ロバート・フル　動物の動きについて

私の研究室の学生だと思ってください あなた方への課題は生物規範デザインです 課題のテーマは パラメトリックな3次元動的接触モデルの作成です 普通の言葉で言うと、足を作るのを手伝って欲しいということになります これは本当に難しいことで、本当に手伝って欲しいと思っています 当然賞も用意してあります TED賞程のものではなく、うちの研究室のオリジナルTシャツです 是非足を作るアイデアを送って下さい

足をデザインするために必要なことを挙げてみましょう まず、足とはどういうものか知る必要があります 辞書でfootの訳を見ると「足首から下の部分、 歩み、最下部」と書いてあります これは従来ある定義です しかし、これでは研究したことになりません 文献で足について何が知られているか調査する必要があります なので文献を実際に見てみましょう(笑)

文献を見ていてもう御存じかもしれませんが 問題は、足の種類がものすごく沢山あることです ではどうするか 足の種類をすべて洗い出し、どういった原則で機能しているのか調査する必要があります 次の映像を見ながらどんな原則があるかとか どのような実験をすることによって 足の機能を見出していくか 考えてみてください

何か共通のテーマありましたか？原則は？ どうしますか？ どんな実験をしますか？ すごい 動物運動学の研究を通して 青写真を描くことが出来ました これは自然に習った設計で今さっき見たような足をただ模倣したものでもありません いろいろな種類の足の秘密を組み合わせたものです

動物は大体どこにでも行くことが出来ます 先ほど見たように接触の確率、表面そのものの不安定さ 足の置き場の安定さがどのように変化しても その表面を動き回ることができる もし足の働きを研究するとなると このように多様な表面もしくは表面に落ちている砂利などをシミュレーションする必要があります 実際に行った実験はこれです 適当な動物、ここではこのクサグモですが 接触表面を99%排除した表面を走らせました それでもほとんど影響なし 人の大きさにしたら時速300マイルで走行していることになります

どうやっているのでしょう？もっと注意してみてください 速度を50分の１に落とすとと足がシミュレーションされた砂利をどのように利用しているか見えてきます 地面に触れているのは 足先というより脚全体が地面と 接触していることに気づいていると思います 歩行用の地面接触機能が脚全体に分布しています ゴキブリでも実験することが出来ます。足から一節 もいで見ることが出来ます 今ゴキブリを回しているのでゴキブリの足を見てみてください 一節もぐとどうなるか？それでも速度が変わらない 節が一つなくても影響がないんです ゴキブリの足の節は生え換わるので心配ないです ではどうやっているのか？ よく見てください。100分の1に減速しています 残った足をどう使っているか？ 同じように脚全体を使っています 超効果的

次の疑問は足全体への機能分散がどれくらい一般的なことなのか 次に見せる動物には度肝を抜かれました ジャーナリストのみなさん、これはオフレコでお願いします 見てみてください 転がっているココナツに化けた2足歩行のタコです 発見者はクリスティーナ・ハッファードで 撮ったのはシースタジオで、場所はここ、モントレーです

他にも2足歩行のタコが見つかっています これは海藻に化けた時のものです 2足で歩きながら他の足を高く上げてカモフラージュしています （拍手） 不整地を乗り越える時の足の動かし方を見てください 足全体をうまく使っているため、まるで障害物がないかのようです 本当に素晴らしい

エッシャーは恐らく全くの架空の動物を描いたつもりで1951年にこの絵を描きました。 芸術は命を模倣するとでもいいましょうか 300万年前に大自然は次の動物を進化させていました エビと似たようなシャコという動物です このようにパナマの浜辺を動き回ります 転がって坂も登れるのです 足の機能が分散した究極の例とも言え、体全体が足の代わりになっています

我々の設計図に最初に加える重要な機能は 接地し得る点を足だけではなく 脚全体にそして体にも 分散させるということです これで新しいロボットの設計することが出来るでしょうか？ 素晴らしいエンジニアが過去数年かけて RHexと呼ばれる次の生物規範ロボットを作りました RHexの足は最初はかなり単純な形でした 時間とともにチューニングされ、ついに半円形になりました 理由はビデオを見れば分かります 難しい不整地を歩くために足全体をどう使っているか見てください 半円全体を足として使っているのが分かりますか この障害物を乗り越える時も ここに落ちている障害物も 検知する必要はなく制御は足の形そのものによって実現されています シンプルかつ洗練されて美しい

不整地を走りぬいていく動物を見た時 他にも気付いた点はないですか？ アシスタントに手伝ってもらいましょう ゴキブリの足を触った時...マイクお願いします ゴキブリの足を触った時どんな感触だった？ なにか気付いたことある？

少年： とげがある

そうトゲがあるんだ　たくさんあるでしょう？痛いよね キュレータさんに渡してみてゴキブリを触る勇気があるかどうか見てみましょう (笑)

クリス・アンダーソン:　触ったことがあるんですか？

これをよく見るととげが付いていることが分かります 数週間前まではそのトゲの役割を誰も知りませんでした トゲの役割は外敵から守るとか感覚器官だと思われていました 他の役割を解明することが出来ました。。これはトゲの一部を拡大したものです ある方向に対してはやわらかくなっていて 足を引き上げやすくなっています 別な方向から押すと固くなっていて表面の凹凸を捉えられます

カニは普段砂の上を動くので足を踏み外すことはありません 研究室につれてこられるまでは このような網で苦労することになります トゲを持っていないからです カニはトゲを持たないからこのような表面を通過することができません 人工的にこのトゲを作って 何とかしてあげることが出来ます 踏み込む時に障害物をとらえ 引き出す時には簡単に抜けるようにします このようなトゲを足にくっつけて カニに試してもらいました この考え方は正しかったでしょうか？正解でした 20分の1のスピードに落した動画ですが、カニは障害物をもろともしません （笑）（拍手） 自然から一歩前進しました

設計図には特殊なトゲを追加します これでクライミングの得意なロボットを作れますでしょうか？ 再びRHexです。なめらかなレールをを乗り越えっるのに苦労しています トゲの出番です。私の同僚のダン・コディシェックが ペンシルバニア大学で足に釘をつけてみました 今度のRHexは問題なくレールを乗り越えていきます どうやっているのでしょうか 動画の速度を落として様子をみましょう 足が踏み込もうとする時にトゲでレールをとらえているのが分かります 以前は滑るだけで障害物をとらえることができませんでした もう一回見ましょう。成功です

足の機能を分散させてトゲを追加したからといって 垂直な壁が登られるわけではありません 非常に難しいことです でもこの動物はいとも簡単にやっています 今まわしている動物がまさになめらかな金属でできた壁を登っています スピードには驚くばかりですが 動画の速度を下げると驚く光景を目にします 秘密を解き明かすと、滑ったりしながら 決して美しいとはいえないような登り方をしています まるで泳いでいるかのようにこの平面を登っていきます 実際にモデリングしてみると液体中の動きがもっとも合致します 分散された足の機能はパドルのような役割を果たしています

このトカゲが流砂の上を走る時もそうです 足を見てください 普通固体だと思うよるな表面でも まるでパドルのような役割を果たしています 以前私のところにいた学生が トカゲの水上歩行の研究でも似たような発見をしました これでよりよいロボットを作れるでしょうか？ ボストンダイナミクスのマーチン・ビューラーは このアイデアを使ってAqua RHexへと進化させました これがパドルを付けたRHexで かなり泳ぎのうまいロボットになっています

荒れた面の場合、動物は爪を使うようになります 手に取った時爪を感じることが出来たと思います 触りましたか？

CA: 触りました

動物は爪をかなり巧みに使います 一緒に研究しているスタンフォード大学のマーク・クトウスキーさんはかなりすごいエンジニアで 形状デポジション製法という製造方法を編み出しました この製造方法で直接人工的な足に爪を埋め込むことができます これから見せる新しいロボットの初期のバージョンが足がこれです プロトタイプの青写真に爪も付けておきましょう 動物はどんな表面でも歩いて行けるような工夫をしています 工夫をしています 爪、トゲ、髪、肉球、糊、毛細現象による接着など いろいろな要素を組み合わせて使います これらは全て別々の虫から取ってきたものです アリが垂直な面を登っています 近づいて見てみましょう

アリの足です。髪と爪そしてこの変なものが見られます これは足が空中にある時です 足が食べようとしているサンドイッチに乗っかる時 こうなります 糊の付いている肉球みたいなものが出てきます 下から見てみましょう 爪が引っ掛からない時にはあの肉球みたいなものが自動的に 飛び出します 撮影の難しかったアリがひもを登っているところです 大変でしたが 近くで見ると、 こうやって糊が出てきます

この糊は面白い特性を持つ二相混合体だということが分かってきました アリをくっつけるのに十分な保持力がありますね 青写真に糊の付いている肉球を追加します なめらかな表面ではこれで十分そうですが もっといいものがありました ヤモリは自然界で使われているナノテクのよい例です これが足で 地球上のものとは思えないような形をしていますが，くっついていられる理由は 毛むくじゃらな足の指です ヤモリは秒速1メートルで壁を登り その1秒の間に30歩進みます。目にも止まらぬ速さです 動画をゆっくり回すと8ミリ秒で足をくっつけ 16ミリ秒ではずします はずし方を詳しく見るとかなり変です セロテープを壁からはがしているかのようにはがしています 変ですよね。どうやってくっついているのでしょう？

足を見るとlinalaeという葉っぱのような構造を持っており 毛だらけです 毛先をみるとすごい枝毛になっています 一本の毛が何百や何千にも枝分かれしてます これが密着するための秘密です ヤモリ一匹が何億もの200nm大の枝毛を持っています 糊や磁力もしくはマジックテープのような原理でくっつくのではなく 分子間力でくっつきます 青写真に枝毛を追加しす うれしいことに自己洗浄機能を持つ乾式接着剤の 特許の取得に成功しました これが自然界のもっともシンプルなサンプル こちらが共同研究者ロン・フェアリングの 人工的なポリウレタン製の試作です 初めて負荷をかけてみた時の映像です

様々な分野から興味を持たれています 用途はいくらでも思いつくと思われるし 思いついた人たちも多く、製品化に向けて興奮しています いろいろな製品を想像してみました。例えばこれ 生物規範の絆創膏。絆創膏の糊をはいで 毛の生え換わっているヤモリの毛を 3牧くっつけてみました

これは大学生のボランティアです 学生が3万人もいるので、選択肢が豊富なんです あれは赤いペンで付けた印なのですが しっかりと絆創膏の機能を果たしてしています 空気の循環もよく、簡単にはがすこともでき、皮膚も荒らさず、水中使用も可 最初はただどうやって登っているのか知りたかっただけだった 好奇心で始めた研究から、思いがけない 産物が生み出されたよい例です 好奇心で始める研究に予算を出すよい理由でもあります 絆創膏をはがしているところです

足とは何か定義し直しましたが 問題は自然界から学んだことを応用し よりよい足のデザインが出来るようになったかどうかです 新しいプロジェクトとして、 世界初の磁石や吸盤を使わずに限定された環境を 登ることのできるレスキューロボットを作りました 有能な生物学者と工学者で構成された開発チームがこのRiSEを開発しています RiSEはよじ登る環境向けロボットという意味です これです 六足ロボットでしっぽを持っています。塀や木 そして初めての坂に挑戦しているところです 音出ますか？登っている動作音も聞いてください これは自分に向って壁を初めて登っているところです ここで使っているのは最も構造の簡単な作りたての足です 力学はしっかり出来たと思っています

マーク・カトコスキーは一歩先にもって行こうとしています 形状デポジション製法で足を作っている人です 次のステップは地面の形状にならう足の指を作成して 爪やトゲを追加して乾式接着剤をくっつけることです まずは1本足と足の指の形状を固めて それで登れるか試してから、ロボットにくっつけてみます 彼はその通りに研究を進めました 彼は生物規範のクライミングロボットの足を作りました

これがカトコスキーと彼の学生らが作成したデザインです 調整済みの足の指が6本ついています そして私が今まで話してきた青写真の原理にのっとっています したがってこれは糊も空気の吸引も使っていません ロボットにくっつければ原理の発見を 手伝ってくれた動物と同じように どのような表面も登っていくことができるでしょう スタンフォード大学にある建物の側面を登っているところです 映像は速めてありますが ただ足が登っているようにしか見えないでしょう くっついているところを見ましたか？ 足のトゲ、吸着パッド、そして吸着パッドには分子間力で吸着する毛という構成で 凹凸のある難しい表面につかまることができています 20倍速の実験映像はこうなりました 上の階の人を救助しに登っていくことを想像することが出来ますか？ 不可能ではなさそうですよね 難しいのは確かですが、研究は進んでいきます

自然界にある足を参考に足のデザインの秘密が導き出せました 制御は作業に適したパーツに役割を分担してもらうことを学びました 脳にすべてをやらせるのではなく 上手く調整された脚や身体の形が制御するのです 自然は統合された様々な局面に適応できる ハイブリッドな解を用意します 3つ目として自然をただまねるだけではなく原理を導きだし発想を刺激し 工学的に優れ、可能ならば自然に勝るポテンシャルを 持つ解を出すことを心がけるべきだと思っています

メッセージははっきりとしています 思いがけない動物の基礎研究をしていようと 地震に よる災害現場でも活躍することのできる レスキューロボットを作りたいのであろうと 火事で人助けをしたいのでも、薬の研究をしていようと 自然界のデザインを温存しなければなりません 秘密を解く鍵が研究する前に消え去ってしまわないように ご静聴ありがとうございます