Roberts Fulls par konstruēšanu un evolūciju

Sveicināti. Vai es varu palūgt pirmo slaidu? Pretēji dažu inženieru aprēķiniem, bites var lidot, delfīni var peldēt un ķirzakas var rāpties augšup pat pa visgludākajām virsmām. Šajā man atvēlētajā īsajā laika sprīdī, es vēlētos, lai katrs no jums piedzīvotu dabas dizaina atklāšanas saviļņojumu. Es varu to darīt visu laiku, un tas ir vienkārši neticami. Šajā prezentācijā es vēlos tajā ar jums mazliet padalīties. Izaicinājums skatoties uz dabas dizainu un es jums pateikšu to, kā mēs uztveram un kā mēs to lietojam. Protams, ir grūti atbildēt uz šo jautājumu: kas ļauj dzīvniekiem darboties ar šādu neparastu veiktspēju, kas būtībā ļauj viņiem doties jebkur? Un ja mēs varētu to saprast, kā mēs varam to īstenot konstrukcijās?

Daudzi biologi inženieriem un pārējiem stāstīs, ka, lai organismi to dabūtu gatavu, vajadzēs miljoniem gadu; tie ir iespaidīgi; tie var veikt visu apbrīnojami labi. Tātad, atbilde ir biomimētika: tieša dabas atdarināšana. Strādājot ar dzīvniekiem mēs jau zinām, ka patiesībā šādi strādāt ir tieši tas, ko jūs nevēlaties darīt, jo evolūcija darbojas pēc gana labi principa, ne pēc ideāluma principa. Kad jūs paskataties uz to, ierobežojumi, veidojot jebkuru organismu, ir pamatīgi. Dabas tehnoloģijas ir neticami ierobežotas. Padomājiet par to. Ja esat inženieris, un es jums saku, ka jāuzbūvē automašīna, taču tā ir jāuztaisa tik maza un tad tai ir jāizaug lielai, un tai visu laiku ir jādarbojas. Vai padomājiet par to, ka pat ja jūs uzbūvētu šo automašīnu, es jums pateiktu, ka jums vajag tās iekšpusē ievietot arī rūpnīcu, kas ļaus jums uzbūvēt citu automašīnu.

(Smiekli)

Un jūs pilnīgi nekad, itin nekad varēsiet sākt ar nevainojamu reputāciju, vēstures un pārmantojamības dēļ. Tātad, organismiem ir šī svarīgā vēsture. Patiesībā evolūcija drīzāk darbojas kā eksperimentētājs, nevis inženieris. Tas ir patiešām svarīgi, jums sākot pētīt dzīvniekus. Tā vietā mēs uzskatām, ka jums ir jāiedvesmojas no bioloģijas. Jums ir nepieciešams atklāt dabas pamatprincipus, un pēc tam izmantot šīs analoģijas savā labā. To darīt ir īsts izaicinājums, jo jums ieskatoties dzīvnieku iekšienē, kā tie darbojas, tie šķiet bezcerīgi sarežģīti. Tiem nav konstrukciju plānu detalizēta vēsture, tie nav nekur pieejami. To savienojumiem ir pārlieku daudz kustības, tiem ir pārlieku daudz muskuļu. Pat visvienkāršākajam dzīvniekam, ko iedomājamies, piemēram, kukainim ir daudz vairāk neironu un savienojumu, nekā jūs spējat iedomāties.

Kā to var izprast? Labi, mēs uzskatījām un pieņēmām, ka viens veids, kā dzīvnieki varētu strādāt, ir ja to kustību kontrole, būtu iebūvēta pašos ķermeņos. Mēs atklājām, ka divu, četru, sešu un astoņkājainie dzīvnieki, tiem pārvietojoties, rada vienādus spēkus uz zemi. Viņi visi darbojas kā šis ķengurs, viņi lēkā. Viņus var modelēt kā atsperes-masas sistēmu, ko mēs arī saucam par atsperes-masas sistēmu, jo mēs esam biomehāniķi. Faktiski tas ir lekājamais sienāzis. Tie visi rada lēkājamā sienāža izkārtojumu. Kā tas var būt? Piemēram, cilvēkam viena no kājām darbojas kā rikšojoša suņa divas kājas, vai kā rikšojošam kukainim trīs kājas darbojas kopā kā viena, vai kā rikšojošam krabim četras kājas kā viena. Un tad tās mainās, veidojot virzējspēku, bet visi izkārtojumi ir vienādi. Gandrīz visiem organismiem, uz kuriem mēs šādi skatījāmies, nākamnedēļ jūs redzēsiet, es došu jums mājienu, iznāks raksts, kurā tiks minēts, ka tādi milzeņi kā piemēram tiranozaurs, droši vien to nevar izdarīt, taču jūs to redzēsiet nākamajā nedēļā.

Kas ir interesanti dzīvniekos, kad mēs sakām šādi lēkā vertikāli, un mūsu sadarbībā ar Pixar, filmā "Kukaiņu dzīve", mēs apspriedām skudru tēlu divkājaino dabu. Mēs viņiem, protams, pateicām, tie tāpat kustas arī citā plaknē. Viņi uzdeva mums šo jautājumu. Viņi vaicāja: "Kāpēc modelis ir tikai sagitālajā vai vertikālā plaknē, jums sakot, ka šie dzīvnieki pārvietojas horizontālajā plaknē?" Tas ir labs jautājums. Bioloģijā līdz šim šādi neviens nekad nav modelējis. Mēs ņēmām vērā viņu padomu un modelējām dzīvnieku kustību arī horizontālajā plaknē. Mēs paņēmām viņu trīs kājas, un mēs tās salikām kopā kā vienu. Mēs dabūjām dažus no labākajiem matemātiķiem pasaulē no Princetonas strādāt pie šīs problēmas. Un mums izdevās izveidot modeli, kurā dzīvnieki ne tikai lēkā uz augšu un uz leju, bet tie tajā pašā laikā lēkā arī no viena sāna uz otru . Un daudziem organismiem varam piemērot šādu modeli. Kādēļ šis modelis ir tik nozīmīgs? Tādēļ, ka tas ir ļoti interesanti. Ja jūs šo modeli paņemat un sakustināt vai pagrūžat, tas it kā pret kaut ko atdurtos, tas sevi līdzsvaro bez smadzenēm vai refleksiem, pateicoties vienai pašai struktūrai. Tas ir skaists modelis. Apskatīsim matemātiku.

(Smiekli)

Nu jau gana!

(Smiekli)

Skatoties uz dzīvniekiem skrējienā, tie sevi šādi līdzsvaro, izmantojot tikai atsperīgas kājas. Proti, kājas spēj veikt patstāvīgus aprēķinus, vadības algoritmi, savā ziņā, ir iebūvēti paša dzīvnieka formā. Kāpēc mēs neesam vairāk iedvesmojušies no dabas un šāda veida atklājumiem? Nu, es gribētu iebilst, ka cilvēku tehnoloģijas ir ļoti atšķirīgas no dabas tehnoloģijām, vismaz tās, kas ir bijušas līdz šim. Padomājiet par tipiskāko robotu, kādu varat iedomāties. Cilvēka tehnoloģijām ir tendence būt lielām, plakanām, ar taisniem leņķiem, stīvām, izgatavotām no metāla. Tām ir rites elementi un asis. Ir ļoti maz motoru, ļoti maz sensoru. Kamēr daba mēdz būt maza, liekta, un tā lokās un griežas, un pretēji tai ir kājas, izaugumi un ir daudz muskuļu un daudzi, jo daudzi sensori. Tā kā tas ir ļoti atšķirīgs dizains. Tomēr, kas mainās, un kas ir ļoti aizraujoši, es jums tūliņ parādīšu, ka, ja cilvēku tehnoloģijas pārņem vairāk dabas īpašības, tad daba patiešām var kļūt par daudz noderīgāku skolotāju.

Lūk, viens patiesi aizraujošs piemērs. Šis ir no mūsu sadarbības ar Stenfordu. Viņi attīstīja šo jauno tehniku, sauktu par Formu uzkrāšanas ražošanu. Tā ir tehnika, kurā viņi var sajaukt kopā materiālus un izveidot jebkuru formu, kādu viņiem vajag, ar noteiktām materiāla īpašībām. Tie var iebūvēt sensorus un aktuatorus tieši pašā formā. Tā, piemēram, lūk, kāja: caurspīdīgā daļa ir stīva, baltā daļa ir elastīga, un jums vairs nav nepieciešamas asis vai kas tamlīdzīgs. Tā skaisti lokās pati par sevi. Tātad, jūs šīs īpašības varat ielikt. Tas viņus iedvesmoja parādīt šo konstrukciju, izgatavojot robotiņu, kuru viņi nosauca par Atgāzēju. Mūsu darbs iedvesmoja arī citu robotu, bioloģiski iedvesmotu lēkājošo robotu no Mičiganas un Makgila universitātes, ar nosaukumu RHex, kurš ir autonoms seškājis. Nu pāriesim pie video un ļaujiet man jums parādīt dažus no šiem dzīvniekiem kustībā un pēc tam dažus no vienkāršajiem robotiem, kuri ir iedvesmoti no mūsu atklājumiem. Daži no jums to darīja šorīt, lai gan jūs to darījāt ārā, ne uz skrejceliņa. Lūk, ko mēs darām.

(Smiekli)

Lūk, miroņgalvas prusaks. Lūk, amerikāņu prusaks, kas, jūsuprāt, nav jūsu virtuvē. Lūk, astoņu kāju skorpions, sešu kāju skudra, četrdesmit četru kāju simtkājis. Kā jau minēju, visi šie dzīvnieki darbojas līdzīgi kā lēkājamais sienāzis, tie lēkā līdz ar kustību. Jūs to varat redzēt Panamas un Ziemeļkarolīnas pludmalēs sastopamā spokkrabja. Skrienot tas var sasniegt līdz pat četriem metriem sekundē. Tas faktiski palecas gaisā, un tam esot gaisā, rikšo līdzīgi zirgam, un jūs redzat kā tas palecas. Mēs atklājām, ka, skatoties uz cilvēka kāju, piemēram, Ričarda, vai prusaka, vai krabja, vai ķengura, relatīvais kājas atsperes stīvums ir tāds pats, kā visiem līdz šim redzētajiem. Kāds gan ir labums no spriganām kājām? Ko tās spēj paveikt? Mēs vēlējāmies redzēt, vai tās ļauj dzīvniekiem iegūt labāku līdzsvaru un manevrētspēju. Tātad, mēs izveidojām reljefu ar šķēršļiem, kuri bija trīsreiz augstāki par pētāmā dzīvnieka gurniem. Mēs bijām pārliecināti, ka viņi nevarētu tos pārvarēt. Un, lūk, ko viņi izdarīja. Dzīvnieks pārskrēja pāri un tas pat nepalēninājās! Tas vispār nesamazināja savu vēlamo ātrumu. Mēs neticējām, ka tās tā varētu notikt. Tas mums lika secināt, ka, ja jūs varētu izveidot robotu ar ļoti vienkāršām atsperīgām kājām, jūs varētu to izgatavot tik manevrētspējīgu kā jebkuru, kas jebkad ir ticis uzbūvēts.

Lūk, pirmais piemērs. Tas ir Stenfordas Formu uzkrāšanas ražots robots, saukts par Atgāzēju. Tam ir sešas noregulētas un atsperīgas kājas. Tas kustās kukaiņu gaitā, un, lūk, tas pārvietojoties pa skrejceļu. Būtiskais šajā robotā, salīdzinājumā ar citiem robotiem, ir tas, ka tas neko neredz, tas nevar neko sajust, tam nav smadzeņu, taču tas bez jelkādām grūtībām var manevrēt pāri šiem šķēršliem. Šī ir tehnoloģija iebūvējot īpašības formā. Lūk, aspirantūras students. Un, lūk, ko viņš dara savai disertācijai, ļoti izturīgs, ja doktorants to dara savam disertācijas projektam.

(Smiekli)

Šis nāk no Makgila un Mičiganas universitātes. Tas ir RHex, veicot tā pirmā izbrauciena demonstrāciju.

(Smiekli)

Tas pats princips: tam ir tikai sešas kustīgās daļas, seši motori, taču tam ir atsperīgas, noregulētas kājas. Tas pārvietojas kukaiņu gaitā. Tā vidējā kāja kustas sinhroni ar priekšējo, un pakaļkāju otrā pusē. Savā ziņā mainīgs trejkājis un tie var pārvarēt šķēršļus, tāpat kā dzīvnieki.

(Smiekli)

(Balss: Ak mans Dievs.)

(Aplausi)

Roberts Fuls: Tas dosies pa dažādām virsmām, lūk, smilts lai gan mēs vēl neesam pilnveidojuši kājas, taču es par to runāšu vēlāk. Lūk, RHex, ieejot mežā.

(Smiekli)

Atgādinu vēlreiz, šis robots nevar neko redzēt, tas nevar neko sajust, tam nav smadzeņu. Tas darbojas tikai ar noregulēto mehānisko sistēmu, ar ļoti vienkāršām detaļām, iedvesmojoties no dzīvnieka būtiskās dinamikas. (Balss: Ah, es mīlu viņu, Bob.) RF: Te tas iet lejup. Es šo prezentēju NASA Reaktīvo kustību laboratorijai un viņi teica, ka viņiem uz Marsa nebija iespējams krāteros doties lejup ledus, un tādējādi arī dzīvības meklējumos. Jo īpaši roboti ar kājām, jo tie ir pārlieku sarežģīti, viņš piemetināja. Nekas nevar to paveikt. Es turpināju stāstīt un parādīju viņiem šo video ar vienkāršā dizaina RHex. Un tikai tāpēc, lai viņus pārliecinātu ka mums 2011. gadā vajadzētu doties uz Marsu, es video ietonēju oranžu, tikai lai radītu viņiem sajūtu, ka esam uz Marsa.

(Smiekli)

(Aplausi)

Vēl viens iemesls, kādēļ dzīvnieki ir ārkārtēji spējīgi un var nokļūt visur, ir tāpēc, ka tiem ir efektīva saziņa ar vidi. Dzīvnieks, kuru es grasos jums parādīt, un kuru mēs pētījām, ir gekons. Mums viens ir šeit, ievērojiet viņa pozīciju. Tas turas. Nu es jūs izaicināšu. Es parādīšu jums video. Viens no dzīvniekiem skries pa zemi un otrs skries augšā pa sienu. Kurš ir kurš? Viņi veic metru sekundē. Cik daudzi domā, ka kreisajā pusē esošais skrien pa sienu?

(Aplausi)

Labi. Lieta tāda, ka to tiešām ir grūti pateikt, vai ne? Tas ir neticami, mēs apskatījām studentus to darot un viņi nevarēja pateikt. Tās var skriet pa sienu metru sekundē, 15 soļus sekundē, un tie izskatās tā, it kā tie darbotos uz zemes. Kā tas notiek? Tas ir vienkārši fenomenāli. Labajā pusē esošais dodas augšup pa nogāzi. Kā tie to dara? Tiem ir savādi pirksti. Tiem ir pirksti, kas izrullējas kā svētku svilpe, jums to pūšot un pēc tam nolīp no virsmas kā, piemēram, lente. Piemēram, ja mums tagad būtu gabaliņš lentes, tad mēs to noplēstu šādā veidā. Viņi to dara ar saviem pirkstiem. Tas ir dīvaini! Šis nolipšana iedvesmoja iRobotu, ar ko mēs sadarbojāmies, lai uzbūvētu Mekogekonus. Lūk, kāju un vilcēja versija, vai buldozera versija. Nu paskatīsimies uz gekonu kustībām dažos video un tad es jums mazliet parādīšu robotu klipu. Lūk, gekons skrienot pa vertikālu virsmu. Tas notiek reālajā laikā. Tas pats vēlreiz. Protams, mums nācās to mazliet palēnināt.

Jūs nevarat izmantot parastās kameras. Lai redzētu šo, jums ir jāuzņem 1000 attēlus sekundē. Lūk, daži video ar 1000 kadriem sekundē. Nu es vēlos, lai jūs pievērstu uzmanību dzīvnieka mugurai. Jūs redzat, cik tas šādi lokas? Mēs nespējām to izprast, tas ir neatrisināts noslēpums. Mēs nezinām, kā tas darbojas. Ja jums ir dēls vai meita, kas vēlas doties uz Berkliju, nāciet uz manu laboratoriju un mēs to noskaidrosim. Labi, sūtat tos uz Berkliju tāpēc, ka tā ir nākamā lieta, ko es gribu izdarīt. Lūk, gekonu dzirnavas.

(Smiekli)

Tas ir caurskatāms skrejceliņš ar caurskatāmu skrejceliņa lenti, lai mēs varētu redzēt dzīvnieka pēdu un filmēt to izmantojot skrejceļa lenti, lai redzētu, kā viņi pārvietojas. Lūk, dzīvnieks, kas skrien pa vertikālu virsmu. Izvēlieties kāju un mēģinat uz to skatīties un redzēsim vai jūs varat redzēt kā dzīvnieks to dara. Redzat to rullējam un pēc tam nolipinām pirkstus. Tas to var izdarīt 14 milisekundēs. Tas ir neticami. Lūk, roboti, ko tie iedvesmoja, Mecho-Geckos no iRobot. Vispirms mēs redzēsim dzīvnieku pirkstu atlipšanu, paskat tik. Un šeit Mecho Gecko pīlinga darbība. Lai to darītu, tas izmanto spiedienjutīgu līmi. Dzīvnieku pīlings. Mecho-Gecko - pīlings kas ļauj tiem kāpt autonomi. Var doties pa plakanu virsmu pāriet uz sienu, un pēc tam pāriet uz griestiem. Šī ir buldozera versija. Tagad, tas neizmanto spiedien-jutīgo līmi. Dzīvnieks to neizmanto. Bet šajā brīdī mēs esam ar to ierobežoti.

Ko dara dzīvnieks? Dzīvniekam ir dīvaini pirksti. Un, ja jūs paskatītos uz pirkstiem, tiem ir mazas lapiņas, un ja jūs tās pašķirtu un pietuvinātu, jūs redzēsiet ka šīm lapām ir mazas svītras. Un ja jūs pietuvinātu 270 reizes, jūs redzēsiet, tas izskatās kā paklājiņš. Un ja jūs pašķirat to un pietuvinātu 900 reizes, jūs redzēsiet ka šeit ir mati, sīki matiņi. Un, ja jūs uzmanīgi skatīsiet, šīm sīkajām matiņiem ir svītras. Un, ja jūs pietuvinātu tos 30 000 reizes, jūs redzēsiet, ka katra mata gals ir sašķelts. Un, ja jūs tos palielināsiet, tām galā ir šīs mazās struktūras. Mazākais matiņa zars izskatās kā lāpstiņa, un dzīvniekam, kā piemēram šim, ir miljards šādu nano lieluma sadalīti gali, lai piekļūtu ļoti tuvu virsmai. Patiesībā, šis ir jūsu matu diametrs - un gekonam šādu ir divi miljoni, un katram matam ir 100 līdz 1000 šķeltu galu. Ja iespējams, padomājiet par šādu kontaktu.

Mums ir paveicies strādāt ar kādu citu grupu Stenfordā, kas izveidoja mums īpašu jūtīgu sensoru, līdz ar to mēs varējām nomērīt individuālā mata spēku. Lūk, atsevišķs mats ar sašķeltu galu. Mērot spēkus, tie bija milzīgi. Viņi bija tik lieli, ka šāda lieluma matu saišķis -- ar Gekona kāju viegli varētu atbalstīt mazu bērnu, kas svērtu apmēram 40 mārciņas. Tagad, kā viņi to dara? Mēs to nesen atklājām. Vai viņi to dara ar berzi? Nē, spēks ir pārāk mazs. Vai viņi to dara elektrostatiski? Nē, jūs varat izmainīt lādiņu - tie joprojām turēsies. Vai viņi to dara ar saķeršanos? Tas ir Velcro līdzīgs veids. Nē, jūs varat viņus nolikt uz molekulāri gludām virsmām - tie to dara. Kā būtu ar sūkšanu? Tie pieķeras vakuumā. Kā ar mitru saķeri? Vai kapilāru saķeri? Tiem nav nevienas līmes, un viņi tikpat labi pielīp arī zem ūdens. Ja jūs ieliekat viņu kāju zem ūdens, viņi pieķeras. Kā tad viņi to dara? Ticiet vai nē, tie pieķeras uz starpmolekulāriem spēkiem, Van der Waals spēkiem.

Jūs zināt, iespējams, ka tas jums bija sen ķīmijā, kur bija šie divi atomi, tie ir cieši blakus, un elektroni pārvietojas apkārt. Šis mazais spēks ir pietiekošs lai ļautu viņiem to darīt, jo tas ir pievienots tik daudzas reizes ar šīm mazām struktūrām. Tas ko mēs darām, ir ka mēs ņemām iedvesmu no matiņiem, un kopā ar citu kolēģi no Berklijas, mēs tos ražojam. Un tikai nesen mēs veicām sasniegumu, kam mēs tagad ticam mēs izveidosim pirmo, sintētisku pašattīrošo sauso līmi. Daudziem uzņēmumiem par šo ir interese.

(Smiekli)

Mēs esam to prezentējuši arī Nike.

(Smiekli)

(Aplausi.)

Mēs redzēsim kur mēs nokļūsim. Mēs par šo esam tik sajūsmināti, ka mēs izveidojām šo mazā mērogā-- un kur viss kļūst lipīgs un gravitācijai vairs nav nozīmes -- mums vajadzēja iepazīties ar skudrām un to kājām, jo viens no maniem Berklijas kolēģiem uzbūvēja sešu milimetru silikona robotu ar kājām. Bet tas iestrēga. Tas nespēja ļoti labi pārvietoties. Bet skudras to dara, un mēs izdomāsim kāpēc, tā ka galu galā mēs liksim šim kustēties. Un Iedomājieties: jums būs iespēja iegūt skrienošus sešu milimetru robotu barus. Kurp tas ved? Manuprāt, jūs to varat jau redzēt.

Protams, Internetam jau tagad ir acis un ausis, jums ir kameras un tā tālāk. Bet tam būs arī kājas un rokas. Jūs varēsiet veikt programmēšanas darbus ar šāda veida robotiem, tā lai jūs varētu skriet, lidot un peldēties jebkur. Mēs redzējām, Deividu Kelliju un viņa zivis ir pašā sākumā. Tātad, kopsavilkumā šķiet, ka vēstījums ir skaidrs. Ja jums ir nepieciešams ziņojums, ja daba nav pietiekami, ja jums rūp meklēšanas un glābšanas, vai atmīnēšanas un medicīna, vai dažādas lietas, ko mēs strādājam, mums ir jāsaglabā dabas dizainu, citādi šie noslēpumi tiks zaudēti uz visiem laikiem. Paldies.

(Aplausi.)