins Labor zurück und sahen uns das Tier genauer an. Wir ließen es eine Fläche hinauflaufen. Aber diesmal hatten wir einen rutschigen Streifen angebracht, den Sie hier gelb sehen können. Und achten Sie rechts einmal darauf, was das Tier mit seinem Schwanz tut, wenn es abrutscht. Das hier ist um den Faktor 10 verlangsamt. Das ist die Normalgeschwindigkeit. Und jetzt beobachten Sie, wie es wegrutscht und was es mit seinem Schwanz tut. Es hat einen aktiven Schwanz, der als fünftes Bein dient und der zur Stabilität beiträgt. Wenn man den Gecko dazu bringt, weit zu rutschen, tut er das hier, wie wir entdeckt haben. Das ist unglaublich. Die Ingenieure hatten da eine wirklich gute Vermutung.

Und dann haben wir uns natürlich gefragt: "Okay, sie haben einen aktiven Schwanz, aber stellen wir uns das mal genau vor. Sie klettern eine Wand hoch, oder einen Baum. Und wenn sie oben ankommen, sind, sagen wir einmal, Blätter dort. Was würde passieren, wenn sie an die Unterseite des Blattes kletterten und es käme eine Böe oder wir würden das Blatt schütteln?" Also haben wir das Experiment durchgeführt, das Sie hier sehen können. (Applaus) Und dies haben wir entdeckt. Diese Aufnahme ist in Echtzeit. Da können Sie gar nichts erkennen. Aber hier haben wir sie verlangsamt.

Was wir entdeckt haben, ist der weltweit schnellste Stellreflex im freien Fall. Für diejenigen von Ihnen, die sich an den Physikunterricht erinnern: Das ist eine Drehung bei einem Anfangsdrehimpuls von null. Aber das ist wie bei Katzen. Sie wissen schon: fallende Katzen. Katzen machen das. Sie verdrehen ihren Körper. Aber Geckos können das viel besser. Und sie schaffen das durch ihren Schwanz. Sie erreichen dies durch ihren aktiven Schwanz, indem sie ihn herumschwingen. Und dann landen sie immer in dieser Superman-Fallschirmsprung-Pose. Okay, nun haben wir uns gedacht, wenn wir Recht haben, sollten wir in der Lage sein, das an einem physikalischen Modell, einem Roboter, zu testen.

Also haben wir für TED einen Roboter gebaut – hier drüben –, einen Prototyp mit Schwanz. Und wir werden zum ersten Mal den Stellreflex mithilfe eines Schwanzes an einem Roboter testen. Könnten wir bitte einen Scheinwerfer auf ihn richten? Okay, los gehts. Zeigen Sie bitte das Video. Da haben wir es. Und es funktioniert ganz genau so wie beim Tier. Man braucht also nichts als eine Bewegung mit dem Schwanz, um sich auszurichten. (Applaus)

Jetzt waren wir natürlich besorgt, weil das Tier keine Anpassung an den Gleitflug aufweist, also dachten wir uns: "Na gut, dann stecken wir ihn in einen vertikalen Windkanal. Wir blasen die Luft nach oben, wir bauen ihm ein Landeziel auf, einen Baumstamm, der sich gerade außerhalb der Plexiglasumrandung befindet und sehen nach, was er tut. (Gelächter) Und so haben wirs auch gemacht. Und er tut das hier. Der Wind kommt also von unten. Dies hier ist um den Faktor 10 verlangsamt. Er macht einen stationären Gleitflug. Hochkontrolliert. Das ist irgendwie unglaublich. Aber es ist wirklich schön, wenn man ein Foto davon macht. Und es wird noch besser. Beim nach vorne Gleiten manövriert er mitten in der Luft. Und so macht er es: Er nimmt seinen Schwanz und schwingt ihn in eine Richtung, um nach links zu gieren und in die andere, um nach rechts zu gieren. Man kann also so manövrieren. Und dann – wir mussten das mehrfach filmen um es zu glauben – macht er auch das hier. Sehen Sie nur. Es macht wellenförmige Auf- und Abbewegungen mit dem Schwanz, ganz wie ein Delphin. Er kann tatsächlich durch die Luft schwimmen. Aber achten Sie auf seine Vorderbeine. Können Sie sehen, was sie machen? Was bedeutet das für den Ursprung des Schlagflugs? Vielleicht entwickelte er sich durch das Herunterkommen von Bäumen und dem Versuch, den Gleitflug zu kontrollieren. Bleiben Sie dran, was das angeht. (Gelächter)

Und dann haben wir uns gefragt: "Können sie damit wirklich steuern?" Hier haben wir also das Landeziel. Würden sie mit diesen Fähigkeiten darauf zusteuern können? Hier sehen wir ihn im Windkanal. Und es sieht ganz so aus. Von oben betrachtet, kann man es noch besser erkennen. Achten Sie auf das Tier. Es bewegt sich eindeutig auf das Landeziel zu. Beachten Sie auch, wie es den Schwanz hin- und herschwingt. Sehen Sie sich das nur an. Das ist unglaublich.

Jetzt waren wir wirklich verwirrt. Denn es gibt keine Berichte über gleitende Geckos. Also sagten wir uns: "Oh mein Gott, wir müssen eine Felduntersuchung machen und überprüfen, ob er das wirklich macht." Natürlich vollkommen anders, als sie das in einem Naturfilm sehen würden. Wir haben uns gefragt: "Gleiten sie wirklich in der freien Wildbahn?" Wir gingen also in die Wälder Singapurs und Südostasiens. Das nächste Video, das Sie sehen werden, haben wir noch nie vorher gezeigt.

Das ist die Originalaufnahme, es ist nichts gestellt, ein echtes Forschungsvideo von nach unten gleitenden Tieren. In rot ist eine Flugbahn eingezeichnet. Am Ende sehen Sie das Tier. Aber wenn es dichter an den Baum herankommt, achten Sie auf die Nahaufnahme und versuchen Sie zu erkennen, wie es landet. Da kommt es also runter. Da haben wir den Gecko am Ende der Flugbahn. Können Sie ihn sehen? Da? Da kommt er runter. Wenn Sie jetzt hier oben hinschauen, können Sie die Landung sehen. Haben Sie gesehen, wie er ankommt? Er verwendet tatsächlich auch den Schwanz. Genau wie wir es im Labor gesehen haben.

Jetzt können wir also unsere Symbiose fortsetzen, indem wir ihnen vorschlagen, einen aktiven Schwanz zu entwerfen. Und hier haben wir den ersten aktiven Schwanz des Roboters, hergestellt von Boston Dynamics. Abschließend möchte ich sagen, dass wir meiner Meinung nach mehr Biosymbiosen eingehen sollten, wie ich sie gezeigt habe, die durch ihre Umsetzung die Geschwindigkeit erhöhen, mit der grundlegende Entdeckungen gemacht werden. Um dies tun zu können, muss allerdings das Bildungswesen grundlegend geändert werden, um eine Balance zwischen Tiefe und interdisziplinärem Informationsaustausch zu erreichen. Außerdem müssen wir den Menschen explizit beibringen, wie sie von anderen Disziplinen profitieren und selbst einen Beitrag zu ihnen leisten können. Und natürlich brauchen wir auch die Organismen und die Umwelt dazu. Deshalb müssen wir, egal ob Ihnen Sicherheit, Suchen und Retten oder die Gesundheit am Herzen liegen, die Entwürfe der Natur erhalten, sonst gehen diese Geheimnisse für immer verloren. Und nach allem, was ich von unserem neuen Präsidenten gehört habe, bin ich sehr zuversichtlich. Vielen Dank. (Applaus)