Robert Full parle de la motricité animale

Je veux que vous imaginiez être un de mes étudiants au labo. Je veux que vous créiez un design inspiré biologiquement. Et voilà donc le défi: Vous allez m'aider à créer un prototype de contact paramétré, en 3D et dynamique. Ce qui se traduit par : M'aideriez-vous à construire un pied? Or c'est un vrai défi et je veux réellement que vous m'aidiez. Bien sûr, pour ce défi il y a un lot à gagner. Pas exactement le Prix TED, mais en exclusivité, un t-shirt de notre labo. Alors envoyez-moi vos idées sur la façon de concevoir un pied.

Si on veut concevoir un pied, que doit-on faire? On doit d'abord savoir ce qu'est un pied. Dans le dictionnaire on lit, "extrémité inférieure d'une jambe en contact direct avec le sol en position debout ou en marche" C'est la définition traditionnelle. Mais pour faire une vraie recherche, que devez-vous faire? Vous devez étudier la littérature et voir ce qu'on sait des pieds. Alors vous allez étudier la littérature. (Rires)

Peut-être que vous connaissez bien cette littérature. Le problème c'est qu'il y a beaucoup de pieds différents. Comment faire? Il faut observer tous les pieds et extraire des principes de fonctionnement. Et je veux que vous m'aidiez à le faire dans ce clip vidéo. En regardant, cherchez des principes et pensez aussi aux expériences que vous pourriez élaborer afin de comprendre le fonctionnement d'un pied.

Voyez-vous des thèmes communs? Des principes? Que feriez-vous? Quelles expériences tenteriez-vous? Wow. (Applaudissements) Notre recherche sur la biomécanique du déplacement animal nous a permis de créer un plan détaillé pour un pied. C'est un design inspiré par la nature mais ce n'est pas la copie d'un des pieds que l'on vient de voir, c'est une synthèse des atouts secrets de nombreux pieds différents.

On se rend compte que les animaux peuvent aller partout. Ils se déplacent sur des substrats qui varient -- comme on a pu le voir -- en probabilité de contact, en mouvement de surface et en type de points d'ancrage présents. Pour étudier comment marche un pied, on va devoir simuler ces surfaces, ou simuler ces débris. Cela fait, voilà une nouvelle expérience qu'on a tentée : on a pris un animal qu'on a fait courir -- cette araignée -- sur une surface où 99% de la zone de contact a été retirée Mais ça ne l'a même pas ralentie. Elle coure toujours à l'équivalent pour nous de 480 km/h.

Alors comment fait-elle? Observez plus attentivement. Quand on ralenti 50 fois, on voit comment sa jambe touche le débris simulé. Sa jambe agit comme un pied. Et en fait, elle utilise les autres parties de sa jambe plus fréquemment que le pied à proprement parler. Le pied est réparti le long de toute la jambe. Vous pouvez faire une autre expérience avec un cafard auquel vous retirez un pied. Je fais passer des cafards, regardez bien leurs pieds. Sans pied, voilà ce qui se passe. Il ne ralentit même pas. Sans cet appui, il peut courir exactement à la même vitesse. Pas de problème pour le cafard -- et leur jambe repousse, si ça vous inquiète. Comment font-ils? Regardez bien : la vidéo est ralentie cent fois et regardez ce qu'il fait du reste de sa jambe. Elle agit, encore une fois, comme un pied réparti. Très efficace.

La question ainsi posée est, ce type de pied est il courant? La première fois, l'attitude de l'animal suivant nous a ébahi. Messieurs les journalistes, ceci est non-officiel -- regardez ce que l'on voit! Voici une pieuvre bipède déguisée en noix de coco roulante. Elle a été découverte par Christina Huffard et filmée par Sea Studios, ici-même à Monterey.

Nous avons également décrit une autre espèce de pieuvre bipède. Celle-ci se déguise en algue flottante. Elle marche sur deux jambes et lève ses bras pour se camoufler. (Applaudissements) Et regardez ce qu'elle fait de ses pieds pour traverser des terrains difficiles. Elle utilise ce beau pied réparti, faisant comme si les obstacles n'existaient même pas. Réellement extraordinaire.

En 1951, Escher fait ce dessin. Il pensait avoir créé un animal fantaisiste. Mais nous savons que l'art imite la vie et il semble que la nature a créé cet animal il y a 3 millions d'années. C'est un stomatopode, qui ressemble à une crevette, et voilà comment il se déplace sur les plages de Panama : il roule sur lui-même et peut même rouler sur une pente ascendante. C'est le pied réparti ultime; son corps entier est utilisé comme un pied.

Alors, pour ajouter à notre prototype la première fonctionnalité importante, nous voulons en faire un pied à contact réparti. Non seulement pour ce qu'on appelle le pied, mais pour toute la jambe, et même le corps. Est-ce que cela peut nous aider à dessiner de nouveaux robots? Nous avons été inspiré par la biologie pour ce robot appelé RHex, construit ces dernières années par d'extraordinaires ingénieurs. Le pied de RHex était très simple au début, et il a évolué jusqu'à être ce demi-cercle. Et pourquoi? La vidéo va vous le montrer. Regardez comment le robot utilise sa jambe pour surmonter les difficultés du terrain. Ce que vous voyez, c'est l'utilisation de la jambe semi-circulaire comme un pied à contact réparti. Regardez-le dépasser ça. On le voit bien dans ces débris. Extraordinaire. Très simple mais magnifique.

Vous avez peut-être remarque quelque chose d'autre quand les animaux couraient sur ce terrain difficile. Mon assistant va m'aider pour ce coup-là. Quand tu as touché la patte du cafard -- on peut lui trouver un micro? Quand tu as touché la patte du cafard, qu'as-tu senti? Tu as remarqué quelque chose?

Garçon: C'est épineux.

Robert Full: Épineux hein? Très épineux même? Ça fait un peu mal. Peut-être que tu peux le donner au conservateur et voir s'il a le courage de le toucher. (Rires)

Chris Anderson: Tu l'as touché?

RF: Si vous regardez attentivement vous verrez des épines et jusqu'à quelques semaines, personne ne savait qu'il y en avait. Ils se sont dit que c'était un moyen de défense et des capteurs sensoriels. Nous avons découvert que ce n'est pas ça -- voilà un segment d'épine. Ils sont prévus pour se pencher facilement dans une direction pour retirer la jambe des décombres, mais ils se raidissent dans l'autre direction pour s'appuyer sur les disparités de la surface.

Ces points d'ancrage ne manquent pas aux crabes car ils se déplacent sur du sable -- jusqu'à leur arrivée dans notre labo -- où ils découvrent leur problème avec ce genre de filets, parce qu'ils n'ont pas d'épines. Les crabes n'ont pas d'épines alors ils ont des difficultés sur ce genre de terrain abrupt. Mais bien sûr, nous pouvons remédier à cela, car nous pouvons créer des épines artificielles. Nous pouvons fabriquer des épines qui s'accrochent aux débris synthétiques et se couchent lors du retrait pour les retirer facilement. Nous avons fait cela en fixant ces épines aux crabes, comme vous le voyez ici, et nous les avons testées. Est-ce que nous comprenons vraiment ce principe de mise au point? La réponse est, oui! Ceci est ralenti 20 fois, le crabe traverse les décombres à toute vitesse. (Rires) (Applaudissements) Un petit peu mieux que la nature.

Alors à notre prototype, nous devons ajouter des épines bien réglées. Ceci va-t-il nous aider à penser un design plus efficace pour des robots grimpeurs? Eh bien, voici RHex, qui a des problèmes sur les rails lisses, comme on le voit ici. Alors pourquoi ne pas ajouter une épine? Mes collègues l'ont fait à U Penn. Dan Koditschek a mis des ongles d'acier -- une version très simple -- sur le robot -- et voilà RHex qui dépasse maintenant ces rails. Sans problème! Comment fait-il? Ralentissons la vidéo et voyons les épines en action. Regardez la jambe pivoter et vous voyez le robot s'accrocher juste ici. Il ne pouvait pas le faire avant, il glissait, se bloquait et basculait. Regardons encore, juste ici -- succès!

Ceci dit, ce pied réparti et ces épines ne suffisent pas pour grimper des surfaces verticales. C'est très, très difficile. Mais regardez ces animaux le faire! L'un de ceux que je vous fais passer grimpe des surfaces verticales en métal lisse. La vitesse à laquelle il le fait est extraordinaire -- mais si vous ralentissez, vous voyez quelque chose d'encore plus extraordinaire. C'est un secret. L'animal grimpe très bien en glissant et regardez -- il se débrouille en fait très mal pour s'accrocher à la surface. On dirait presque qu'il nage sur cette surface. On peut mieux représenter ce comportement si on le regarde comme un fluide. Le pied réparti fonctionne en fait comme une rame.

C'est également vrai pour ce lézard courant sur des sables mouvants. Regardez ses pieds. Ils fonctionnent comme une rame même si l'interaction se fait avec une surface solide. C'est assez proche de la découverte d'une de mes anciennes étudiantes qui a compris comment les lézards courent sur l'eau. Pouvons-nous utiliser cela pour améliorer notre robot? Martin Buehler qui travaille maintenant chez Boston Dynamics, l'a fait. Il a pris cette idée et a transformé RHex en Aqua RHex. Maintenant voilà RHex avec des palmes, converti en robot nageur extrêmement manœuvrable.

Pour les surfaces inégales cependant, les animaux ont des griffes. Et vous les avez senties si vous les avez attrapés. Tu les as touchés?

CA: Oui

RF: Et ils s'accrochent très bien aux surfaces avec ces griffes. Mark Cutkosky à l'Université de Stanford, un de mes collaborateurs, est un ingénieur extraordinaire qui a développé cette technique appelée Shape Deposition Manufacturing qui consiste à inclure des griffes dans un pied artificiel. Voilà la version simplifiée du pied d'un nouveau robot que vous verrez tout à l'heure. Alors rajoutons des griffes à notre prototype. En regardant les animaux qui manœuvrent dans tous types de surfaces, on voit qu'ils utilisent des mécanismes hybrides qui incluent des griffes, des épines, des poils, des coussinets collants, une adhésion capillaire et toute sorte d'autres choses. Ces mécanismes viennent de différents insectes. Voilà une fourmi qui grimpe une surface verticale. Observons cette fourmi.

Voici son pied. Vous pouvez voir les poils, les griffes et cette chose ici. Voici le pied quand il est en l'air. Regardez ce qui arrive quand le pied se pose sur votre sandwich. Vous voyez ce qui se passe? Ce coussinet sort. Et c'est là que se trouve la colle. Voici une vue du dessous d'un pied de fourmi quand les griffes ne peuvent s'accrocher à rien, le coussinet sort sans que la fourmi ne fasse quoi que ce soit. Il se projette tout simplement. C'était une photo dure à prendre -- Je pense que c'est un pied de fourmi sur des fils très fins. C'est assez difficile à faire. Voilà à quoi cela ressemble de très près -- voici le pied de la fourmi et voilà la colle.

On a découvert que cette colle est probablement une mixture biphasée intéressante. Cela aide sûrement la fourmi à tenir. Alors nous rajoutons des coussinets collants à notre prototype. Maintenant pour les surfaces lisses, nous pourrions nous inspirer de cela. Mais nous avons trouvé mieux. Le gecko est un excellent exemple de nano-technologie dans la nature. Voilà ses pieds. Ils ont l'air presque extra-terrestres. Le secret auxquels ils s'attachent implique leur doigts poilus. Ils peuvent grimper une surface en courant à un mètre par seconde, faisant 30 pas pendant cette seconde -- on les distingue à peine. Si l'on ralentit, ils attachent leurs pieds à 8 millisecondes et les détachent à 16 millisecondes. Et quand vous regardez comment ils les détachent, c'est bizarre. Ils pèlent leur pied hors de la surface comme un morceau de scotch. Très étrange. Comment tiennent-ils?

En regardant leurs pieds, on voit une structure appelées linalae qui ressemblent à des feuilles avec des millions de poils. Et chaque poil est le pire cas possible de pointes sèches et cassantes. Entre une centaine et un millier de pointes cassées, qui permettent en fait un contact très proche avec la surface. Le gecko a un milliard de ces pointes de 200 nanomètres de longueur. Et ils ne tiennent pas grâce à de la colle, comme le velcro ou des ventouses. Nous avons découvert qu'ils marchent grâce à de simples forces intermoléculaires. Alors à notre prototype, nous rajoutons des pointes cassantes. Ceci à inspiré le design du premier scotch auto-nettoyant -- nous sommes fiers que le brevet ait été déposé. Voici la version la plus simple dans la nature, et voilà la tentative de mon collaborateur Ron Fearing d'une version artificielle de cet adhésif, faite de polyuréthane. Et voilà la première tentative de le faire fonctionner avec un poids.

Il y a un grand intérêt pour cette recherche dans de nombreux domaines. Vous pouvez imaginer des milliers d'utilisation, j'en suis sûr. Beaucoup de gens l'ont fait et nous sommes enthousiastes à l'idée de réaliser ceci pour un produit. Nous avons imaginé des produits, par exemple, celui-ci : nous avons imaginé un pansement d'inspiration biologique en supprimant la colle. Nous avons pris des poils d'une mue de gecko; mis trois rouleaux de ceux-ci ensemble et fabriqué ce pansement.

Voilà un étudiant volontaire -- nous avons 30 000 étudiants de premier cycle que nous pouvons mobiliser -- c'est seulement une marque au feutre rouge. Mais cela fait un pansement incroyable. Il est aéré, peut être enlevé facilement, ne cause pas d'irritation et tient sous l'eau. Je pense que c'est un exemple extraordinaire de l'application inimaginable à la base de recherches effectuées par curiosité sur la façon dont les animaux grimpent sur certaines surfaces. C'est juste un exemple de la raison pour laquelle il faut soutenir ce type de recherche curieuse. Voilà, on retire le pansement.

Nous avons donc redéfini ce qu'est un pied. La question est de savoir si nous pouvons utiliser ces secrets pour inspirer le design d'un meilleur pied que ceux vus dans la nature? Voici le nouveau projet : nous essayons de créer le premier robot secouriste grimpeur -- sans ventouses ni aimants -- qui peut seulement se déplacer sur un nombre limité de type de surfaces. Je l'ai appelé RiSE pour "Robot in Scansorial Environment " -- pour un environnement d'escalade -- et nous avons une équipe incroyable de biologistes et d'ingénieurs créant ce robot. Voilà RiSE. Il a six pattes et une queue. Le voilà sur une barrière et un arbre. Voilà ses premiers pas sur un plan incliné. Vous avez le son? On peut l'entendre grimper. Le voilà qui grimpe vers vous, effectuant ses premiers pas sur un mur. À ce moment il utilise seulement son pied le plus simple, ici, c'est tout à fait nouveau. Mais nous pensons que la dynamique trouvée est la bonne pour le robot.

Mark Cutkosky cependant, mène le projet un peu plus loin encore. C'est lui qui est capable de construire ces pieds et doigts manufacturés. L'étape suivanet est de fabriquer des doigts adaptés, d'essayer de rajouter des épines et des griffes et de les préparer pour de l'adhésif. L'idée est de réussir d'abord les doigts et un pied, puis de tenter de les faire escalader et finalement de les ajouter à un robot. Et c'est exactement ce qu'il a fait. Il a construit en fait, un robot-pied grimpeur inspiré par la nature.

Voici le design de Cutkosky et de ses incroyables élèves. Voilà les doigts de pieds mis au point -- il y en a six, et ils fonctionnent selon les principes discutés collectivement pour le prototype. Donc il n'y a ni ventouses, ni colle, et il sera à terme capable, une fois rattaché au robot -- inspiré biologiquement comme les animaux -- d'escalader tout type de surface. Ici vous le voyez gravir la façade d'un bâtiment à Stanford. La vidéo est accélérée -- encore une fois, c'est le pied qui grimpe. Ce n'est pas encore le robot entier, nous sommes en train d'y travailler -- là vous voyez comment il s'accroche. Ces structures mises au point permettent aux épines, aux coussinets de frottement et enfin aux poils adhésifs de s'accrocher à des surfaces très difficiles et inégales. Et ils ont réussi à obtenir ça -- ici c'est accéléré 20 fois -- Pouvez-vous l'imaginer escalader et sauver quelqu'un à l'étage? OK? Vous pouvez voir maintenant que ce n'est pas impossible. C'est un très grand défi. Mais nous en reparlerons.

Pour finir : nous avons utilisé des design naturels secrets en observant la construction des pieds. Nous avons appris que nous devons répartir le contrôle à plusieurs petites parties. Il ne faut pas compter uniquement sur un contrôle central par l'ordinateur, mais donner du contrôle via le réglage des pieds, des pattes et même du corps. La nature donne des solutions hybrides et non pas une solution unique à ces problèmes, et elles sont intégrées et très résistantes. Troisièmement, nous croyons fermement qu'il ne faut pas imiter la nature mais s'inspirer de la biologie et utiliser ces nouveaux principes avec les meilleurs solutions d'ingénierie existantes pour créer -- potentiellement -- quelque chose de mieux que la nature.

Le message est très clair : que vous vous intéressiez à la recherche fondamentale de base sur des animaux intéressants, bizarres et incroyables, ou que vous vouliez construire un robot secouriste qui vous aidera pendant un tremblement de terre ou à sauver quelqu'un des flammes, ou que vous vous sentiez concerné par la médecine, nous devons préserver le design de la nature. Sinon ces secrets seront perdus pour toujours. Merci.