Robert Full über Maschinenbau und Evolution

Willkommen. Die erste Folie, bitte. Im Gegensatz zu den Berechnungen mancher Ingenieure können Bienen fliegen, Delfine schwimmen und Geckos sogar die glattesten Oberflächen emporklettern. In der kurzen Zeit, die ich habe, möchte ich Ihnen den Nervenkitzel nahebringen, den man beim Enthüllen der komplexen Strukturen der Natur erlebt. Das mache ich die ganze Zeit, und es ist einfach unglaublich. Durch diese Präsentation möchte ich versuchen, etwas davon mit Ihnen zu teilen. Die Herausforderung das Design der Natur zu erforschen – und ich werde erklären, wie wir sie wahrnehmen und verwendet haben. Die Herausforderung besteht darin, diese Frage zu beantworten: Was ermöglicht diese außergewöhnliche Leistung der Tiere, die es ihnen erlaubt, überall hinzugehen? Und wenn wir das herausfinden könnten, wie können wir die Entwürfe umsetzen?

Nun, viele Biologen erzählen Ingenieuren und anderen, dass Organismen Jahrmillionen hatten, um es richtig zu machen; sie sind spektakulär, sie können alles wunderbar tun. Also, die Antwort ist Bio-Mimikry: Kopieren Sie einfach direkt die Natur. Wir wissen aus der Arbeit an Tieren, dass wir genau das in Wahrheit nicht tun wollen – weil die Evolution nach dem “Gerade gut genug"-Prinzip arbeitet, nicht nach einem perfektionierenden Prinzip. Und die Einschränkungen beim Aufbau jedes Organismus sind, wenn man ihn betrachtet, wirklich gravierend. Natürliche Technologien sind unglaublich eingeschränkt. Stellen Sie sich vor: Sie wären ein Ingenieur und ich sagte Ihnen, dass Sie ein Auto bauen müssten, aber es müßte anfangs so klein sein, und dann zur vollen Größe heranwachsen und dabei jederzeit fehlerfrei funktionieren. Oder Sie müssen so ein kleines Auto bauen, aber es muss in sich auch eine Fabrik haben, in der man ein weiteres Auto bauen kann.

(Lachen)

Und Sie können absolut nie, absolut nie, wegen der Geschichte und des ererbten Plans bei Null beginnen. Organismen haben also diese wichtige Geschichte. Die Evolution arbeitet in Wirklichkeit eher wie ein Tüftler als ein Ingenieur. Und das ist wirklich wichtig, wenn Sie beginnen, Tiere zu erforschen. Man soll sich aber von der Biologie inspirieren lassen. Die allgemeinen Grundsätze der Natur entdecken und dann diese Analogien verwenden, wenn sie von Vorteil sind. Das ist eine echte Herausforderung, weil Tiere, wenn Sie sich Tiere von innen anschauen – wie sie funktionieren – scheinen sie hoffnungslos komplex zu sein. Es gibt keine detaillierte Geschichte der Baupläne, man kann sie nirgendwo nachschlagen. Sie haben für ihre Gelenke viel zu viele Bewegungen, zu viele Muskeln. Auch wenn wir an das einfachste Tier denken, etwa ein Insekt, sie haben mehr Neuronen und Verbindungen, als Sie sich vorstellen können.

Wie soll man das verstehen können? Nun, wir glaubten – und stellten die Hypothese auf – dass eine Art, in der Tiere funktionieren könnten, darin besteht, dass die Bewegungssteuerung eher in ihre Körper selbst eingebaut ist. Wir entdeckten, dass zwei-, vier-, sechs- und achtbeinige Tiere bei ihrer Bewegung alle die gleichen Kräfte auf den Boden ausüben. Sie alle funktionieren wie dieses Känguruh, sie hüpfen. Und sie können durch ein Feder-Masse-System modelliert werden. Wir nennen das so, weil wir Biomechaniker sind. Es ist eigentlich ein Pogo-Stab. Sie alle produzieren das Muster eines Pogo-Stabs. Wie kann das sein? Bei Menschen funktioniert eines Ihrer Beine wie zwei Beine eines laufenden Hundes, oder wie drei Beine eines laufenden Insekts, oder vier Beine einer laufenden Krabbe. Und sie bewegen sich abwechselnd vorwärts, aber die Muster sind alle gleich. Fast jeder Organismus, den wir so untersucht haben – nächste Woche werden Sie es selbst sehen, da wird ein Artikel erscheinen, der erklärt, dass wirklich große Wesen – ein T. Rex wohl eher nicht, aber Sie werden es nächste Woche sehen.

Interessant ist, dass sich die Tiere entlang der vertikalen Ebene hüpfend, bewegen. In unserer Zusammenarbeit mit Pixar in "Das große Krabbeln" diskutierten wir über die zweibeinige Natur der Ameisenfiguren. Und wir sagten ihnen, klar, sie bewegen sich auch in einer anderen Ebene. Und sie stellten uns diese Frage. Sie sagten: "Warum sollten wir nur in der Sagittalebene oder der vertikalen Ebene modellieren, wenn Sie uns sagen, dass diese Tiere sich in der horizontalen Ebene bewegen?" Das ist eine gute Frage. In der Biologie hat es nie jemand so modelliert. Wir nahmen ihren Rat an und modellierten die sich bewegenden Tiere auch in der horizontalen Ebene. Wir nahmen ihre drei Beine, fassten sie zu einem zusammen. Wir hatten einige der weltbesten Mathematiker von Princeton, um an diesem Problem zu arbeiten. Und wir waren in der Lage, ein Modell zu schaffen, wo Tiere nicht nur auf und ab sprangen, sondern auch zur gleichen Zeit seitwärts. Und viele Organismen passen in dieses Muster. Nun, warum ist so ein Modell wichtig? Weil es sehr interessant ist. Wenn Sie dieses Modell nehmen und Sie stören es, geben ihm einen Stoß, als ob es in etwas hineinläuft, stabilisiert es sich selbst, ohne Gehirn und ohne Reflexe, nur durch die Struktur allein. Es ist ein wunderschönes Modell. Schauen wir uns die Mathematik an.

(Lachen)

Das ist genug!

(Lachen)

Wenn Sie die Tiere beim Laufen beobachten, scheinen sie selbst-stabilisierend zu sein, wie dieses, weil ihre Beine im Prinzip federn. Die Beine können ihre eigenen Berechnungen ausführen; die Steuerungsalgorithmen sind sozusagen in die Form des Tieres selbst eingebettet. Warum wurden wir nicht mehr von der Natur und Entdeckungen dieser Art inspiriert? Nun, ich würde behaupten, dass menschliche Technologien wirklich anders als natürliche Technologien sind, zumindest waren sie es bisher. Denken Sie an die typische Art von Roboter, die man sieht. Menschliche Technologien waren eher groß und flach, mit rechten Winkeln, steif, aus Metall bestehend. Sie haben rollende Elemente und Achsen. Es gibt sehr wenige Motoren oder Sensoren. Die Natur dagegen ist eher klein und kurvig, und biegt und windet sich und hat stattdessen Beine und Anhängsel und viele Muskeln und viele, viele Sensoren. Es ist also ein ganz anderes Design. Doch was sich verändert, was wirklich spannend ist – ich zeige Ihnen gleich etwas darüber – ist, wenn die menschliche Technologie mehr von den Eigenschaften der Natur annimmt, dann kann die Natur wirklich ein viel nützlicherer Lehrer werden.

Und hier ist ein Beispiel, das wirklich aufregend ist. Dies ist eine Zusammenarbeit mit Stanford. Und sie entwickelten diese neue Technik, genannt Shape-Deposition Manufacturing. Das ist eine Technik, bei der sie Materialien mischen und in jede beliebige Form gießen und dabei auch die Werkstoffeigenschaften bestimmen können. Sie können Sensoren und Aktoren direkt in die Form einbetten. Zum Beispiel, hier ist ein Bein: der klare Teil ist steif, der weiße Teil flexibel und sie brauchen keine Achsen oder so etwas. Es beugt sich von selbst wunderbar. Also, man kann diese Eigenschaften einbauen. Es hat sie inspiriert, dieses Design anhand eines kleinen Roboters, der Sprawl heißt, vorzuführen. Unsere Arbeit hat auch einen anderen Roboter inspiriert, einen biologisch-inspirierten hüpfenden Roboter von der University of Michigan und McGill, RHex genannt, für Roboter Hexapod, und dieser ist autonom. Beginnen wir mit dem Video und lassen Sie mich Ihnen einige dieser Tiere in Bewegung zeigen, und dann einige der einfachen Roboter, die von unseren Entdeckungen inspiriert wurden. Hier ist etwas, was einige von Ihnen heute morgen getan haben, obwohl Sie es draußen getan haben, nicht auf einem Laufband. Hier ist, was wir tun.

(Lachen)

Dies ist eine Totenkopfschabe. Das ist eine amerikanische Schabe, von der Sie denken, Sie haben sie nicht in Ihrer Küche. Dies ist ein achtbeiniger Skorpion, eine sechsbeinige Ameise, ein vierundvierzigbeiniger Tausendfüßler. Nun sagte ich, all diese Tiere funktionieren etwa wie Pogo-Stäbe – sie hüpfen vorwärts, wenn sie sich bewegen. Und Sie können das bei dieser Geist-Krabbe sehen, von den Stränden von Panama und North Carolina. Sie kommt beim Laufen auf bis zu vier Metern pro Sekunde. Tatsächlich springt sie in die Luft und schwebt dann phasenweise, wie ein Pferd, und Sie sehen sie hier hüpfen. Was wir entdeckt haben, ist, ob man das Bein eines Menschen betrachtet wie Richard, oder das einer Schabe oder einer Krabbe oder eines Kängurus, die relative Beinsteifheit dieser Feder ist gleich für alle, die wir bis jetzt gesehen haben. Nun, warum dann federnde Beine? Was können sie tun? Nun, wir wollten sehen, ob sie den Tieren mehr Stabilität und Wendigkeit ermöglichen. Also bauten wir ein Gelände mit Hindernissen, dreimal so hoch wie die Hüfthöhe der Tiere, die wir untersuchten. Und wir waren sicher, sie könnten das nicht tun. Und hier ist, was sie taten. Das Tier lief darüber und ist nicht einmal langsamer geworden! Es verminderte seine bevorzugte Geschwindigkeit überhaupt nicht. Wir konnten nicht glauben, dass es das tun konnte. Es zeigt uns, dass, wenn man einen Roboter mit sehr einfachen, federnden Beinen bauen könnte, man ihn so wendig machen könnte, wie alles was bisher gebaut worden ist.

Hier ist das erste Beispiel davon. Das ist Sprawl, der Stanford Shape Deposition Manufacturing Roboter. Er hat sechs Beine – es sind die getunte, federnde Beine. Sein Gang gleicht dem eines Insekts und hier läuft er auf dem Laufband. Nun, was bei diesem Roboter im Vergleich zu anderen Robotern wichtig ist, ist, dass er nichts sehen kann, er kann nichts fühlen, er hat kein Gehirn, aber er kann ohne jede Schwierigkeiten über diese Hindernisse manövrieren. Es ist diese Technik, wo man die Eigenschaften direkt in die Struktur einbaut. Dies ist ein Student. Das tut er für seine Diplomarbeit – sehr robust, wenn ein Student das für seine Diplomarbeit macht.

(Lachen)

Das ist von der McGill und der Universität von Michigan. Das ist der RHex, auf seinem ersten Ausflug bei einer Vorführung.

(Lachen)

Gleiches Prinzip: er hat nur sechs bewegliche Teile, sechs Motoren, aber er hat federnde, abgestimmte Beine. Er bewegt sich in der Gangart des Insekts. Das mittlere Bein bewegt sich synchron mit dem vorderen und dem hinteren Bein auf der anderen Seite. Es ist eine Art alternierendes Dreibein, und sie können mit Hindernissen genauso wie ein Tier umgehen.

(Lachen)

(Stimme: Mein Gott.)

(Applaus)

Robert Full: Es wird auf verschiedenen Oberflächen gehen – hier ist Sand – obwohl wir die Füße noch nicht perfektioniert haben, aber ich werde darüber später sprechen. Hier ist RHex, der in den Wald geht.

(Lachen)

Noch einmal, dieser Roboter kann nichts sehen, kann nichts fühlen, hat kein Gehirn. Er funktioniert einfach mit einem abgestimmten mechanischen System, mit sehr einfachen Teilen, aber inspiriert von der grundlegenden Dynamik des Tieres. (Stimme: Ah, ich liebe ihn, Bob.) RF: Hier geht er einen Weg hinunter. Ich stellte dies dem Jet Propulsion Lab der NASA vor und sie sagten, dass sie nicht die Fähigkeit hätten in Krater abzusteigen um nach Eis zu suchen, und letztlich nach Leben auf dem Mars. Und er sagte – besonders mit Robotern mit Beinen, weil sie viel zu kompliziert seien. Nichts kann das tun. Und dann redete ich. Ich zeigte ihnen dieses Video mit dem schlichten Design des RHex hier. Und nur um sie zu überzeugen, dass wir 2011 zum Mars fliegen sollten, tönte ich das Video orange, nur um ihnen das Gefühl zu geben, auf dem Mars zu sein.

(Lachen)

(Applaus)

Ein weiterer Grund, warum Tiere außergewöhnliche Leistung erbringen, und überall hingehen können, ist ihre effektive Interaktion mit der Umwelt. Das Tier, das ich Ihnen zeigen werde, welches wir untersucht haben, ist der Gecko. Wir haben einen hier. Beachten Sie seine Position. Es hält sich fest. Jetzt habe ich eine Herausforderung für Sie. Ich zeige Ihnen ein Video. Eines der Tiere läuft auf der Ebene, und das andere läuft eine Wand hinauf. Welches ist welches? Sie laufen mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde. Wie viele glauben, dass der auf der linken Seite, die Wand hochläuft?

(Applaus)

Okay. Der Punkt ist, es ist wirklich schwer zu sagen, nicht wahr? Es ist unglaublich, Studenten haben es versucht und sie konnten es nicht sagen. Sie können eine Wand hochlaufen, 1 Meter pro Sekunde, 15 Schritte pro Sekunde, und sie sehen aus, als ob sie auf der Ebene laufen. Wie schaffen sie das? Es ist einfach phänomenal. Der eine auf der rechten Seite lief den Hügel hinauf. Wie schaffen sie es? Sie haben bizarre Zehen. Sie haben Zehen, die sich strecken wie eine Partytröte, wenn man hineinbläst, und sich dann von der Oberfläche lösen, wie Klebeband. Wenn wir jetzt ein Stück Klebeband hätten, würden wir es auf diese Art ablösen. Sie tun dies mit ihren Zehen. Es ist bizarr! Dieses Ablösen inspirierte iRobot – mit denen wir zusammenarbeiten – dazu Mecho-Geckos zu bauen. Hier ist eine zweibeinige Version und eine Traktor- oder Bulldozer-Version. Sehen wir uns in ein paar Videos an, wie einige der Geckos sich bewegen, und dann zeige ich Ihnen ein Stück eines Clips mit Robotern. Hier läuft der Gecko auf einer senkrechten Fläche hoch. Dort geht er, in Echtzeit. Dort geht er wieder. Offensichtlich müssen wir dies ein wenig langsamer machen.

Man kan keine normalen Kameras benutzen. Man muss 1.000 Bilder pro Sekunde machen, um es zu sehen. Und hier ist ein Video mit 1.000 Bildern pro Sekunde. Nun möchte ich, dass Sie den Rücken des Tieres ansehen. Sehen Sie, wie stark es sich biegt? Wir kommen nicht drauf – das ist ein ungelöstes Rätsel. Wir wissen nicht, wie es funktioniert. Wenn Sie einen Sohn oder eine Tochter haben, die nach Berkeley kommen wollen, kommen Sie in mein Labor und wir werden dies herausfinden. Okay, senden Sie sie nach Berkeley, weil das ist das Nächste, das ich tun möchte. Hier ist das Gecko-Laufband.

(Lachen)

Es ist ein durchsichtiges Gerät mit einem durchsichtigen Laufband, damit wir die Füße des Tieres sehen können und sie durch das Laufband filmen können, um zu beobachten, wie sie sich bewegen. Hier ist das Tier, welches wir hier haben, es läuft auf einer vertikalen Oberfläche. Wählen Sie einen Fuß, und sehen Sie, ob Sie beobachten können, was das Tier mit einem Zeh macht. Sehen Sie, wie es diese Zehen streckt und dann ablöst. Es kann dies in 14 Millisekunden machen. Es ist unglaublich. Hier sind die Roboter, die sie inspirieren, die Mecho-Geckos von iRobot. Zuerst werden wir sehen, wie die Tiere die Zehen ablösen – sehen Sie mal an. Und hier ist die Ablöseaktion des Mecho-Gecko. Er macht das mit einem druckempfindlichen Klebstoff. Ablösen bei dem Tier. Ablösen beim Mecho-Gecko – welches es ihnen erlaubt, selbständig zu klettern. Er kann auf der flachen Oberfläche gehen, herüber zu einer Wand, und dann an die Decke. Da ist die Bulldozer-Version. Nun, sie verwendet keinen druckempfindlichen Klebstoff. Das Tier benutzt das nicht. Aber das ist das, worauf wir im Moment beschränkt sind.

Was tut das Tier? Das Tier hat komische Zehen. Und wenn Sie die Zehen ansehen, haben sie diese kleinen Blätter, und wenn man sie vergrößert und hineinzoomt, sieht man dass es kleine Schlieren in diesen Blättern gibt. Und wenn man 270-mal vergrößert, sieht man, dass es wie ein Teppich aussieht. Und wenn man das 900-mal vergrößert, sieht man winzige Haare. Und wenn Sie sie sorgfältig ansehen, bemerken Sie, dass diese winzigen Härchen Riefen haben. Und wenn man 30.000-fach hineinzoomt, sieht man, jedes Haar hat gespaltene Enden. Und wenn man diese vergrößert, sieht man kleine Strukturen am Ende. Der kleinste Zweig der Haare sieht aus wie ein Spachtel, und so ein Tier hat eine Milliarde dieser gespaltenen Enden in Nano-Größe, um ganz nah an die Oberfläche zu kommen. Eigentlich ist das hier der Durchmesser ihrer Haare – ein Gecko hat zwei Millionen davon und jedes Haar hat 100 bis 1.000 gespaltene Enden. Stellen Sie sich vor, welcher Kontakt dadurch möglich ist.

Wir hatten das Glück mit einer weiteren Gruppe aus Stanford zu arbeiten, die uns einen speziellen MEMS Sensor gebaut hat, mit dem wir die Kraft eines einzelnen Haares messen konnten. Hier ist ein einzelnes Haar mit einem gespaltenen Ende. Als wir die Kräfte gemessen haben, waren sie riesig. Sie waren so groß, dass ein Stück Haare von der Größe eines Geckofußes das Gewicht eines kleinen Kindes von etwa 20 kg leicht tragen kann. Nun, wie schaft er das? Wir haben das vor Kurzem entdeckt. Machen sie es mittels Reibung? Nein, die Kraft ist zu niedrig. Machen sie es mit Elektrostatik? Nein, man kann die Ladung ändern – sie bleiben noch immer am Fleck. Machen sie es durch Verzahnen? So wie Velcro. Nein, man kann sie auf eine molekular glatte Oberfläche setzen – sie machen es nicht. Vielleicht mit Saugen? Nein, sie bleiben im Vakuum haften. Was ist mit Nasshaftung? Oder Kapillarhaftung? Sie haben keinen Klebstoff und sie kleben auch unter Wasser ganz gut. Wenn Sie ihre Füße unter Wasser bringen, haften sie auch dort. Wie machen sie es dann? Glauben Sie es oder nicht, die Haftung kommt von zwischenmolekularen Kräfte, von den Van der Waals-Kräften.

Sie wissen schon, Sie hatten das wahrscheinlich vor langer Zeit in Chemie, wo man diese beiden Atome hatte, die nahe beieinander sind, und die Elektronen bewegen sich rundherum. Diese winzige Kraft genügt, um ihnen zu ermöglichen, das zu tun, weil sie sich innerhalb dieser kleinen Strukturen so viele Male aufaddiert. Was wir machen, ist, wir nehmen die Haare als Vorbild, und stellen sie zusammen mit einem anderen Kollegen aus Berkeley her. Gerade kürzlich ist uns ein Durchbruch gelungen, wo wir jetzt glauben, dass wir den ersten synthetischen, selbstreinigenden Trockenkleber erzeugen können. Viele Firmen sind darin interessiert.

(Lachen)

Wir haben es sogar Nike vorgestellt.

(Lachen)

(Applaus)

Wir werden sehen, wohin es führt. Wir waren darüber so begeistert, dass wir erkannten, dass der kleine Maßstab – und wo alles klebrig wird und die Schwerkraft keine Rolle mehr spielt – wir uns mit Ameisen und deren Füße beschäftigen müssten, weil einer meiner Kollegen in Berkeley einen Sechs-Millimeter-Silikon-Roboter mit Beinen gebaut hat. Aber er bleibt stecken. Er bewegt sich nicht sehr gut. Aber die Ameisen schon und wir werden herausfinden warum, damit wir am Ende auch diesen Schritt machen. Und stellen Sie sich vor: Sie werden Schwärme dieser sechs-Millimeter-Roboter zur Verfügung haben, die herumlaufen können. Wohin führt das? Ich glaube, Sie können es schon erkennen.

Klar, das Internet hat bereits Augen und Ohren, es gibt schon Web-Kameras und so weiter. Aber es wird auch Beine und Arme haben. Sie werden durch diese Art von Robotern programmierbare Arbeit erledigen können, so dass Sie überall hin laufen, fliegen und schwimmen können. Wir sahen, dass David Kelly mit seinem Fisch hierbei am Anfang ist. So, zum Schluss, denke ich, die Botschaft ist klar. Wenn Sie eine Nachricht benötigen, wenn die Natur nicht ausreicht, wenn Sie sich für Suche und Rettung oder Minenräumung oder Medizin interessieren oder für die verschiedenen Dinge, an denen wir gerade arbeiten, müssen wir das Design der Natur erhalten, sonst werden diese Geheimnisse für immer verloren sein. Vielen Dank.

(Applaus)