רוברט פול מדבר על תנועת בעלי החיים

דמיינו לעצמכם שאתם תלמידי מחקר במעבדה שלי. הייתי רוצה שתתנסו בתכנון בהשראה ביולוגית. וזהו האתגר: אני רוצה שתעזרו לי ליצור מודל תלת מימדי, דינמי ופרמטרי עבור מגע. התרגום לכך הוא, האם תוכלו לעזור לי לבנות כף רגל? וזהו אכן אתגר אמיתי, ואני רוצה שתסייעו לי. כמובן, לאתגר יש פרס. זהו לא בדיוק פרס של TED, אבל זוהי חולצה אקסלוסיבית מהמעבדה שלנו. אז בבקשה שלחו לי את הרעיונות שלכם לתכנון כף רגל.

אם אנחנו מעוניינים לתכנן כף רגל, מה עלינו לעשות? ראשית, עלינו לדעת מהי כף רגל. אם ניגש למילון, הוא יגיד, "זהו הקצה התחתון של הרגל שנמצא במגע ישיר עם הקרקע בעמידה או בהליכה". זוהי ההגדרה המסורתית. אבל אם תרצו באמת לחקור, מה עליכם לעשות? עליכם לגשת לספרות ולבחון מה ידוע על כפות רגליים. אז אתם הולכים לספרות...

יתכן שהספרות הזאת מוכרת לכם. הבעיה היא, שישנן המון המון כפות רגליים. איך עושים זאת? צריך לסקור את כל כפות הרגליים ולתמצת את עקרונות פעולתן. ואני רוצה שתעזרו לי בכך בקליפ הבא. בזמן שתצפו בקליפ, חפשו אחר עקרונות, וגם חישבו על ניסוי שאולי תתכננו במטרה להבין כיצד פועלת כף רגל.

רואים עקרונות מנחים כלשהם? מה הייתם עושים? איזה ניסויים הייתם עורכים? וואו. (מחיאות כפיים) המחקר שלנו, שעוסק בביומכניקה של תנועת בעלי החיים, עזר לנו לבנות שרטוט של כף רגל. התכנון שלה קיבל השראה מהטבע, אבל זהו לא העתק של כף רגל כלשהי שכעת ראיתם, אלא סינתזה של סודות של הרבה, הרבה כפות רגליים.

מסתבר שחיות יכולות ללכת לכל מקום. הן יכולות לנוע על מצעים שונים זה מזה בהסתברות של המגע, בתנועה של המשטח, ובסוג אחיזת הרגל הקיימת. אם ברצוננו לחקור כיצד פועלת כף רגל, עלינו ליצור סימולציה של המשטחים השונים. כאשר עשינו זאת -- זהו ניסוי חדש שערכנו: הנחנו את החיה ואפשרנו לה לרוץ -- זהו עכביש העשב -- על משטח בו הוסרו 99 אחוזים משטח המגע. אבל זה אפילו לא האט את החיה. היא עדיין רצה במהירות המקבילה למהירות אנושית של 500 קמ"ש.

איך היא מסוגלת לעשות זאת? שימו לב. בהילוך איטי פי 50 אנחנו רואים כיצד הרגל פוגעת במשטח הסימולציה. הרגל משמשת ככף רגל. למעשה, חלקים אחרים של הרגל יוצרים מגע בתדירות גבוהה יותר מאשר כף הרגל עצמה. כף הרגל מבוזרת על פני כל הרגל. תוכלו לערוך ניסוי נוסף בו תקחו תיקן עם כף רגל, ותסירו את כף רגלו. אני מעביר ביניכם כמה תיקנים. התבוננו היטב בכפות רגליהם. ללא כף רגל, הנה מה שהוא עושה. הוא אפילו לא מאט. הוא יכול לרוץ באותה מהירות ללא החלק הזה. אל תדאגו לתיקן -- הם יכולים לגדל אותן בחזרה, אם זה מטריד אתכם. איך הם עושים זאת? התבוננו היטב: זהו הילוך איטי פי 100. שימו לב מה הוא עושה עם החלק הנותר של הרגל. ושוב, הרגל מתנהגת ככף רגל מבוזרת. מאד יעיל.

כעת, השאלה שלנו היא, מה רמת השכיחות של כף רגל מבוזרת? ההתנהגות הבאה שאציג בפניכם הדהימה אותנו בפעם הראשונה בה ראינו אותה. עיתונאים, הקטע הזה הוא לא לציטוט, מוטל עליו אמברגו -- התבוננו בזה! זהו תמנון הולך על שתיים שמוסווה כקוקוס מתגלגל. גילתה אותו כריסטינה האפארד והוא צולם על ידי אולפני הים, כאן במונטרי.

תעדנו מין אחר של תמנון הולך על שתיים. התמנון הזה מסווה את עצמו כאצה צפה. הוא הולך על שתי רגליים ומחזיק את שאר הרגליים באוויר כך שהן לא נראות. (מחיאות כפיים) הביטו מה הוא עושה עם כף הרגל כדי לעבור משטחים מאתגרים. הוא משתמש בכף הרגל המבוזרת היפהפייה ומתקדם כאילו המכשולים כלל לא קיימים. בהחלט יוצא מן הכלל.

בשנת 1951, אשר צייר את הציור הבא. הוא חשב שייצר פנטזיה של חיות. אבל האמנות מחקה את החיים, ומסתבר שבטבע, לפני 3 מיליון שנים, התפתחה החיה הבאה. היא נראית כמו שרימפ ונקראת סטומאטופוד. והנה הדרך בה היא נעה על חופי פנמה: היא למעשה מתגלגלת, והיא יכולה אפילו להתגלגל במעלה הגבעה. זוהי הרגל המבוזרת האולטימטיבית. כל הגוף משמש ככף רגל.

לכן, אנו רוצים להוסיף לשרטוט שלנו את התכונה הראשונה החשובה. אנו רוצים להוסיף מגע מבוזר. לא רק עם כף הרגל המסורתית, אלא עם כל הרגל, ואפילו עם הגוף. האם זה יכול לשמש כהשראה לתכנון רובוטים חדשניים? את הרובוט הזה בנינו בהשראה ביולוגית. שמו הוא רהקס. הוא נבנה על ידי המהנדסים המופלאים הללו במהלך השנים האחרונות. כף רגלו של רהקס התחילה כמשהו פשוט, במהלך הזמן היא שוכללה, ובסופו של דבר קיבלנו את חצי העיגול הזה. מה הסיבה לכך? תראו זאת בווידאו. התבוננו היכן הרגל של הרובוט יוצרת מגע כדי להתמודד עם פני השטח הקשים האלה. תראו שלמעשה, הרובוט משתמש ברגל המעוגלת ככף רגל מבוזרת. התבוננו כיצד הוא עובר מעל. אתם יכולים לראות זאת כאן היטב. יוצא מן הכלל. ללא אמצעי חישה כלשהם. כל השליטה מבוססת על הרגליים המתואמות. בהחלט פשוט, אך יפהפה.

ודאי שמתם לב לדבר נוסף כאשר החיות רצות על פני משטח מורכב. והעוזר שלי עומד לעזור לי כאן. כאשר נגעת ברגלו של התיקן -- אתה יכול להגיע אליו עם המיקרופון? כאשר נגעת ברגלו של התיקן, מה הייתה התחושה? האם שמת לב למשהו?

ילד: קוצני.

רוברט פול: זה קוצני, נכון? ממש קוצני, נכון? זה קצת כאב. אולי נוכל לתת אותו למנחה שלנו ונבדוק אם הוא מספיק אמיץ בשביל לגעת בג'וק. (צחוק)

כא: נגעת בזה?

רפ: אם תתבוננו בתשומת לב, תראו שיש להם קוצים. ועד לפני מספר שבועות, אף אחד לא ידע מה תפקידם. הניחו שיש להם תפקידי הגנה או חישה. גילינו שמטרתם שונה -- הנה חלק מהקוץ. הם בנויים כך שהם מתכופפים בקלות לכיוון אחד כדי להוציא את הרגל מתוך המשטח, אך הם קשיחים לכיוון השני, כך שהם יכולים להאחז בחספוסים במשטח.

סרטנים לא מאבדים את אחיזתם בקרקע, מכיוון שהם בד"כ כלל נעים על חול -- עד שהגיעו למעבדה שלנו. שם הם נתקלו בבעיה עם הרשת הזו, מכיוון שאין להם קוצים. לסרטנים אין קוצים, ולכן קשה להם להתמודד עם משטחים כאלה. אבל כמובן, אנחנו יכולים להתמודד עם זה, מכיוון שאנחנו יכולים לייצר קוצים מלאכותיים. אנחנו יכולים לייצר קוצים שנתפסים על המצע בסימולציה ומתכופפים בקלות כדי להשתחרר. עשינו זאת על ידי חיבור הקוצים המלאכותיים הללו לסרטנים, ולאחר מכן בחנו אותם. האם אנחנו באמת מבינים את עיקרון ההתאמה? התשובה היא, כן! זהו הילוך איטי פי 20, והסרטן פשוט חולף ביעף על פני המשטח שלנו. (מחיאות כפיים) יותר טוב מהטבע.

אז לשרטוט שלנו, אנחנו צריכים להוסיף קוצים מתואמים. האם זה יעזור לנו לתכנן רובוטים מטפסים יעילים יותר? הנה רהקס -- לרהקס יש בעיה עם מסילות חלקות, כפי שאתם רואים כאן. למה שלא נוסיף קוצים? עמיתי באוניברסיטת פנסילבניה עשו זאת. דן קודיצ'ק הוסיף כמה מסמרי ברזל -- גרסה פשוטה מאד -- על הרובוט -- והנה רהקס, כעת, עובר מעל המסילות בלי בעיה. איך הוא מבצע זאת? נריץ בהילוך איטי ותוכלו לראות את הקוצים בפעולה. הביטו ברגל באה מסביב, ותראו את הרגל נאחזת בדיוק שם. לפני כן הוא לא הצליח. הוא החליק, נתקע והתהפך. וכעת הביטו שוב, בדיוק שם -- הצלחה.

רגל מבוזרת עם קוצים לא מבטיחה לנו יכולת טיפוס על משטחים אנכיים. זה באמת, באמת מסובך. אבל הביטו בחיה הזו עושה זאת! אחת מהחיות שאני מעביר ביניכם, מטפסת במעלה משטח אנכי. זוהי פלטת מתכת חלקה. המהירות שלה מדהימה. אבל אם נאט מעט, תראו משהו בהחלט יוצא דופן. זהו סוד. החיה מטפסת ביעילות על ידי החלקה והביטו -- למעשה, ההאחזות של החיה במשטח גרועה ביותר. זה נראה, למעשה, כמו שחייה במעלה המשטח. למעשה, המודל המתאים יותר הוא התנהגות בתוך נוזל. הרגל המבוזרת מתנהגת, למעשה, יותר כמו משוט.

תופעה דומה קיימת כאשר הלטאה הזו רצה על פני חול טובעני. הביטו ברגליה. הן מתפקדות כמו משוטים למרות שהיא על משטח שבד"כ אנו מתייחסים אליו כאל מוצק. זה די דומה למה שגילתה סטודנטית שלי לשעבר שהבינה איך לטאות יכולות לרוץ על פני המים. האם אתם יכולים להשתמש בכך כדי לייצר רובוט משופר? מרטין ביולר השתמש בכך -- הוא עכשיו נמצא ב"בוסטון דינמיקס" -- הוא יישם את הרעיון הזה והפך את רהקס ל"רהקס מים". אז הנה רהקס עם משוטים, שכעת הוסב להיות רובוט מים מדהים.

עבור משטחים מחוספסים, לבעלי החיים מתווספים טפרים. וקרוב לודאי הרגשתם אותם אם אחזתם בהם. נגעת בזה?

כא: כן.

רפ: הטפרים האלה מתאימים מאוד לתפיסת משטחים. מארק קאטקוסקי מאוניברסיטת סטאנפורד, אחד משותפי, הוא מהנדס יוצא מן הכלל. הוא פיתח את הטכניקה הזו שנקראת ייצור בשיקוע צורות, בעזרתה הוא יכול לשבץ טפרים ברגל המלאכותית. והנה הגרסה הפשוטה של רגל עבור רובוט חדש. אז לשרטוט שלנו, נוסיף טפרים. אבל, כדי שהחיות יוכלו לנוע על פני כל המשטחים, הן זקוקות להכלאה בין המנגנונים שכוללת טפרים וקוצים ושערות וכריות ודבק והדבקה קפילארית ודברים נוספים רבים. אלו דברים ששייכים לחרקים שונים. זוהי נמלה המטפסת במעלה משטח אנכי. נתבונן בה.

זוהי כף רגל של נמלה. רואים את השערות ואת הטפרים ואת הדבר הזה כאן. כאן כף הרגל מורמת באוויר. הביטו מה קורה כאשר כף הרגל מגיעה אל הכריך שלכם. אתם רואים מה מתרחש? הכרית יוצאת החוצה. וזהו המקום בו נמצא הדבק. זהו מבט מלמטה על כף רגל של נמלה, וכאשר הטפרים לא נתפסים, הכרית יוצאת בצורה אוטומטית ללא פעולה כלשהי של הנמלה. זה פשוט יוצא. זו הייתה תמונה מסובכת לצילום -- אני חושב שזו תמונה של כף רגל של נמלה על על-מיתר. זה די מסובך... כך זה נראה במבט מקרוב -- הנה כף הרגל של הנמלה, וכאן הדבק.

גילינו שהדבק מורכב מתערובת שתי-פאזות מעניינת. אין ספק שהוא עוזר לנמלה להאחז. אז לשרטוט שלנו, נוסיף כמה כריות דביקות. ניתן לחשוב שעבור משטחים חלקים נוכל לקבל השראה מכאן. והנה יש לנו משהו טוב יותר. השממית היא דוגמא מצויינת לננו-טכנולוגיה בטבע. אלו הן כפות הרגליים שלה. הן נראות כמעט חייזריות. והסוד, שמאפשר להן להדבק לקיר, מסתתר בבהונות השעירים. הן יכולות לרוץ במעלה משטח במהירות של מטר בשניה, כשלושים צעדים בשניה אחת -- בקושי אפשר לראות אותן. בהילוך איטי, הן מחברות את כפות רגליהן ב-8 אלפיות השניה, ומשחררות אותן ב-16 אלפיות השניה. וכאשר מתבוננים כיצד הן מנתקות את רגליהן, זה מוזר. הן מקלפות את הרגליים מהמשטח כמו שמקלפים נייר דבק. מוזר מאד. איך הן נדבקות?

בכפות רגליהן יש מבנה דומה לעלה שנקרא לינלאה, שבו מליוני שערות. כל שערה סובלת ממקרה חמור של קצוות מפוצלים. יש לה בין 100 ל-1000 קצוות מפוצלים. וזהו הסוד, מכיוון שזה מאפשר להן מגע אינטימי. לשממית יש מיליארד קצוות דקיקים בגודל 200 ננומטר. והם לא נדבקים בעזרת דבק, או סקוץ', או יניקה. גילינו שהם פועלים על ידי קשרים בין מולקולריים בלבד. ולכן בשרטוט שלנו נפצל כמה שערות. זה נתן לנו השראה לתכנן דבק יבש המתנקה עצמאית, ואנו שמחים להודיע שיש לנו פטנט רשום. זוהי הדוגמא הפשוטה ביותר בטבע, וזהו הנסיון של שותפי רון פירינג לייצר גרסה מלאכותית של דבק יבש העשוי מפוליאוריתן. וזהו הנסיון הראשון להעמיס אותו במטען.

יש התעניינות רבה בכך בתחומים רבים ושונים. אני בטוח שתוכלו לחשוב על אלפי שימושים אפשריים. אנשים רבים עשו זאת, ואנחנו נרגשים לממש זאת כמוצר סופי. חשבנו על מוצרים, כמו הדוגמא הזו למשל: חשבנו על פלסטר בהשראה ביולוגית ללא שימוש בדבק. לקחנו כמה שערות מנשל שממית, שמנו שלושה גלילים שלהן כאן, ויצרנו את הפלסטר הזה.

זהו סטודנט מתנדב -- יש לנו 30,000 סטודנטים, אז אנחנו יכולים לבחור מביניהם -- זהו למעשה רק סימון בעט אדום. אבל הוא משמש כפלסטר נפלא. הוא מאוורר, אפשר להסיר אותו בקלות, הוא לא גורם לגירויים, והוא מתאים לשימוש מתחת למים. אני חושב שזו דוגמא יוצאת מן הכלל לדרך בה מחקר סקרני -- בסה"כ תהינו איך הן מטפסות -- יכול להוביל לדברים שמעבר לכל דימיון. זוהי רק דוגמא לסיבות לתמיכה במחקר סקרני. והנה, מסירים את הפלסטר.

אז הגדרנו מחדש מהי כף רגל. השאלה היא, האם אנו יכולים להשתמש בסודות הללו, כהשראה לתכנון כף רגל טובה יותר מאלו שראינו בטבע. זהו פרוייקט חדש: אנחנו מנסים לייצר את הרובוט המטפס הראשון לצורך חילוץ והצלה - ללא מנגנון יניקה או מגנטים - שיוכל לנוע על מגוון משטחים מוגבל. קראנו לרובוט רייס (RiSE), ראשי תיבות עבור רובוט בסביבת טיפוס. ויש לנו קבוצה יוצאת מן הכלל של ביולוגים ומהנדסים שיוצרים את הרובוט הזה. והנה רייס. יש לו שש רגליים וזנב. הנה הוא על גדר ועל עץ. והנה צעדיו הראשונים על שיפוע. אפשר לשמוע? אתם יכולים לשמוע אותו עולה. והנה הוא בא לכיוונכם, בצעדיו הראשונים במעלה קיר. כאן הוא משתמש רק ברגליו הפשוטות ביותר. זה חדש ביותר, אבל אנחנו חושבים שמצאנו את הדינמיקה המתאימה של הרובוט.

מארק קאטקוסקי מתקדם צעד נוסף קדימה ובונה את הרגליים והבהונות בתהליך שיקוע צורה. השלב הבא יהיה בנייה של בהונות תואמים, הוספה של קוצים וטפרים והתאמה לדבקים יבשים. הרעיון הוא קודם כל לבנות את כף הרגל והבהונות, לנסות לגרום להם לטפס, ובסופו של דבר להתאים אותם לרובוט. וזה בדיוק מה שהוא עשה. הוא בנה, למעשה, רגל רובוטית מטפסת בהשראת הטבע.

והנה קאטקוסקי והעיצוב המדהים של תלמידיו. אלו הן בהונות מתואמים - יש 6 כאלה, והם משתמשים בעקרונות שדברתי עליהם עבור השרטוט. הוא לא עושה שימוש ביניקה או בדבק, ובסופו של דבר, כאשר זה יחובר לרובוט -- הוא בנוי בהשראה ביולוגית בדיוק כמו בעל החיים -- אנו מקווים שיהיה מסוגל לטפס על כל סוג של משטח. כאן רואים אותו מטפס על בניין בסטאנפורד. זה בהילוך מהיר -- שוב, זוהי רגל מטפסת, עדיין לא הרובוט כולו, אנחנו עובדים על כך. רואים אותה נצמדת. המבנים המתואמים מאפשרים לקוצים, לכריות החיכוך ובסופו של דבר לשערות ההדבקה להאחז במשטחים מאתגרים ומסובכים ביותר. זה כעת בהילוך מהיר פי 20. אתם יכולים לדמיין אותו מנסה להציל מישהו שם למעלה? אתם יכולים לדמיין זאת כעת, זה לא בלתי אפשרי. זוהי משימה מאתגרת מאד. אבל המשך יגיע.

לסיום: למדנו סודות תכנון של הטבע כשבדקנו איך כפות רגליים בנויות. למדנו שכדאי לבזר את השליטה לאיזורים חכמים. לא לשים הכל במוח, אלא לשים חלק מהשליטה בכפות רגליים מתואמות, ברגליים ואפילו בגוף. הטבע משתמש בפתרונות משולבים, ולא בפתרון יחיד, והם משתלבים יחד בצורה יפה ומובהקת. אנחנו מאמינים שאנחנו לא צריכים לחקות את הטבע, אלא לקבל השראה מהביולוגיה, ולהשתמש בעקרונות החדשים בשילוב פתרונות הנדסיים קיימים כדי ליצור משהו טוב יותר מהטבע.

ויש לכך מסר ברור: בין אם אתם מתעניינים במחקר בסיסי, או בחיות מעניינות, מוזרות ונפלאות, או שברצונכם לבנות רובוט לחילוץ והצלה שיוכל לסייע לכם במקרה של רעידת אדמה, או להציל מישהו משריפה, או שאתם מתעניינים ברפואה - אנחנו חייבים לשמור על התכנונים של הטבע. אחרת, הסודות הללו יאבדו לנצח. תודה לכם.