Robert Full, l'ingénierie et l'évolution

Bonjour. Pourrais-je avoir le premier slide s'il vous plait? Contrairement aux calculs de certains ingénieurs, les abeilles peuvent voler, les dauphins peuvent nager, et les geckos peuvent toujours grimper sur les surfaces les plus lisses. Maintenant ce que je veux faire, dans le peu de temps dont je dispose, c'est de permettre à chacun de vous d'essayer, en quelque sorte, de découvrir ce que la nature à su mettre au point. J'essaye de le faire tout le temps, c'est tout bonnement incroyable. Je vais essayer de vous le faire partager un peu avec cette présentation. "Le challenge de découvrir les inventions de la nature" et je vais vous dire la façon dont nous le percevons, et la façon dont nous l'utilisons. La difficulté bien sûr est de répondre à cette question : Quelle est l'extraordinaire capacité de cet animal qui lui permet d'aller où il le désire? Si nous pouvions l'utiliser, dans quel domaine pourrions-nous le faire?

Donc, beaucoup de biologistes diront aux ingénieurs et aux autres, les êtres vivants ont eu des millions d'années pour tout mettre au point, ils sont spectaculaires, ils peuvent tout faire extrêmement bien. Et le mieux à faire est la "biomimicry" : juste copier directement ce que la nature a fait. Nous savons, à force de travailler sur les animaux, que ces solutions sont opposées à ce que chacun essaye de faire. En effet l'évolution est basée sur le principe du "juste suffisant", pas sur la perfection. Et les contraintes à l'origine de tout organisme sont, à bien y regarder, très strictes. Les technologies de la nature sont incroyablement contraintes. Réfléchissez y. Si vous étiez un ingénieur et que je vous disais que vous avez à construire une automobile qui doit être de cette taille au début, puis qui doit grandir jusqu'à avoir sa taille normale et qui enfin doit fonctionner à chaque étape de sa croissance. Dites vous aussi que si vous construisiez cette automobile, vous devriez aussi mettre une usine capable de fabriquer une seconde automobile à l'intérieur.

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Or, vous ne pouvez jamais, absolument jamais, en raison de l'histoire et du principe d'héritage, commencer à partir de rien. Les organismes ont cet historique si important. En réalité, l'évolution fonctionne plus comme un réparateur que comme un ingénieur. C'est très important à cerner quand vous commencez à regarder les animaux. Plutôt que de croire qu'il faut toujours s'inspirer de la biologie, il vous faut découvrir les principes même qui régissent la nature et utiliser des analogies quand c'est avantageux. C'est vraiment complexe à faire car ces animaux, quand on commence à bien y regarder, la façon dont ils fonctionnent, apparait désespérément complexe. Il n'y a pas d'archive de plans, vous ne pouvez les trouver nulle part. Ils ont développé bien trop de libertés via leurs articulations, trop de muscles, même dans les plus simples des animaux, comme les insectes, et ils ont bien plus de neurones et de connections que vous pouvez l'imaginer.

Comment pourrions nous concevoir tout cela? En fait nous croyons... et nous partons du principe... que dans un sens, les animaux fonctionneraient simplement, comme si le contrôle de leurs mouvements pouvaient être issus de leur corps eux même. Ce que nous avons découvert c'est que les animaux avec deux, quatres, six, huit pattes, exercent le même effort sur le sol lorsqu'ils se déplacent. Ils fonctionnent tous comme ce kangourou, ils sautent. Et peuvent être modélisés par un ensemble de masse et de ressorts, que nous appelons système masse-ressort parce que nous somme des bio-mécaniciens, mais en fait c'est un bâton-sauteur. Ils ont tous développés les caractéristiques d'un bâton-sauteur. Comment cela peut il être possible? En fait, pour un homme, une de vos jambes équivaut à deux pattes d'un chien qui trotte, ou trois pattes fonctionnant ensemble d'un insecte qui trotte, voir quatre pour un crabe. puis ils alternent pour se propulser, mais le principe est toujours le même. Comme presque chaque organisme que nous avons observé de cette manière - vous allez le voir la semaine prochaine - Je vais vous donner un indice, il va y avoir prochainement un article qui explique que certains animaux très gros comme le T. Rex ne pouvaient sans doutes pas faire cela, mais vous le verrez la semaine prochaine.

Maintenant ce qui est intéressant c'est que l'on ai dit que les animaux bondissaient dans le plan vertical, et avec notre collaboration avec Pixar dans "1001 pattes" nous avons discutés de la nature bipède des fourmies. Et nous leur avons dit que bien sûr, ils se déplacent sur tous les plans de la même façon, et ils nous ont posé la question : "Pourquoi faire des modèles uniquement dans le plan sagital ou le plan vertical, alors que vous nous avez dit que ces animaux se déplacent dans le plan horizontal?" C'est une bonne question. Personne en biologie n'avait jamais modélisé de cette façon. Nous avons pris en compte leur conseil et nous avons modélisé les animaux se déplacant dans le plan horizontal aussi. Nous avons pris leurs trois jambes, que nous avons condensé en une seul, et nous avons cherché quelques uns des meilleurs mathématiciens du monde venant de Princeton pour travailler sur ce problème. Nous avons été capable de créer un modèle où les animaux ne bondissent pas uniquement de bas en haut, mais ils bondissent aussi de chaque coté en même temps. Or, beaucoup d'organismes fonctionnent de cette manière. Maintenant, pourquoi un tel modèle est il si important? Parce que c'est vraiment intéressant. Quand vous prenez ce modèle et que vous le perturbez, que vous lui donnez une poussée, comme s'il cognait contre quelquechose, il s'auto-stabilise, sans avoir besoin de cerveau, ou de réflexes, la structure suffit. C'est un magnifique modèle. Maintenant jetons un oeil aux mathématiques

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C'est suffisant.

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Les animaux, quand vous les regardez courir, semblent être auto-stabilisés de cette façon, en utilisant uniquement leurs "jambes sauteuses". C'est que les jambes peuvent se débrouiller seules, les algorithmes de contrôle sont, en un sens, compris dans la structure de l'animal elle-même. Pourquoi n'avons nous pas étés plus inspirés par la nature et ce type de découvertes? Et bien, j'aimerais dire que les technologies humaines sont vraiment différentes des technologie de la nature, ou du moins sont elles vraiment éloignées. Réfléchissez au type de robot classique que vous voyez. Les technologies humaines ont tendance à être larges, brutes, avec des angles vifs, rigide, fait de métal. Elles ont des roues et des axes. Elles ont très peu de moteurs, peu de capteurs. Alors que la nature tend à être petit, arrondi, elle se courbe et se tord et possède des jambes et des appendices, elle a beaucoup de muscles et beaucoup, beaucoup de capteurs. C'est donc un design très différent. Du moins, ce qui change, ce qui est vraiment excitant -- et je vais vous le présenter après -- c'est que les technologies humaines se basent de plus en plus sur les caractéristiques de la nature, donc la nature devient vraiment de plus en plus un professeur incontournable.

Et voici un exemple qui est vraiment intéressant. C'est une collaboration que nous avons avec Stanford. Et ils ont développé cette nouvelle technique appelée "Shape Deposition Manufacturing" (SDM) C'est une technique qui permet de mélanger des matériaux ensemble et de mouler toutes les formes qu'ils veulent, et de leurs donner les propriétés des matériaux. Ils peuvent inclure les capteurs et les servocommandes directement dans la forme elle-même. Par exemple, voici une jambe -- la partie transparente est rigide, la partie blanche est souple, et vous n'avez pas besoin du moindre axe ou quoique ce soit. Elle se plie juste parfaitement d'elle même. Vous pouvez donc mettre ces propriétés dans la jambe elle même. Ça les a poussé à présenter cette étude en créant un petit robot qu'ils ont appelé Sprawl. Nos travaux ont aussi inspiré un autre robot, un robot sautant inspiré de la biologie, fait par l'Université du Michigan et McGill, appelé RHex, pour Robot Hexapode, et celui ci est autonome. Passons à la vidéo et laissez moi vous montrer quelques-uns de ces animaux se déplaçant. Ainsi qu'une partie de ces robots basiques qui ont été inspirés par nos découvertes. C'est une partie de ce que vous avez fait ce matin, quoique vous le fassiez dehors même si ce n'est pas sur un tapis-roulant. Voilà ce que nous faisons

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C'est une blatte tête-de-mort -- c'est une blatte Américaine vous pensez que vous n'en avez pas dans votre cuisine. C'est un scorpions avec 8 pattes, une fourmis à 6 pattes, un centipède avec 44 pattes. Maintenant, je vous ai dit que ces animaux marchent en quelque sorte comme des bâtons-sauteurs -- ils sautent alors qu'ils se déplacent et vous pouvez le voir avec ce crabe fantôme des plages de Panama et de la Caroline du Nord. Il peut aller jusqu'à 4 mètre par seconde quand il court. Il bondit en fait dans les airs et a donc des phases aériennes quand il fait cela, comme un cheval, et vous voyez qu'il bondit ici. Ce que nous avons découvert est que même quand vous regardez les jambes d'un humain comme Richard, ou une blatte, ou un crabe, ou un kangourou, la partie rigide du ressort est la même dans tout ce que nous avons vu jusqu'ici. Ces jambes sauteuses sont très biens, mais que peuvent elles faire ? En fait, nous voulions voir si elles permettaient aux animaux d'avoir une meilleure stabilité et manœuvrabilité. Nous avons donc crée un terrain pourvu d'obstacles grand comme trois fois la hauteur de hanche des animaux que nous observions et nous étions certains qu'ils ne pourraient pas le franchir. Et voici ce qu'ils ont fait. L'animal le traverse et ne ralenti même pas. Ça ne réduit même pas sa vitesse de croisière du tout. Nous ne pouvions croire qu'il pouvait faire cela. Il nous a indiqué que si vous pouvez construire un robot avec des jambes sauteuses toutes simples, vous pourrez le rendre aussi manœuvrable que tout ce qui a été construit jusque là.

Voici le premier exemple, voici le robot de Stanfort fait avec le principe de prototypage rapide (SDM) appelé Sprawl. Il a six jambes, ce sont les jambes sauteuses améliorées. Il se déplace avec la même démarche que les insectes et le voici se déplaçant sur le tapis roulant. Maintenant ce qui est vraiment important avec ce robot, comparé aux autres robots, c'est qu'il ne peut rien voir du tout, il ne peut rien ressentir, il n'a pas de cerveau, pourtant il peut manœuvrer à travers ces obstacles sans la moindre difficulté. C'est la technique qui consiste à incorporer les propriétés dans la forme. Voici un élève diplômé, voilà ce qu'il fait à son projet de thèse, extrêmement solide si un élève diplômé peut réussir à faire la même chose à son projet de thèse.

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Celui-ci vient de McGill et de l'université du Michigan, c'est RHex, faisant sa première sortie pour une démonstration.

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Même principe. Il possède uniquement six parties mobiles. Six moteurs, mais il a des jambes sauteuses améliorées. Il marche à la façon d'un insecte la jambe centrale est synchronisée avec celle de devant et de derrière du coté opposé. Une sorte de tripode alterné, et ils peuvent négocier les obstacles tout à fait comme les animaux.

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Oh mon dieu.

(Applaudissements)

Il se déplace sur différentes surfaces, ici du sable, cependant nous n'avons pas optimisé le pied actuellement, mais je vous en parlerai après. Voici RHex entrant dans les bois.

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Cette fois encore, ce robot ne peut rien voir, rien ressentir, il n'a pas de cerveau. Il fonctionne uniquement avec un système mécanique avec des pièces très simples. Mais inspiré des dynamiques fondamentales des animaux. Ah, je l'aime Bob. Là il descend un chemin. Je l'ai présenté au laboration de propulsion jet de la NASA, et ils ont dit qu'il n'avait pas la capacité de descendre dans des cratères pour chercher de la glace, et de la vie à terme, sur Mars. Et ils disent cela en particulier avec les robots marchants parce qu'ils sont trop compliqués. C'est impossible à faire. Puis j'ai pris la parole. Je leurs ai montré cette vidéo avec la conception basique de ce RHex, et juste pour les convaincre que nous devrions aller sur Mars en 2011, j'ai teint la vidéo en orange pour leur donner l'impression d'être sur Mars.

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(Applaudissements)

Une autre raison pour laquelle les animaux ont des performances extraordinaires et peuvent aller n'importe où, c'est parce qu'ils ont une interaction efficace avec leur environnement. L'animal que je vais vous présenter et sur lequel nous allons travailler est le gecko. Nous en avons un ici, notez sa position. Il ne bouge pas. Maintenant je vais vous mettre à l'épreuve. Je vais vous montrer une vidéo. L'un des animaux sera en train de courir à l'horizontale, et l'autre sera en train de monter à un mur. Qui est qui? Ils avancent à un mètre par seconde. Combien pensez que celui de gauche montait le mur?

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Okay. Le fait est que c'est vraiment dur à expliquer, n'est ce pas? C'est incroyable, nous avons observé des étudiants faisant cette expérience et ils n'ont pas pu expliquer. Ils peuvent monter à un mur à un mètre à la seconde, 15 pas par seconde et comme s'ils courraient sur une surface horizontale. Comment peuvent-ils faire cela? C'est juste phénoménal. Celui de droite monte sur un obstacle. Comment font ils cela -- ils ont des orteils étranges -- ils ont des orteils qui se déroulent comme un cracker quand vous le faites exploser, et se décrochent de la surface comme un ruban adhésif. Comme si nous avions du ruban adhésif et que nous le décrochions ainsi. Ils font cela avec leurs orteils. C'est bizarre. Ce décrochage a inspiré iRobot avec lequel nous avons travaillé, pour fabriquer des Meca-Geckos. Il y a une version avec pattes, une version tracteur et une version bulldozer. Voyons quelques mouvements du gecko avec quelques vidéos, et par la suite je vais vous montrer quelques extraits des robots. Ici un gecko court sur une surface verticale, il vient de passer en temps réel, il vient à nouveau de passer. Évidemment nous devons ralentir un petit peu.

Vous ne pouvez pas utiliser des cameras standards. Vous devez prendre 1.000 images par seconde pour voir cela. Et voici quelques vidéos à 1.000 images par seconde. Maintenant je veux voir le dos de l'animal. Vous voyez à quel point il se plie comme cela? On n'arrive pas à comprendre pourquoi -- c'est un mystère insoluble. Nous ne savons pas comment il fonctionne. Si vous avez un fils ou une fille qui veut venir à Berkeley, dans mon laboratoire, nous pourrions chercher à comprendre. Okay, envoyez les à Berkeley car c'est la prochaine chose que je veux réaliser. Voici le rouleau à gecko.

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C'est un tapis roulant transparent car avec un tapis transparent, nous pouvons voir les pattes de l'animal, et les enregistrer à travers le tapis, pour voir comment ils avancent. Voici l'animal que nous avons ici, courant sur une surface verticale, choisissons une patte et essayons de voir l'orteil, et voyons si nous percevons ce que l'animal fait. Regardez le dérouler et décoller ses orteils. Il peut faire ça en 14 millisecondes. C'est incroyable. Voici les robots qu'ils ont inspirés, les Meca-Gecko d'iRobot. Premièrement nous verrons les orteils se décoller -- regardez ça. Et voici l'action de décollement du Meca-Gecko il utilise un adhésif sensible à la pression pour faire cela. Décollement chez l'animal, décollement chez le meca-gecko, ça lui permet de grimper de façon autonome sur une surface plate puis sur un mur, puis d'aller sur le plafond. Là c'est la version bulldozer. Cette fois il n'utilise pas une glu sensible à la pression. L'animal n'utilise pas ça. Mais c'est ça qui nous limite pour le moment.

Que fait l'animal? Il a des orteils bizarres, et si vous regardez ces orteils ils ont des petites lamelles ici, et si vous les écartez et que vous zoomez vous verrez qu'il y a des petites stries dans ces lamelles. Et si vous zoomez 270 fois, vous verrez que ça ressemble à un tapis. Et si vous les écartez et zoomez 900 fois, vous voyez qu'il y a des poils ici, de minuscules poils, et si vous regardez attentivement ces minuscules poils ont des stries. Et si vous zoomez sur elles 30.000 fois, vous verrez que chaque poil est aplati au bout. Et si vous les séparez, ils ont ces petites structures au bout. La plus petite partie de ces poils ressemble à une spatule et un animal comme celui ci possède 1 milliard de ces bout aplatis nanoscopiques. pour aller très très près de la surface. En fait, ils ont le diamètre de vos cheveux, un gecko en possède 2 millions et chaque cheveu a entre 100 et 1.000 bout aplatis. Imaginez le contact qui en résulte.

Nous avons eu la chance de travailler avec un autre groupe à Stanford qui nous a fabriqué un capteur spécial qui nous a permis de mesurer l'effort sur un seul poil. Voici un seul poil avec un léger écrasement au bout, quand nous avons mesuré les efforts ils étaient énormes, ils étaient si grands qu'avec un ensemble de poil de cette taille, la patte du gecko pourrait supporter le poids d'un petit enfant -- autours de 40 livres facilement. Maintenant comment font ils cela? Nous avons récemment découvert cela. Font ils cela grâce à la friction? Non, les forces sont trop faibles. Font ils cela par électrostatique ? Non, vous pouvez changer la charge, ils tiennent toujours. Font ils ça par emboitement? C'est une sorte de Velcro. Non, vous pouvez les mettre sur des surfaces lisses au niveau moléculaire -- ça ne marche pas. Et la succion? Ils tiennent dans le vide. Et l'adhésion grâce à l'humidité? Ou l'adhésion capillaire? Ils n'ont pas de sorte de glu et tiennent sous l'eau comme si de rien n'était. Si vous passez leurs pattes sous l'eau ils tiennent toujours. Comment peuvent ils faire cela alors? Croyez le ou non ils tiennent grâce aux efforts intermoléculaires, les forces de Van der Waals.

Vous en avez probablement entendu parlé il y a longtemps en chimie lorsque vous avez deux atomes, suffisamment proches, et que les électrons se déplacent autours. Ces petits efforts sont suffisants pour leur permettre de faire cela car ils sont sommés de nombreuses fois avec ces petites structures. Ce que nous avons fait c'est s'inspirer de ces poils et avec un autre collègue de Berkeley, nous les avons industrialisés. Et tout récemment nous avons fait une percée avec laquelle nous pensons à présent pouvoir créer le premier adhésif synthétique sec et auto-nettoyant. Beaucoup de sociétés s'y intéressent.

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Nous l'avons également présenté à Nike.

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Nous verrons où ça nous mènera. Nous étions si excités à propos de cela que nous avons réalisé qu'à une échelle plus petite, et dans un endroit où tout deviendrai collant, où la gravité n'aurait plus d'importance, nous devrions regarder les fourmis et leurs pattes, parce que un de mes autres collègues de Berkeley, a fabriqué un robot mobile en silicone de 6 millimètre. Mais il reste coincé. Il ne bouge pas très bien. Pourtant les fourmis y arrivent bien et nous allons voir comment, donc à terme nous pourrons faire ces mouvements. Et imaginez, vous aurez la possibilité d'avoir un essaim de ces robot de 6 millimètres capables de courir autour de vous. Où cela nous mène? Je pense que vous pouvez déjà l'imaginer.

Internet a clairement déjà des yeux et des oreilles, vous avez des webcams et ainsi de suite. Mais il sera aussi capable d'avoir des jambes et des mains. Vous aurez la capacité de programmer des tâches via ce genre de robots, donc vous pourrez courir, voler ou nager n'importe où. Nous avons vu David Kelly's à l'origine de cela avec son poisson. Donc en conclusion, je pense que le message est clair. Si vous avez besoin d'un message, si la nature n'est pas suffisante, si vous vous intéressez à la recherche et au secours, ou au déminage, ou à la médecine ou aux diverses choses sur lesquelles nous travaillons, nous devons préserver les inventions de la nature, autrement ces secrets seront perdus à jamais. Merci

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