Robert Full sul movimento animale

Voglio che immaginiate di essere studenti del mio laboratorio. Cio che voglio è che creiate un modello ispirato alla biologia. Ecco i termini della sfida: voglio che mi aiutiate a creare un modello di contatto parametrizzato, 3D, dinamico. In altre parole "Potete aiutarmi a costruire un piede?" È una vera sfida e voglio che mi aiutiate. Naturalmente, ogni sfida prevede un premio. Non proprio il TED prize, ma comunque qualcosa di esclusivo: una T-shirt del nostro laboratorio. Fatemi conoscere le vostre idee, quindi.

Se si vuole progettare un piede, cosa si deve fare? Prima di tutto, dobbiamo sapere cos'è un piede. Sul dizionario c'è scritto: "È l'estremità inferiore di una gamba, che entra in contatto col terreno quando si sta fermi o si cammina" È la definizione classica. Ma se voleste fare della vera ricerca, cosa dovreste fare? Dovreste consultare la letteratura e studiare quello che si sa sui piedi. Guardiamo la letteratura, allora. (Risate)

Magari siete già pratici di questa letteratura. Il problema è che ci sono tanti, tanti piedi. Come realizzate il vostro? Dovete osservare i tanti possibili piedi e astrarne i principi di funzionamento, e voglio che mi aiutiate a farlo, nella prossima clip. Man mano che la vedete, cercate di dedurne i principi, e pensate anche a quali esperimenti potreste mettere a punto per capire come funziona un piede.

Non vedete alcun tema comune? Principi? Cosa fareste? Che esperimenti fareste? Wow. (Applausi) La nostra ricerca sulla biomeccanica della locomozione animale ci ha permesso di progettare un modello di piede. È un progetto ispirato alla Natura, ma non è la copia di qualche piede particolare, bensì una sintesi dei segreti di molti, molti piedi.

Ora, sembra che gli animali possano andare ovunque. Possono muoversi su supporti che variano, come potete vedere, nella probabilità di contatto, nel movimento della superficie, e nella presa del piede sul terreno. Se volete studiare come funziona un piede dovrete simulare queste superfici, o questi reticoli. Quando l'abbiamo fatto, in un altro esperimento, abbiamo fatto correre un animale, questo ragno, sopra una superficie dove il 99% dell'area di contatto era stata rimossa. La cosa, tuttavia, nemmeno rallentò l'animale. Sta ancora correndo all'equivalente umano di 300 miglia all'ora.

Come può fare tutto questo? Beh, osservando con più cura, e rallentando 50 volte, notiamo come la zampa entri in contatto col reticolo. La zampa funge da piede. E in effetti, l'animale fa entrare in contatto le altre parti della zampa più spesso del piede tradizionalmente definito. Il piede è distribuito lungo tutta la zampa. Si può fare un altro esperimento: prendete una blatta e rimuovete il suo piede. Ne scorro un po' in rassegna. Date uno sguardo ai loro piedi. Questo è quello che fa senza un piede: nemmeno rallenta! Può correre alla stessa velocità anche senza quel segmento. Non è un problema per la blatta -- possono farlo ricrescere, se volete saperlo. Come ci riescono? Guardate con attenzione (questo è rallentato 100 volte) cosa sta facendo col resto della zampa. la zampa sta fungendo di nuovo da "piede distribuito". Molto efficace.

La nostra domanda ora è: quanto è diffuso in Natura il piede distribuito? Ed il prossimo comportamento che vi mostrerò ci ha proprio sbalordito la prima volta che lo abbiamo visto. Giornalisti, questo è oltre il record, c'è l'embargo su questa roba. Osservate! Questo è un polpo bipede che si traveste da noce di cocco. Fu scoperto da Christina Huffard e filmato dai Sea Studios proprio qui a Monterey.

Abbiamo descritto anche un'altra specie di polpo bipede. Questo si mimetizza da alga galleggiante. Cammina su due zampe e mantiene le altre braccia in aria per non farsi notare. (Applausi) E guardate cosa fa col piede per spostarsi su un terreno così difficile. Usa questo bellissimo piede distribuito per farlo, come se questi ostacoli non ci fossero. Davvero straordinario.

Nel 1951, Escher fece questo disegno. Pensava di aver creato una fantasticheria animale. Ma sappiamo che l'Arte imita la Natura, e risulta che la Natura, 3 milioni di anni fa, fece evolvere l'animale successivo, una specie di mollusco chiamato stomatopodo. Guardate come si muove sulle spiagge di Panama: si rotola, persino in salita. È il piede distribuito definitivo. Il suo intero corpo, in questo caso, sta fungendo da piede.

Quindi, se vogliamo aggiungere al nostro disegno la prima importante caratteristica, dobbiamo aggiungere il contatto distribuito del piede. Non solo con il piede tradizionale, ma anche con la zampa e persino col resto del corpo. Questo può aiutarci ad ispirare il design di un nuovo robot? Per creare questo robot, chiamato RHex, costruito da ingegneri straordinari, negli ultimi anni, ci siamo ispirati alla biologia. Il piede di RHex, all'inizio, era molto semplice, poi è stato messo a punto nel corso del tempo e alla fine è diventato questo semicerchio. Capirete dal filmato perché è fatto così. Guardate dove il robot, ora, mette la zampa per affrontare questo terreno molto difficile. Vedrete che sta usando quel semicerchio di zampa come "piede distribuito". Guardate come supera gli ostacoli. Come supera questi reticoli. Straordinario. Nessun sensore, tutto il controllo è costruito dentro le zampe regolate. Molto semplice, ma bello.

Ora, potreste aver notato qualcos'altro sugli animali, quando correvano oltre il terreno sconnesso. Adesso il mio assistente mi aiuterà. Quando hai toccato la zampa della blatta -- possiamo dargli un microfono? Quando hai toccato la zampa della blatta, che sensazione dava? Non hai notato nulla?

(Ragazzo:) "È aculeata"

Robert Full: È proprio aculeata giusto? Fa quasi male. Potremmo provare a darla al vostro curatore e vedere se è abbastanza coraggioso da toccarla. (Risate)

(Chirs Anderson) "L'hai toccata?"

Robert Full: Osservando con cura, dunque, si notano gli aculei. Fino a qualche settimana fa, nessuno sapeva cosa facessero. Si pensava fossero strutture sensorie e di protezione. Ma abbiamo scoperto che servono anche ad altro -- ecco un segmento di quell'aculeo. Sono messe a punto in modo da ripiegarsi facilmente in una data direzione (sollevando così la zampa dai reticoli), ma restano rigide nell'altra direzione, così da sentire le irregolarità nella superficie.

I granchi non perdono la presa perché normalmente si muovono sulla sabbia, finché non vengono nel nostro laboratorio e si trovano nei guai con questo tipo di griglia, perché non hanno gli aculei. E quindi se la cavano male in questo terreno sconnesso. Ma è un problema risolvibile, perché possiamo produrre aculei artificiali. Possiamo creare aculei che si aggrappano al reticolo e si piegano quando il granchio si solleva, liberandosi facilmente. Abbiamo messo questi aculei artificiali nei granchi, come vedete qui, e poi li abbiamo testati. Adesso comprendiamo davvero come regolare gli aculei? Sì! Questo è rallentato 20 volte: il granchio semplicemente sfreccia su questo reticolo simulato. (Risate ed applausi). Un po' meglio della Natura.

Al nostro modello, dunque, servono aculei regolati. Questo ci aiuterà a progettare un robot che si arrampica meglio? Beh, ecco RHex. RHex ha problemi con le rotaie lisce. Perchè non aggiungere un aculeo? I miei colleghi della U.Penn l'hanno fatto. Dan Koditscek ha messo delle semplicissime unghie d'acciaio sul robot ed ecco RHex scavalcare questi binari senza problemi! Come fa? Rallentiamolo, così potete vedere gli aculei in azione. Guardate la zampa ruotare e afferrare la superficie proprio lì. Prima non ci riusciva, scivolava e restava bloccata. Adesso invece ce la fa.

Ora, solo perché abbiamo creato un piede distribuito e aculei non significa che possa arrampicarsi in verticale. Quello è molto, molto difficile. Ma guardate questo animale mentre lo fa. Gli animali che vi sto mostrando si arrampicano su questa lastra verticale di metallo. È straordinario quanto in fretta ci riescano. Ma se rallentate, vedrete una cosa ancora più incredibile. È un segreto. L'animale si arrampica... scivolando! In effetti, scivola moltissimo rispetto a quanto si arrampica sulla superficie, sembra quasi che "nuoti" sulla superficie. Infatti guardandolo, possiamo considerare quel comportamento come in un fluido. Il piede distribuito, in effetti, sta agendo più da remo.

Lo stesso vale per questa lucertola, che corre sulla sabbia fluidificata. Guardate i suoi piedi. Stanno funzionando da remo, benché si muova su una superficie che normalmente consideriamo solida. Il che non è diverso da quello che la mia ex-studentessa scoprì quando capì come le lucertole possano correre sull'acqua. Si può usare tutta questa conoscenza per creare un robot migliore? Lo ha fatto Martin Buehler, che ora lavora alla Boston Dynamics. Con questa idea in mente, trasformò RHex in Aqua RHex. Ecco RHex con i remi. Lo ha trasformato in un robot nuotante incredibilmente manovrabile.

Per le superfici irregolari, tuttavia, agli animali servono artigli. E probabilmente li sentite, se li afferrate. Lo hai toccato?

(CA) – Sì.

E si aggrappano molto bene, con questi artigli. Mark Cutkosky della Stanford University, uno dei miei collaboratori, è uno straordinario ingegenere, e ha sviluppato questa tecnica chiamata Shape Deposition Manufacturing, con cui può inserire gli artigli dentro un piede artificiale. Ecco la versione base del piede di un nuovo robot che vi mostrerò tra un attimo. Attacchiamo gli artigli al nostro modello. Gli animali, per potersi veramente muovere su tutte le superfici, usano meccanismi ibridi, che includono artigli, aculei, peli, cuscinetti, colla, adesione capillare e molte altre cose. Queste sono tutte foto di insetti differenti. Questa è una formica che si arrampica in verticale. Osserviamola.

Questo è il piede di una formica. Vedete i peli, gli artigli e questa cosa qui. Questo succede quando il suo piede è in aria. Guardate cosa succede quando il piede entra nel vostro sandwich. Vedete cosa succede? Esce questo cuscinetto, che contiene la colla. Questo è un piede di formica ripreso da sotto Quando gli artigli non scavano, quel cuscinetto automaticamente viene fuori senza che la formica faccia nulla. Semplicemente esce. È stato difficile scattare questa foto: sembra la foto di un piede di formica sulle superstringhe. Una cosa difficile. Ecco che aspetto ha, vista da vicino: qui c'è un piede di formica e qui c'è la colla.

E abbiamo scoperto che questa colla potrebbe essere un'interessante miscela bicomponente. Sicuramente lo aiuta a fare presa. Aggiungiamo quindi al nostro modello dei cuscinetti adesivi. Potreste ora pensare che per le superfici lisce potremmo prendere ispirazione da qui. Qui abbiamo però qualcosa di meglio: Il geco, in Natura, è un ottimo esempio di nanotecnologia. Questi sono i suoi piedi. Hanno un aspetto quasi alieno. E il segreto della loro tenace adesione si nasconde nelle setole delle dita. Possono scalare qualunque superficie ad un metro al secondo, e fare 30 passi in quel secondo. È difficile seguirli con lo sguardo. Se rallentiamo, notiamo come attaccano i loro piedi ad 8 millisecondi, e li staccano a 16 millisecondi. E il modo in cui li staccano è bizzarro. Si "strappano via" dalla superficie allo stesso modo in cui voi togliereste un pezzo di scotch. Come si incollano?

Se osservate i piedi, notate delle strutture a foglia chiamate lamine, con milioni di setole. E ciascuna setola ha nel peggior caso possibile una doppia punta. Ha da cento ad un migliaio di doppie punte, ed è quello il segreto. Perchè permette il contatto profondo. Ogni geco ha un miliardo di queste doppie punte, lunghe 200 nanometri. E non si attaccano con la colla, non funzionano come il velcro, o come una ventosa. Abbiamo scoperto che funzionano con le sole forze di Van der Waals. Per il nostro modello, dunque, sdoppieremo alcune punte. Questo ha ispirato il design del primo adesivo secco autopulente in corso di brevettazione, siamo lieti di dirlo. Ecco la più semplice versione in Natura, ecco il tentativo del mio collaboratore, Ron Fearing, di realizzarne una versione artificiale in poliuretano. Ed ecco il primo test di carico. In molti campi diversi

si sta guardando a questo adesivo con enorme interesse, ne sono sicuro. Potete pensare a mille usi possibili. Molte persone l'hanno fatto e l'idea di ricavarne un prodotto ci esalta. Abbiamo immaginato molti prodotti, come per esempio questo: abbiamo immaginato un cerotto "bio-ispirato" senza colla: prendiamo alcune setole da un geco in muta, applichiamo tre giri di adesivo e facciamo questo cerotto.

Questo è uno studente volontario, - ne abbiamo 30000, quindi possiamo scegliere - questo è solo un evidenziatore rosso. Ma è un cerotto incredibile. È areato, può essere facilmente rimosso, non causa alcuna irritazione, funziona anche sott'acqua, penso sia uno straordinario esempio di come una ricerca basata sulla curiosità (ci eravamo solo chiesti come si arrampicano) possa portare a cose che non avreste mai potuto immaginare. È un esempio del perché serve sostenere la ricerca basata sulla curiosità. E adesso rimuoviamo il cerotto.

Dunque. Abbiamo ridefinito cos'è un piede. Ma allora possiamo riutilizzare questa conoscenza nella progettazione di un piede migliore di uno esistente in Natura? Ecco il nuovo progetto: stiamo cercando di creare il primo robot di ricerca e soccorso in grado di arrampicarsi senza ventose né magneti, che possono muoversi solo su alcuni tipi di superfici. Chiamo il nuovo robot RiSE, Robot in Ambiente di Scalata, un ambiente ripido. Abbiamo un team straordinario di biologi ed ingegneri che stanno creando questo robot. Ed ecco RiSE. Ha sei zampe e una coda. Eccolo su uno steccato e su un albero. E questi sono i primi passi di RiSE su un piano inclinato. Avete l'audio? Potete sentirlo salire. E qui si sta avvicinando a voi, nei suoi primi passi su un muro. Qui sta usando solo il suo piede più semplice, è la prima versione ma pensiamo di avergli dato la dinamica giusta.

Mark Cutkosky, tuttavia, lo sta portando un passo oltre. Lui è quello in grado di costruire piedi e dita con la Shape Deposition Manufacturing. Il prossimo passo è provare a costruire dita compatibili, provare ad aggiungere aculei e artigli, e infine farlo funzionare con gli adesivi secchi. L'idea era di ottenere dita giuste, un piede giusto, cercare di farlo arrampicare e alla fine metterlo sul robot. Ed è esattamente ciò che ha fatto. Ha costruito un piede robotico, ispirato alla Natura e in grado di arrampicarsi.

Ecco Cutcosky ed il progetto dei suoi incredibili studenti. Queste sono sei dita regolate e usano i vari principi che vi ho descritto per il nostro modello. Questo non usa ventose, né colla e alla fine, quando sarà attaccato al robot --è ispirato alla biologia quanto l'animale-- speriamo possa arrampicarsi su ogni tipo di superficie. Qui lo vedete arrampicarsi sul lato di un edificio a Stanford. Il filmato è accelerato, è un piede che si arrampica, non è ancora l'intero robot, ma ci stiamo lavorando, per ora potete vedere come si aggrappa. Queste strutture regolate permettono agli aculei, ai cuscinetti di attrito e alla fine alle setole adesive di aggrapparsi anche su superfici molto difficili. E sono stati in grado di fare questo -il video è accelerato 20 volte- potete immaginare che vada di sopra e soccorra qualcuno al piano superiore? Potete immaginarlo adesso, non è impossibile - È un compito molto impegnativo. Ma sta per arrivare anche altro.

Per concludere, abbiamo carpito segreti alla Natura osservando come sono costruiti i piedi. Abbiamo imparato che dovremmo distribuire il controllo a parti intelligenti. Non fate fare tutto al cervello, date una parte del controllo a piedi regolati, zampe e perfino all'intero corpo. Abbiamo imparato che la Natura usa soluzioni ibride, non una soluzione unica per questi problemi, e queste soluzioni sono integrate e meravigliosamente solide. E in terzo luogo, crediamo fermamemnte di non voler imitare la Natura, ma piuttosto farci ispirare dalla biologia combinando questo col meglio che la ricerca ingegneristica là fuori può offrire, creando, potenzialmente, qualcosa di migliore della Natura.

Quindi lancio un chiaro messaggio: che voi vogliate fare ricerca di base su animali interessanti, bizzarri, meravigliosi, oppure vogliate costruire un robot di ricerca e soccorso, che possa aiutarvi in un terremoto, o a salvare qualcuno in un incendio, o siate interessati alla Medicina - dobbiamo in ogni caso preservare i progetti della Natura. Altrimenti, questi segreti saranno persi per sempre. Grazie.