Robert Full: Ingegneria ed Evoluzione

Benvenuti. Potrei avere la prima slide, per favore? Al contrario dei calcoli fatti dagli ingegneri, le api possono volare, i delfini possono nuotare, e i gechi possono addirittura scalare le superfici più liscie. Ora, quello che voglio fare con il poco tempo che ho a disposizione, è provare a permettere a ognuno di voi di provare, più o meno, il brivido di scoprire i progetti della natura. Io lo faccio ogni volta, ed è semplicemente incredibile. Voglio provare a condividere con voi questa sensazione durante la presentazione. La sfida è guardare ai progetti della natura e io vi dirò come noi li percepiamo, e come li usiamo. Chiaramente la sfida è di rispondere a questa domanda: Cosa permette agli animali di mostrare delle prestazioni così straordinarie, in grado di renderli capaci di fare qualsiasi cosa? E se riuscissimo a capirlo, come potremmo implementare queste idee?

Dunque, molti biologi diranno agli ingegneri che gli organismi hanno avuto milioni di anni per fare le cose ammodo, che sono spettacolari, che possono fare qualsiasi cosa in modo magnifico. Quindi la risposta sarebbe la bio mimetica -- cioè copiare direttamente la natura Lavorando a contatto con gli animali sappiamo che la verità è che questo è esattamente ciò che non si deve fare. Il motivo è che l'evoluzione funziona sulla base del principio del "basta che funzioni", non secondo quello della perfezione. Le difficoltà nel costruire un qualsiasi organismo sono molto forti. La tecnologia che la natura produce ha dei vincoli incredibili. Pensateci. Se foste degli ingegnere e io vi dicessi che dovete costruire un'automobile, ma cominciando da queste dimensioni, che deve poter crescere per raggiungere le sue piene dimensioni e che deve funzionare sempre. Pensate al fatto che se riuscirete a costruire un'automobile, io vi chiederò di metterci dentro una fabbrica in grado di produrre un'altra automobile.

(Risate)

E voi non potrete mai, assolutamente mai, a causa della storia e dei piani ereditati, cominciare da zero. Gli esseri viventi condividono questa storia importante. L'evoluzione funziona per davvero più come un aggiustatutto che come un ingegnere. E questo è molto importante quando si comincia ad osservare gli animali. Al contrario, noi pensiamo che ci sia bisogno di essere ispirati dalla biologia. C'è bisogno di scoprire i principi generali usati dalla natura e usarli come riferimento quando questo è vantaggioso. Questa è una grande sfida poiché gli animali, quando si comincia ad osservarli attentamente, a vedere come funzionano, risultano essere di una complessità impressionante. Non è possibile trovare da nessuna parte progetti che ne descrivano il funzionamento. I loro giunti sono in grado di compiere troppi movimenti, hanno troppi muscoli, anche il più semplice degli animali a cui si possa pensare, qualcosa come ad esempio un insetto, ha più neuroni e connessioni di quante si possa immaginare.

Come capire qualcosa da tutto questo? Bene, noi crediamo - e abbiamo ipotizzato - che gli animali funzionino, come se il controllo dei loro movimenti avvenisse direttamente a livello del loro corpo. Abbiamo scoperto che animali a due, quattro, sei e otto zampe producono tutti le stesse forze a contatto col suolo quando si muovono. Funzionano tutti come questo canguro, saltano e possono essere modellati da un sistema fatto da una molla e un peso, che noi chiamiamo sistema molla-massa poiché siamo biomeccanici, anche se in effetti non è altro che un trampolo a molla. Si muovono tutti come un trampolo a molla. Com'è possibile? Una gamba umana funziona come due zampe di un cane, o come tre zampe di un insetto messe insieme, o quattro zampe di un granchio. Tutte si alternano nella spinta, ma il movimento che fanno è lo stesso. Funziona così per tutti gli organismi che abbiamo studiato. Come vedrete la prossima settimana - giusto per darvi un indizio - ci sarà un articolo che spiegherà come esseri davvero grossi come un T. Rex, probabilmente non potevano farlo, ma lo vedrete la prossima settimana.

Ora, ciò che è interessante è come questi animali saltino sul piano verticale in questo modo, e in una collaborazione con Pixar per "A Bug's Life", abbiamo discusso la natura bipede dei personaggi formiche. Noi li informammo che loro muovono anche in un altro piano, chiaramente, e loro ci chiesero: "Perché fare un modello che descrive movimenti solo sul piano sagittale o verticale quando ci stai dicendo che questi animali si muovono sul piano orizzontale?" Beh, ottima domanda. Nessun biologo l'ha mai modellato in questo modo. Seguendo il loro consiglio abbiamo modellizzato il movimento degli animali anche sul piano orizzontale. Abbiamo preso le loro tre zampe, le abbiamo unite in una sola. Abbiamo chiamato da Princeton uno dei migliori matematici al mondo per lavorare su questo problema. E siamo stati capaci di creare un modello dove gli animali non saltano solo su e giù, ma saltano anche avanti e indietro allo stesso tempo. Molto esseri viventi seguono questo genere di movimenti. Ora, perché è importante avere questo modello? Perché è veramente interessante. Se si prende questo modello e si perturba, si da una spinta, non appena incorre in qualcosa, si stabilizza da solo, senza usare il cervello, senza usare riflessi, semplicemente usando la sua struttura. E' un modello bellissimo. Diamo un'occhiata alla matematica che ci sta dietro.

(Risate)

Ok, è abbastanza!

(Risate)

Quando uno osserva gli animali correre sembra che questi si stabilizzino da soli in questo modo, usando principalmente zampe a molla. Proprio così, le zampe sono in grado di fare calcoli da sole. E' come se gli algoritmi di controllo fossero integrati nella forma stessa dell'animale. Perché l'uomo non si è mai ispirato alla natura e a questo tipo di scoperte? Ebbene, io risponderei che la tecnologia umana è veramente differente dalla tecnologia della natura, o per lo meno lo è stata fino ad ora. Pensate al primo robot che vi viene in mente. La tecnologia umana tende ad essere grande, piatta, spigolosa, rigida, fatta di metallo. Si hanno dispositivi che ruotano e assi. Ci sono pochissimi motori e sensori. Al contrario la natura tende ad essere piccola, ricurva, si piega e si torce, ha zampe al posto di appendici, ha molti muscoli e moltissimi sensori. Perciò il design è molto differente. Ad ogni modo, ciò che sta cambiando, ciò che è più entusiasmante - ve ne mostrerò alcuni esempi a breve - è che non appena la tecnologia umana prende le caratteristiche della natura, la natura diventa un'insegnante ancora più utile.

E qui c'è un esempio che è davvero spettacolare. Questa è una collaborazione che abbiamo con Stanford. Loro hanno sviluppato una nuova tecnica chiamata Fabbricazione a Deposizione di Forma che è una tecnica dove si possono unire più materiali insieme e formare qualsiasi forma si voglia, trasferendoci le proprietà dei materiali utilizzati. All'interno della forma si possono integrare anche sensori ed attuatori. Ad esempio, qui c'è una zampa - la parte trasparente è rigida, la parte bianca è morbida, e non serve nessun asse o altro. Semplicemente si piega da sola. Bellissimo. Perciò, si possono mettere queste proprietà. Questa li ha ispirati nel realizzare un piccolo robot che hanno chiamato Sprawl. Il nostro lavoro ha ispirato anche un altro robot, un robot bioispirato che salta, che viene dall'università del Michigan e McGill di nome RHex, un robot esapode, e questo è autonomo. Andiamo ora al video, vi mostrerò come alcuni di questi animali si muovono, e quindi alcuni semplici robot che sono stati ispirati dalle nostre scoperte. Questo è un po' di quello che avete fatto stamani, anche se l'avete fatto all'aperto non su un tapis roulant. Questo è quello che facciamo.

(Risate)

Questa è una specie di blatta - questa è una blatta Americana che pensate di non avere in cucina. Questo è uno scorpione con otto zampe, una formica con sei e un centipiede con quarantaquattro zampe. Se ricordate, vi ho detto che tutti questi animali funzionano un po' come un trampolo a molla. Saltano quando si muovono, e lo potete vedere in questo granchio delle spiagge di Panama e della Carolina del Nord. Arriva fino a quattro metri al secondo quando corre. In effetti si stacca verso l'alto e ha una fase aerea quando fa così, come un cavallo - qui potete vedere che salta. Quello che abbiamo scoperto è che, sia che si guardi alle gambe di un uomo come Richard, o alle zampe di una blatta, o di un granchio, o di un canguro, la rigidità relativa di quella molla è la stessa per tutto ciò che abbiamo visto fino a ora. Ora, a cosa sono buone delle zampe a molla, cosa possono fare? Bene, noi volevamo studiare se queste permettessero agli animali di avere una maggiore stabilità e manovrabilità. Per questo abbiamo costruito un terreno pieno di ostacoli alti tre volte l'altezza dell'anca degli animali che stavamo studiando, sicuri che non ce l'avrebbero fatta. Questo è quello che sono riusciti a fare. L'animale ci ha corso sopra, senza rallentare neanche un po'. Non ha per niente diminuito la sua velocità. Non potevamo credere che ci potesse riuscire. Ci ha rivelato che se fossimo in grado di costruire un robot con zampe a molla veramente semplici, saremmo in grado di creare qualcosa di più manovrabile di qualsiasi altra cosa che sia mai stata costruita.

Ecco il primo esempio di questo, si tratta di un robot fatto da Stanford tramite la Fabbricazione a Deposizione di Forma, chiamato Sprawl. Ha sei zampe - là ci sono le zampe a molla. Si muove con un passo che userebbe un insetto ed eccolo che si muove su un tapis roulant. Ora, quello che è importante di questo robot, rispetto ad altri robot, è che non può vedere niente, non può provare niente, non ha un cervello, ma lo stesso si può muovere oltre questi ostacoli senza la minima difficoltà. Tutto ciò grazie al fatto che abbiamo trasferito le proprietà all'interno della forma. Questo è uno studente magistrale, si tratta di parte del suo lavoro di tesi, fa un certo effetto quando uno studente fa qualcosa del genere sul proprio progetto di tesi.

(Risate)

Questo invece viene dalla McGill e dall'Università del Michigan, si tratta di RHex, alla sua prima dimostrazione all'aperto.

(Risate)

Stesso principio. Si tratta solo di sei parti mobili. Sei motori, ma ha molle, zampe adatte. Si muove con il passo di un insetto le zampe di mezzo si muovono in sincronia con quelle davanti e quelle dietro dall'altra parte. Una sorta di tripode alternato, che può superare ostacoli proprio come un animale.

(Risate)

O mio Dio.

(Applausi)

Può andare su diversi tipi di superfici - ecco terreno sabbioso non abbiamo ancora perfezionato le zampe, ma di questo ne parlerò dopo. Ora RHex entra nel bosco.

(Risate)

Come dicevo, questo robot non può vedere nulla, non può provare nulla, non ha cervello. Funziona solo tramite un sistema meccanico calibrato con componenti veramente semplici, ma ispirati dalla dinamica alla base dell'animale. Ah, lo amo Bob. Ecco che scende una strada. Ho presentato questo video al Jet Propulsion Lab della NASA - hanno detto di non avere la capacità di scendere un cratere per cercare del ghiaccio e, in ultima istanza, la vita su Marte. Questo in particolare con robot con zampe a causa della loro intrinseca complicatezza. Nessuno poteva farlo - Allora ho parlato io. Gli ho mostrato questo video con il semplice design di RHex qui, e solo per convincerli che siamo in grado di andare su Marte nel 2011, ho tinto il video di arancione giusto per dargli l'impressione di essere su Marte.

(Risate)

(Applausi)

Un'altra ragione per cui gli animali sono in grado di prestazioni straordinarie e possono andare ovunque, è che interagiscono efficacemente con l'ambiente. L'animale che sto per mostrarvi, che abbiamo studiato è il geco. Eccone qua uno, notate la sua posizione: è fermo. Vi sfido. Vi mostrerò un video uno degli animali corre su un piano l'altro corre su per un muro. Quale è quale? Stanno andando ad un metro al secondo. Quanti di voi pensano che sia quello sulla sinistra che corre su per il muro?

(Applausi)

Ok. Il punto è che è molto difficile a dirsi, non è vero? E' incredibile. Abbiamo chiesto a degli studenti e non sono stati in grado di rispondere. Possono correre su un muro ad un metro al secondo, quindici passi al secondo e sembra che stiano correndo su un piano. Com'è possibile? E' fenomenale. Quello sulla destra è quello che stava scalando. Come fanno? Hanno delle dita bizzarre - hanno delle dita che si aprono completamente come le trombette quando ci soffiamo dentro, e si attaccano alla superficie come un nastro adesivo. Come se avessimo un pezzo di nastro adesivo e lo attaccassimo in questo modo. Loro lo fanno con le loro dita. E' bizzarro. Questo modo di attaccarsi ha ispirato iRobot, un'azienda che lavora con noi, nella costruzione di Mecho-Geckos. C'è una versione con zampe e una a carro armato, e una a bulldozer. Vediamo in qualche video come si muovono alcuni di questi gechi, in seguito vi mostrerò come si agganciano. Ecco il geco che corre su una superficie verticale, ecco che va, in tempo reale, ecco che va ancora. Ovviamente dobbiamo rallentare un po'.

Non si possono usare telecamere normali. Si devono catturare mille immagini al secondo per vederlo. Ed ecco il video a mille immagini al secondo. Ora voglio che guardiate la colonna vertebrale dell'animale. Vedete come si curva? Non riusciamo a capire come faccia - è un mistero irrisolto. Non sappiamo come funzioni. Se avete un figlio o una figlia che vuole venire a Berkeley, mandatela nel mio laboratorio e lo scopriremo. Davvero, mandateli alla Berkeley perché questo è quello che farei io. Ecco un tapis roulant per gechi.

(Risate)

E' un complesso di telecamera e tapis roulant, così possiamo vedere i piedi dell'animale e registrarli attraverso il nastro, per vedere come si muovono. Ecco l'animale che corre su una superficie verticale. Scegliete una zampa e provate a osservarne le dita, tentate di capire cosa sta facendo l'animale. Vedete come allarga ed aggancia le dita. Ci mette 14 millisecondi. E' incredibile. Ora arriviamo ai robot che sono stati ispirati, il Mecho-Gecko della iRobot. Possiamo vedere le dita dell'animale attaccarsi - guardate! Ed ecco l'azione adesiva del Mecho-Gecko usa un adesivo sensibile alla pressione per farlo. Ecco l'azione adesiva dell'animale, ecco quella del Mecho-Gecko, che permette loro di scalare in modo autonomo, andare su una superficie piatta, passare su un muro e quindi finire su un tetto. C'è anche la versione bulldozer. Dunque, l'animale non usa colla sensibile alla pressione. Ma questo è ciò a cui siamo limitati al momento.

Come fa l'animale? Ha delle strane dita e se si guarda a queste dita si vede che ci sono delle piccole foglie, e se si ingrandiscono si può vedere che ci sono delle piccole striature in queste foglie, e se si ingrandisce 270 volte, si può vedere una sorta di tappeto. E se si ingrandisce fino a 900 volte, si può vedere che ci sono peli, piccoli peli, e se si guarda più attentamente si nota che questi peli hanno striature. E se si ingrandisce una di quelle 30.000 volte, vedrete che ogni pelo finisce con molte estremità. E se si ingrandiscono si vedono delle piccole strutture. L'estremità più piccola dei peli sembra come un mestolo e un animale come questo ha 1 miliardo di queste estremità di dimensioni nanometriche per aderire il più possibile alla superficie. Infatti, se questo è il diametro di un capello, un geco ha 2 milioni di questi e ogni pelo ha da 100 a 1000 estremità. Pensate al contatto che riescono a creare.

Siamo stati fortunati a lavorare con un altro gruppo a Stanford che ci ha costruito uno speciale tipo di sensore con cui siamo stati in grado di misurare la foza di un singolo pelo. Ecco un singolo pelo con qualche estremità, quando abbiamo misurato le forze, queste erano enormi, così grandi che con un gruppo di peli di circa queste dimensioni, la zampa di un geco potrebbe sorreggere il peso di un bambino piccolo - circa 18 Kg con facilità. Come riescono a farlo? Lo abbiamo scoperto recentemente. Sfruttano l'attrito? No, la forza è troppo poca. Sfruttano le cariche elettrostatiche? No, si può cambiare la carica e loro rimangono attaccati. Sfruttano la rugosità dei materiali? Intendo come una sorta di velcro. No, si possono mettere sulle delle superfici liscie a livello molecolare - non lo fanno. Cosa dire invece della suzione? Aderiscono nel vuoto. Cosa dire invece dell'adesione umida? O adesione capillare? Non hanno nessun adesivo e possono rimanere attaccati tranquillamente anche sott'acqua. Se si mette la loro zampa sott'acqua la presa non cede. Come fanno, quindi? Che ci crediate o no, rimangono attaccati grazie a forze intermolecolari chiamate forze di van der Waals.

Probabilmente le avrete studiate tempo fa in un corso di chimica. Ci sono due atomi, vicini, e gli elettroni si muovono attorno. Quella piccola forza è sufficiente a fargli fare quello che fanno perché è sommata così tante volte tramite quelle piccole strutture. Quello che stiamo facendo è trarre ispirazione da quei peli, e con un altro collega a Berkeley, le stiamo costruendo. Solo recentemente abbiamo comunicato che crediamo che saremo capaci di creare il primo adesivo secco, sintetico, e autopulente. Molte compagnie ne sono interessate.

(Risate)

Lo abbiamo presentato anche alla Nike.

(Risate)

(Applausi)

Vedremo come andrà a finire. Eravamo così eccitati per questo che abbiamo capito che queste piccole dimensioni, dove tutto diventa adesivo e la gravità non conta più, ci portavano a guardare alle formiche e alle loro dita, perché uno dei miei altri colleghi a Berkeley ha costruito un robot in silicone di sei millimetri con zampe, ma rimane bloccato, non si muove molto bene. Ma le formiche sono in grado di farlo e noi capiremo come, così che alla fine lo faremo muovere. Immaginate, sarà possibile avere sciami di questi robot di sei millimetri che corrono in giro. Dove andrà a finire? Penso che lo abbiate già capito.

Chiaramente Internet ha già occhi ed orecchie, avete webcam e altro. Ma arriverà ad avere anche gambe e mani. Sarete in grado di programmare il vostro lavoro tramite questo tipo di robot, così che sarete liberi di andare a correre, volare e nuotare ovunque. Abbiamo visto David Kelly all'inizio con il suo pesce. Quindi, in conclusione, penso che il messaggio sia chiaro. Se vi serve una morale, se la natura non è abbastanza, se vi interessa cercare e salvare persone, o ripulire un campo minato, o curare, o qualsiasi altra cosa su cui stiamo lavorando, dobbiami capire che dobbiamo preservare i progetti creati dalla natura, altrimenti questi segreti andranno persi per sempre. Grazie.

(Applausi)