Robert Full über die Bewegung von Tieren

Stellen Sie sich einmal vor, Sie sind Student in meinem Labor. Und ich möchte, dass Sie ein biologisch inspiriertes Design schaffen. Hier ist die Aufgabe: Helfen Sie mir dabei, ein dynamisches, parameterisiertes Kontaktmodell in 3D zu bauen. Übersetzt heißt das: Können Sie mir helfen, einen Fuß zu bauen? Und das ist eine Herausforderung, bei der Sie mir helfen müssen. Die Aufgabe bringt natürlich einen Preis mit sich. Vielleicht nicht der TED Prize, aber doch ein exklusives T-Shirt aus unserem Labor. Also bitte senden Sie mir Ihre Ideen, wie man einen Fuß designt.

Was gehört zum Design eines Fußes dazu? Zuerst müssen wir wissen, was ein Fuß ist. Im Wörterbuch steht: "Die untere Extremität eines Beins, das beim Stehen oder Laufen in direktem Bodenkontakt steht." Das ist die traditionelle Definition. Aber was gehört zu einer richtigen Recherche darüber? Wir müssen schauen, was in der bekannten Literatur über Füße steht. Also wenden wir uns der Literatur zu. (Lachen)

Vielleicht ist Ihnen diese Art Literatur bekannt. Problematisch ist aber, dass es viele, viele Füße gibt. Wie macht man das? Wir müssen alle Füße untersuchen und die Prinzipien ihrer Funktionsweise herausarbeiten. Und im nächsten Video sollen Sie mir dabei helfen. Achten Sie in diesem Video auf Gemeinsamkeiten und denken Sie über Experimente nach, mithilfe derer Sie die Funktionsweise eines Fußes verstehen können.

Sehen Sie Gemeinsamkeiten? Grundprinzipien? Was würden Sie tun? Welche Experimente würden Sie durchführen? Wow. (Beifall) Durch unsere Forschung zur Biomechanik der Fortbewegung von Tieren konnten wir einen Bauplan eines Fußes erstellen. Den Entwurf hat die Natur inspiriert, er ist aber keine Kopie der soeben gesehenen spezifischen Füße, sondern eine Synthese der Geheimnisse vieler, vieler Füße.

Jetzt stellt sich heraus, dass Tiere überall hin können. Sie können sich auf sehr verschiedenen Untergründen fortbewegen – sie variieren in der Kontaktwahrscheinlichkeit, der Bewegung der Oberfläche und den gegebenen Auftrittsmöglichkeiten. Wenn wir untersuchen, wie ein Fuß funktioniert, müssen wir diese Oberflächen oder Hindernisse simulieren. Dabei führten wir ein neues Experiment durch: Wir ließen ein Tier – hier eine Grasspinne – über eine Oberfläche laufen, von der 99 % der Kontaktfläche entfernt worden waren. Aber das verringerte die Geschwindigkeit des Tiers kein bisschen. Es läuft immer noch mit einer Geschwindigkeit von fast 500 km/h.

Wie gelang ihm das nur? Schauen Sie genauer hin. Verlangsamen wir die Bewegung 50-mal, sehen wir, wie das Bein das Hindernis berührt. Das Bein handelt wie ein Fuß. Und das Tier lässt andere Teile seines Beins viel öfter als den traditionell definierten Fuß Kontakt herstellen. Der Fuß ist über das ganze Bein verteilt. Hier ist ein anderes Experiment, wo der Fuß einer Kakerlake entfernt wird. Ich lasse ein paar Kakerlaken herumgehen. Schauen Sie sich ihre Füße an. Ohne einen Fuß tut sie dies. Sie verlangsamt sich noch nicht einmal. Sie kann ohne dieses Segment die Geschwindigkeit beibehalten. Kein Problem für die Schabe – die Füße wachsen auch wieder nach. Wie stellen sie das an? Schauen Sie genau hin: Einhundertfach verlangsamt sehen wir nun, was sie mit ihrem Bein anstellt. Und wieder fungiert es als erweiterter Fuß – sehr effektiv.

Unsere Frage war aber: Wie allgemein ist ein erweiterter Fuß? Bei dem nächsten Verhalten waren wir beim ersten Sehen einfach nur verblüfft. Journalisten, das ist nicht für die Öffentlichkeit bestimmt. Schauen Sie mal, was das ist! Das ist ein zweifüßiger Oktopus, der als rollende Kokosnus verkleidet ist. Er wurde von Christina Huffard entdeckt, und von Sea Studios gefilmt, genau hier aus Monterey.

Wir haben auch eine andere Spezies des zweifüßigen Oktopus entdeckt. Der hier tarnt sich als treibende Algen. Er läuft auf zwei Beinen und hält die anderen Arme hoch, damit er nicht gesehen wird. (Beifall) Und schauen Sie, was er tut, um den Fuß über schwieriges Terrain zu bewegen. Dieser wunderbare erweiterte Fuß lässt die Hindernisse wie gar keine erscheinen – wahrhaftig außergewöhnlich.

1951 zeichnete Escher dieses Bild. Er dachte, er hätte Tier-Fantasy gezeichnet. Aber da bekanntlich die Kunst das Leben imitiert, stellt sich heraus, dass die Natur vor drei Millionen Jahren das nächste Tier entwickelte. Es ist ein Shrimp-ähnliches Tier namens Stomatopode. So bewegt es sich an den Stränden von Panama: Es rollt regelrecht und kann sogar bergauf rollen. Es ist der ultimative erweiterte Fuß: Der gesamte Körper agiert in diesem Fall als Fuß.

Wenn wir dann unserem Bauplan das erste wichtige Feature geben wollen, dann ist das also erweiterter Fußkontakt. Nicht nur mit dem traditionellen Fuß, auch mit dem Bein und selbst mit dem Körper. Kann uns das dabei helfen, neuartige Roboter zu entwerfen? Wir sorgten für die biologische Inspiration dieses Roboters namens RHex, der von diesen fantastischen Ingenieuren in den letzten paar Jahren gebaut wurde. Der Fuß von RHex fing zunächst ganz einfach an, mit der Zeit wurde an ihm herumgeschraubt und schließlich wurde es dieser HalbkreIs. Wieso das? Das Video zeigt es Ihnen. Schauen Sie, wo der Roboter auf diesem schwierigen Untergrund Kontakt mit seinem Bein herstellt. Sie sehen, dass er den Halbkreisfuß als erweiterten Fuß einsetzt. Schauen Sie, wie er hier läuft. Sie können es bei dem Hindernis gut sehen. Außergewöhnlich. Kein Tasten, alle Kontrollen sind direkt in die Beine eingebaut. Sehr einfach, aber schön.

Vielleicht ist Ihnen an den Tieren noch etwas aufgefallen, während Sie den unebenen Boden überquerten. Und hier hilft mein Assistent. Als du das Bein der Schabe angefasst hast – können wir ihm ein Mikro geben? Als du das Bein der Schabe angefasst hast, wie fühlte sich das an? Ist dir etwas aufgefallen?

Junge: Stachelig.

Robert Full: Es ist stachelig, nicht? Sehr stachelig, oder? Es tut sogar weh. Vielleicht können wir es unserem Kurator geben, vielleicht hat er den Mut, die Schabe anzufassen. (Lachen)

Chris Anderson: Hast du's angefasst?

Fell: Schauen Sie sich das Bein genau an, Sie sehen da die Stacheln, und bis vor ein paar Wochen wusste niemand, wofür sie da sind. Sie nahmen an, sie existierten zum Schutz und wegen der Sensorik. Sie sind aber für etwas anderes – hier ein Segment des Stachels. Sie sind so eingestellt, dass sie leicht in eine Richtung zusammenklappen, um das Bein aus dem Geröll zu ziehen, aber in die andere Richtung sind sie steif, so dass sie Unebenheiten auffangen können.

Krabben treten nie daneben, weil sie sich normalerweise auf Sand bewegen – bis sie in unser Labor kommen. Und dort haben sie ein Problem mit so einem Gitter, denn ihnen fehlen die Stacheln. Die Krabben haben keine Stacheln, also kommen sie auf unebenem Terrain weniger gut klar. Aber natürlich können wir damit umgehen, denn wir können künstliche Stacheln herstellen. Wir können Stacheln herstellen, die auf simulierten Hindernissen greifen und zur leichten Entfernung zusammenklappen. Wir versahen die Krabben mit diesen künstlichen Stacheln wie Sie hier sehen, und testeten sie dann. Verstehen wir wirklich das Prinzip des Aufmotzens? Oh ja! Das ist 20-fach verlangsamt und die Krabbe rast regelrecht über das Hindernis hinweg. (Lachen) (Beifall) Ein bisschen besser als die Natur.

Wir mussten also unseren Bauplänen solche Stacheln geben. Hilft uns das jetzt beim Entwerfen effektiverer kletternder Roboter? Hier ist RHex: RHex hat auf Schienen Probleme – auf glatten Schienen wie denen hier. Geben wir ihm Stacheln! So geschah es an der Universität von Pennsylvania. Dan Koditschek versah den Roboter mit Stahlnägeln – einer sehr einfachen Version – und hier sehen wir RHex über die Schienen gehen! Kein Problem! Wie tut er das? Verlangsamen wir, um die Stacheln in Aktion zu sehen. Hier kommt das Bein an, und es hält sich genau dort fest. Vorher konnte es das nicht, es rutschte einfach aus, steckte fest und fiel um. Und hier schon wieder – erfolgreich.

Nur weil wir jetzt einen erweiterten Fuß und Stacheln haben, kann man noch lange nicht vertikale Oberflächen erklimmen. Das ist echt, echt schwer. Aber dieses Tier kann es! Eines von den Tieren, die ich herumreiche, kann diese vertikale glatte Metallplatte hochklettern. Und es tut das in einem verblüffenden Tempo – Aber wenn man es verlangsamt, sehen wir etwas Beeindruckendes. Ein Geheimnis. Das Tier klettert, indem es ausrutscht und es kann eigentlich überhaupt nicht gut die Oberfläche greifen. Es sieht eher so aus, als schwömme es die Oberfläche hoch. Wir können dieses Verhalten besser als Flüssigkeit nachbauen. Der erweiterte Fuß funkioniert eher wie ein Paddel.

Dasselbe gilt bei dieser Eidechse, die über verflüssigten Sand läuft. Schauen Sie auf die Füße. Sie fungieren als Paddel, obwohl sie mit einer Oberfläche interagieren, die wir eigentlich für fest halten. Das unterscheidet sich nicht von den Entdeckungen meiner früheren Studentin, die herausfand, wie Eidechsen auf dem Wasser selbst laufen. Können wir das für bessere Roboter verwenden? Martin Buehler – nun bei Boston Dynamics – gelang es, er nahm diese Idee und verwandelte RHex in den Aqua RHex. Hier ist RHex mit Paddeln, jetzt in einen unglaublich manövrierfähigen schwimmenden Roboter umgewandelt.

Für unebene Oberflächen jedoch haben Tiere Klauen. Und wahrscheinlich spüren Sie die, wenn Sie das angefasst haben. Hast du's angefasst?

Anderson: Hab ich.

Fell: Und sie können sich mit diesen Klauen sehr gut an Oberflächen festhalten. Mark Cutkosky an Stanford, einer meiner Partner, ist ein außergewöhnlicher Ingenieur, der eine Technik namens Shape Deposition Manufacturing (etwa: "Formanreicherung") entwickelte, wo er Klauen direkt in einen künstlichen Fuß einbetten kann. Und hier ist eine einfache Version eines Fußes für einen neuen Roboter, den ich Ihnen gleich zeige. Fügen wir unserem Bauplan also Klauen hinzu. Die Tiere, die wirklich gut auf allen Oberflächen manövrieren können, verwenden Hybridmechanismen, die Klauen und Stacheln, Härchen und Ballen, Kleber und kapillare Adhäsion einsetzen, und noch eine Menge anderer Dinge. Die hier sind alle von unterschiedlichen Insekten. Hier krabbelt eine Ameise eine senkrechte Oberfläche hoch. Schauen wir sie uns an.

Das ist der Fuß der Ameise. Die Härchen und Klauen und das Ding hier sind sichtbar. Das passiert, wenn sein Fuß in der Luft ist. Schauen Sie was passiert, wenn der Fuß auf Ihr Sandwich gerät. Haben Sie's gesehen? Der Ballen kommt heraus. Und dort ist der Kleber. Hier sehen wir einen Ameisenfuß von unten, und wenn die Klauen sich nicht eingraben, kommt der Ballen ohne Zutun der Ameise heraus. Er fährt sich einfach aus. Diese Aufnahme war echt schwer – das ist der Ameisenfuß auf Bindfäden. War also ganz schön schwer. So sieht es von Nahem aus – hier ist der Ameisenfuß und hier der Kleber.

Und dieser Kleber entpuppt sich als interessanter Zwei-Komponenten-Mix. Das hilft ihr wirklich beim Festhalten. In unseren Bauplan fügen wir also klebrige Ballen ein. Daraus könnte man jetzt vielleicht für glatte Oberflächen Inspiration schöpfen. Wir haben hier aber etwas besseres. Der Gecko ist ein großartiges Beispiel von Nanotechnologie in der Natur. Hier sind seine Füße. Sie sehen fast wie von Außerirdischen aus. Und das Geheimnis, was sie haften lässt, sind ihre haarigen Zehen. Sie können mit 1 m/s eine Oberfläche emporlaufen, 30 Schritte in dieser einen Sekunde machen – man kann sie kaum sehen. Wenn wir das nun verlangsamen, stellen ihre Füße in 8 ms Kontakt her und lösen die Verbindung in 16 ms. Und der Prozess des Ablösens ist bizarr. Sie ziehen sie von der Oberfläche ab wie man ein Stück Klebeband abziehen würde. Sehr seltsam. Wie haften sie nur?

Schauen wir uns ihre Füße an: blattförmige Lamellen mit Millionen von Haaren. Und jedes Haar hat furchtbaren Spliss. Es hat hundert bis tausend gespaltene Enden, und das ist das Geheimnis, es lässt intimen Kontakt zu. Der Gecko hat eine Milliarde dieser Härchen von 200 nm Größe. Und diese haften nicht mit Klebstoff, sie funktionieren nicht wie ein Klettverschluss und nicht wie Saugnäpfe. Wir entdeckten, dass sie allein durch intermolekulare Kräfte funktionieren. In unserem Bauplan spalteten wir also ein paar Haare. Das hat das Design des ersten selbstreinigen Trockenklebers inspiriert – und ich darf verkünden, dass das Patent ausgestellt ist. Hier ist die einfachste Version in der Natur, und hier versucht sich mein Partner Ron Fearing an einer künstlichen Version dieses Trockenklebers aus Polyurethan. Und hier ist mein erster Versuch, ihn zu belasten.

Eine Reihe unterschiedlicher Gebiete interessiert sich sehr dafür. Es gäbe dafür tausend verschiedene Anwendungen. Viele haben das schon erkannt, und wir sind stolz, dies als Produkt umzusetzen. Wir haben Produkte erdacht, zum Beispiel dieses: Wir haben uns ein biologisch inspiriertes Pflaster erdacht, ein Pflaster ohne Kleber. Wir nahmen ein paar Härchen von einem sich häutenden Gecko, pappten hier drei Rollen davon daran und schufen dieses Pflaster.

Das ist ein studentischer Freiwilliger – wir können aus einem Pool von 30.000 Erststudenten wählen – das ist eigentlich nur von einem roten Stift. Aber es ist ein unglaubliches Pflaster. Es wird belüftet, man kann es leicht abziehen, es verursacht keine Reizungen und ist wasserfest. Das ist ein außerordentliches Beispiel dafür, wie auf Neugier basierte Forschung – wir wollten nur wissen, wie sie an etwas hochklettern – zu Dingen führen kann, die man sich nicht vorstellen konnte. Das ist nur ein Beispiel, warum wir Forschung aus Neugier unterstützen müssen. Hier ziehen wir das Pflaster ab.

Wir haben also jetzt umdefiniert, was ein Fuß ist. Die Frage ist, ob wir diese Geheimnisse nutzen können, um das Design eines besseren Fußes zu inspirieren, besser als das Design der Natur? Hier ist das nächste Projekt: Wir versuchen uns am ersten kletternden Such- und Berge-Roboter – ohne Saugnäpfe oder Magneten – der sich nur auf einer begrenzten Auswahl von Oberflächen bewegen kann. Ich nenne ihn RiSE: "Roboter in Scan-sorischer Umgebung" – eine Kletterumgebung also – und ein außergewöhnliches Team von Biologen und Ingenieuren arbeitet an diesem Roboter. Und hier ist RiSE. Sechsbeinig mit Schwanz. Hier ist er auf einem Zaun und einem Baum. Hier sind RiSEs erste Schritte auf einer Schrägung. Gibt es auch Audio? Man kann es klettern hören. Und hier kommt es auf uns zu, die ersten Schritte eine Wand hinauf. Hier verwendet er nur seine einfachsten Füße, das ist also sehr neu. Aber wir haben die Dynamik für ihn ganz gut verstanden.

Mark Cutkosky bringt das ganze noch einen Schritt weiter. Er kann Füße und Zehen per Shape Deposition Manufacturing herstellen. Im nächsten Schritt kommen passende Zehen und das Befestigen von Stacheln und Klauen und trockende Haftmittel. Zuerst sollen also die Zehen und der Fuß funktionieren, dann wird der Aufstieg versucht und am Ende der Roboter gebaut. Und genau das hat er getan. Er hat quasi einen von der Natur inspirierten Fuß-boter gebaut.

Und hier ist das Design von Cutkosky und seinen großartigen Schülern. Hier sind die aufgemotzten Zehen – es gibt sechs, und sie alle verwenden die Prinzipien, die ich beim Bauplan erklärt habe. Hier werden also keine Saugnäpfe, kein Kleber verwendet, und wenn sie am Roboter befestigt sind – der ist so biologisch inspiriert wie das Tier – dann kann er hoffentlich jede Oberfläche emporklettern. Hier sehen Sie es an der Seite eines Stanford-Gebäudes hochklettern. Es ist beschleunigt – wie gesagt, es ist ein kletternder Fuß. Es ist noch nicht der ganze Roboter. Wir arbeiten dran! Hier können Sie sehen, wie es Kontakt herstellt. Diese filigranen Strukturen erlauben es den Stacheln, Polstern und den Hafthärchen, sich an sehr herausfordernden, schwierigen Oberflächen festzuhalten. Sie konnten dieses Ding also – das ist ein 20-faches Zeitraffer – stellen Sie sich vor, wie es hochklettert und jemanden aus dem oberen Stockwerk rettet! Ds können Sie sich jetzt vorstellen. Es ist nicht unmöglich. Das ist eine große Herausforderung. Aber das ist nur der Anfang.

Wir haben der Natur Design-Geheimnisse entlockt, indem wir uns den Bau von Füßen angeschaut haben. Wir haben gelernt, dass wir die Kontrolle auf kluge Teile verteilen sollten. Nicht alles in das Gehirn, sondern einen Teil der Kontrolle in aufgepeppte Füße, Beine und sogar Körper. Die Natur verwendet Hybridlösungen, nicht eine einzelne, für diese Probleme, und sie sind integriert und wunderbar robust. Und drittens glauben wir, dass wir die Natur nicht imitieren, sondern von der Biologie inspiriert werden wollen, und diese neuen Prinzipien mit den besten technischen Möglichkeiten verbinden wollen, um – möglicherweise – etwas besseres als die Natur zu schaffen.

Die Botschaft ist also deutlich: Ob man sich für fundamentale, tiefe Forschung interessiert oder für sehr interessante, bizarre, wunderbare Tiere, oder ob man einen Such- und Berge-Roboter bauen möchte, der in einem Erdbeben hilft oder jemanden aus einem Feuer rettet, oder ob man sich für Medizin interessiert, wir müssen die Baupläne der Natur retten. Sonst sind die Geheimnisse für immer verloren. Danke.