Robert Full over dierlijke voortbeweging

Stel je voor dat je een student bent in mijn lab. Je moet een biologisch geïnspireerd ontwerp creëren. Hier is de uitdaging: ik wil dat je me een volledig 3D, dynamisch, geparametreerd contactmodel helpt creëren. Of anders gezegd, kan je me helpen om een voet te bouwen? Het is een echte uitdaging en ik wil dat je me helpt. Natuurlijk is aan de uitdaging een prijs verbonden. Het is niet helemaal de TED Prize, maar het is een exclusief T-shirt uit ons lab. Stuur me dus je ideeën over hoe een voet te ontwerpen.

Hoe moeten we dat doen? We moeten eerst weten wat een voet is. Het woordenboek zegt: ”Het is het onderste uiteinde van een been dat in direct contact is met de grond bij het staan of lopen.” Dat is de traditionele definitie. Maar als je echt onderzoek wil doen, wat moet je dan doen? Je gaat in de literatuur opzoeken wat er bekend is over voeten. Dus ga je naar de literatuur. (Gelach)

Misschien zijn jullie vertrouwd met deze literatuur. Het probleem is dat er vele, vele voeten bestaan. Hoe doe je dit? Je moet alle voeten onderzoeken en er de principes over hoe ze werken uit distilleren. Ik wil dat jullie me helpen om dat te doen in de volgende clip. Als je deze clip bekijkt, zoek dan naar de principes, en denk ook na over de experimenten die je zou kunnen opzetten om te uit te vissen hoe een voet werkt.

Zie je gemeenschappelijke thema's? Principes? Wat zou jij doen? Welke experimenten zou jij uitvoeren? Wow. (Applaus) Ons onderzoek naar de biomechanica van de dierlijke voortbeweging heeft ons toegelaten om een blauwdruk voor een voet te maken. Het is een ontwerp dat geïnspireerd is door de natuur, maar het is geen kopie van een specifieke voet zoals je net zag, maar het is een synthese van de geheimen van vele, vele voeten.

Nu blijkt dat dieren overal op kunnen lopen. Ze kunnen zich voortbewegen op diverse ondergronden - in de kans op contact, de beweging van dat oppervlak en het type van de steunpunten die aanwezig zijn. Als je wil bestuderen hoe een voet werkt, dan zullen we deze oppervlakken moeten simuleren, of toch dat puin moeten simuleren. Hier is een nieuw experiment: we plaatsten er een dier en lieten het lopen - deze grasspin - over een oppervlak waarbij 99 procent van het contactoppervlak verwijderd was. Maar dat vertraagde het dier niet eens. Het loopt nog altijd met het menselijke equivalent van 500 kilometer per uur.

Hoe zou het dat doen? Nou ja, beter kijken. Wanneer we 50 keer vertragen, zien we hoe de poot dat gesimuleerde puin raakt. De hele poot werkt als een voet. In feite maakt het dier meer contact met andere delen van zijn poot dan met de traditioneel gedefinieerde voet. De voet is verdeeld over de hele poot. Je kunt dit doen bij een ander experiment, waar je een kakkerlak met voet neemt, en zijn voet wegneemt. Ik geef wat kakkerlakken door. Kijk eens naar hun voeten. Zo gaat het zonder voeten. Hij vertraagt zelfs niet eens. Hij kan met dezelfde snelheid lopen, zelfs zonder dat segment. Geen probleem voor de kakkerlak - ze groeien terug aan, mocht je daarmee inzitten. Hoe doen ze het? Kijk goed: dit is 100 keer vertraagd, en kijk wat hij doet met de rest van zijn poot. Het werkt, alweer, als een verdeelde voet. Zeer effectief.

Nu is onze vraag: hoe algemeen is zo’n verdeelde voet? Het gedrag van dit dier dat ik je zal laten zien, heeft ons effenaf verbijsterd de eerste keer dat we het zagen. Journalisten, dit is off the record, het is onder embargo - kijk daar eens goed naar! Dat is een tweevoetige octopus vermomd als rollende kokosnoot. Hij werd ontdekt door Christina Huffard en gefilmd door Sea Studios, hier bij Monterey.

We hebben ook een andere soort tweevoetige octopus beschreven. Een die zich vermomt als drijvende algen. Hij loopt op twee benen en houdt de andere armen omhoog, zodat hij niet gezien kan worden. (Applaus) Kijk eens wat hij doet met zijn voet als hij over moeilijk terrein loopt. Hij maakt gebruik van die mooie verspreide voet alsof die hindernissen er niet eens zijn. Werkelijk buitengewoon.

In 1951 maakte Escher deze tekening. Hij dacht dat hij een dierlijke fantasie creëerde. Maar we weten dat de kunst het leven imiteert, en het blijkt dat de evolutie, drie miljoen jaar geleden, het volgende dier liet ontstaan. Het is een garnaalachtig dier, stomatopode genaamd, en hier zie je het lopen op de stranden van Panama: het rolt eigenlijk, en kan zelfs bergop rollen. Het is de ultieme verdeelde voet, zijn hele lichaam treedt in dit geval op als voet.

Dus de eerste belangrijke eigenschap die we aan onze blauwdruk willen toevoegen, is het contact via de verdeelde voet. Niet alleen met de traditionele voet, maar ook met de poot, en zelfs met het hele lichaam. Kan dit ons inspireren bij het ontwerpen van nieuwe robots? Deze biologisch geïnspireerde robot RHex werd de afgelopen jaren gebouwd door deze bijzondere ingenieurs. RHex's voet begon heel eenvoudig, werd steeds verbeterd en resulteerde uiteindelijk in deze halve cirkel. Waarom? De video zal het laten zien. Kijk waar de robot met zijn poot contact maakt om over dit zeer moeilijk terrein te lopen. Jullie zullen zien dat hij in feite de halve cirkel van zijn poot gebruikt als een verdeelde voet. Zie hem hierover lopen. Je kunt zien hoe goed hij over dit puin loopt. Buitengewoon. Geen sensoren, heel de controle zit hem in de aangepaste poten. Heel simpel, maar mooi.

Nu hebben jullie misschien nog iets anders over de dieren opgemerkt toen ze over het ruwe terrein liepen. Mijn assistent gaat me hiermee helpen. Toen je die kakkerlakpoot aanraakte – kan je hem even de microfoon geven? Toen je die kakkerlakpoot aanraakte, hoe voelde dat aan? Merkte je iets op?

Jongen: Stekelig.

Robert Full: Stekelig, niet? Echt stekelig, is het niet? Het doet pijn. Misschien kunnen we hem even aan onze curator geven en zien of hij dapper genoeg is om de kakkerlak aan te raken. (Gelach)

Chris Anderson: Heb je hem aangeraakt?

RF: Dus als je hier goed naar kijkt, dan zie je dat ze stekels hebben en tot een paar weken geleden wist niemand dat. Ze dachten dat ze voor bescherming en om te voelen dienden. We ontdekten dat ze voor iets anders dienden - hier is een segment van die stekels. Ze zitten zo in elkaar dat ze makkelijk inklappen in een richting om de poot uit het puin te trekken, maar ze zijn stijf in de andere richting, zodat ze zich vastzetten op uitsteeksels op het oppervlak.

Nu komen krabben geen steunpunten te kort, omdat ze normaal gesproken over zand lopen - totdat ze naar ons lab komen, waar ze een probleem hebben met dit soort gaas, omdat ze geen stekels hebben. Bij krabben ontbreken die stekels, dus hebben ze een probleem op dit soort ruw terrein. Maar daar hebben we iets op gevonden, want we kunnen kunstmatige stekels produceren. We kunnen stekels maken die zich op gesimuleerd puin vastzetten en inklappen bij verwijdering om ze er gemakkelijk uit te trekken. We deden dat door krabben te voorzien van deze kunstmatige stekels, zoals je hier ziet, en dan gingen we ze testen. Hebben we dat principe van tuning echt begrepen? Het antwoord is: ja! Dit is 20 keer vertraagd, en de krab zoeft gewoon over dat gesimuleerde puin. (Gelach) (Applaus) Een beetje beter dan de natuur.

Dus moeten we aan onze blauwdruk afgestemde stekels toevoegen. Helpt ons dat nu bij het ontwerpen van effectievere klimmende robots? Nou, hier is RHex - RHex heeft moeite op rails - op gladde rails, zoals je hier ziet. Waarom zouden we hem geen stekels geven? Mijn collega's bij U Penn deden dit. Zeer eenvoudige versie - - Dan Koditschek plaatste enkele stalen nagels op de robot - en hier is RHex, die nu over die stalen rails loopt. Geen probleem! Hoe doet hij dat? Laten we het vertragen zodat jullie de stekels in actie zien. Zie de poot ronddraaien, en je zult hem hier zien aangrijpen. Daarvoor ging dat niet, hij slipte alleen maar, kwam vast te zitten en viel omver. Weer kijken, daar - succesvol.

Maar een verdeelde voet en stekels alleen zijn niet voldoende om verticale oppervlakken te beklimmen. Dit is echt, echt moeilijk. Maar kijk dit dier dat eens doen! Een van degene die ik rond laat gaan, klimt op dit verticaal oppervlak, een gladde metalen plaat. Het is buitengewoon hoe snel het dat kan doen - maar als je het vertraagt, zie je iets heel bijzonders. Het is een geheim. Het dier klimt effectief door uitglijden en kijk - het doet dat, eigenlijk buitengewoon, door het oppervlak te 'grijpen'. Het lijkt of het zwemt over het oppervlak. We kunnen dat gedrag beter als een vloeistof modelleren, als je ernaar kijkt. De verdeelde voet werkt hier meer als een peddel.

Hetzelfde geldt wanneer we keken naar deze hagedis die over gefluïdiseerd zand loopt. Bekijk z'n voeten. Ze functioneren eigenlijk als een peddel zelfs al is het in interactie met een oppervlak dat we normaal beschouwen als een vaste stof. Dit is niets anders dan wat mijn voormalige studente ontdekte toen ze erachter kwam hoe hagedissen op water zelf kunnen lopen. Kan je dit gebruiken om een betere robot maken? Martin Buehler heeft dat gedaan- die is nu bij Boston Dynamics - hij vertrok van dit idee en maakte van RHex Aqua RHex. Dus hier is RHex met peddels, nu omgezet in een ongelooflijk wendbare zwemmende robot.

Voor ruwe oppervlakken gebruiken dieren evenwel klauwen. Je hebt ze waarschijnlijk gevoeld toen je ze beetpakte. Heb je ze aangeraakt?

CA: Ja.

RF: Ze kunnen zich met deze klauwen heel goed vasthouden op oppervlakken. Mark Cutkosky van Stanford University, een van mijn medewerkers, is een buitengewone ingenieur die de techniek van 'productie door afzetting van vormen' ontwikkelde, waarmee hij klauwen aan een kunstmatige voet kan verankeren. En hier is de eenvoudige versie van een voet voor een nieuwe robot die ik jullie dadelijk zal laten zien. Dus voegen we aan onze blauwdruk ook nog klauwen toe. Maar om echt wendbaar te zijn op alle oppervlakken, maken de dieren gebruik van hybride mechanismen waaronder klauwen, stekels, haren, kussens, lijm, capillaire hechting en een nog hele hoop andere dingen. Die komen allemaal van verschillende insecten. Hier een mier die over verticaal oppervlak kruipt. Laten we eens kijken naar die mier.

Dit is de voet van een mier. Je ziet de haren en de scharen en dit ding hier. Dit is wanneer de voet opgeheven is. Kijk wat er gebeurt als de voet op je boterham terechtkomt. Zie je wat er gebeurt? Dat kussen komt tevoorschijn. Daar zit de lijm. Hier onderaan is een mierenvoet, en wanneer de klauwen zich niet ingraven, komt dat kussen automatisch naar buiten zonder dat de mier iets hoeft te doen. Het extrudeert gewoon. Deze foto was moeilijk te maken - ik denk dat dit een foto is van de mierenvoet op supersnaren. Vrij moeilijk om te doen. Zo ziet het er uit van dichtbij - Hier is de mierenvoet en daar de lijm.

We ontdekten dat deze lijm een interessant tweefasenmengsel kan worden. Het helpt ze zeker om zich vast te houden. Dus voegen we op onze blauwdruk een aantal kleefkussentjes toe. Jullie zouden kunnen denken dat we voor gladde oppervlakken hier inspiratie van krijgen. Maar hier hebben we iets beters. Gekko’s zijn een heel mooi voorbeeld van nanotechnologie in de natuur. Dit zijn zijn voeten. Ze lijken bijna buitenaards. Het geheim waardoor ze blijven kleven, zijn hun behaarde tenen. Ze kunnen tegen een meter per seconde tegen een oppervlak oplopen. Ze nemen 30 stappen in die ene seconde - je kunt het bijna niet zien. Als we het vertragen, zien we dat het vasthechten acht milliseconden en het lossen 16 milliseconden duurt. Raar hoe ze ze losmaken. Ze pellen ze af van het oppervlak zoals je een stukje tape zou afpellen. Heel vreemd. Hoe blijven ze kleven?

Op hun voeten hebben ze bladachtige structuren, linalae genaamd, met miljoenen haartjes. Elk haar heeft het ergst mogelijke geval van gespleten eindjes. Het heeft een honderd tot duizend gespleten haarpunten, en dat is het geheim, omdat het een innig contact mogelijk maakt. De gekko heeft een miljard van deze gespleten haarpunten van 200 nanometer. Ze kleven niet door lijm, ze niet werken zoals klittenband, ze werken niet door zuiging. We ontdekten dat ze louter door intermoleculaire krachten werken. Dus ook enkele gesplitste haren op onze blauwdruk,. Dit leidde tot het ontwerp van de eerste zelfreinigende droge lijm. We zijn blij te kunnen zeggen dat het octrooi is verleend. Hier de eenvoudigste versie ervan in de natuur, en hier is het probeersel van mijn medewerker Ron Fearing van een kunstmatige versie van deze lijm, gemaakt van polyurethaan. Hier de eerste poging om het te laten werken onder enige belasting.

Er bestaat hiervoor een enorme belangstelling op allerlei gebied. Je zou zeker duizend mogelijke toepassingen kunnen bedenken. Veel mensen hebben dat gedaan, en we zijn enthousiast over het realiseren hiervan als een product. We hebben producten voorgesteld, bijvoorbeeld dit: we stelden ons een bio-geïnspireerd kleefverband voor, maar zonder lijm dan. We namen wat haren van een vervellende gekko, zetten er drie lagen van hierop en maakten zo dit kleefverband.

Dit is een student-vrijwilliger - we hebben 30.000 studenten, zodat we een ruime keuze hebben. De 'wonde' is eigenlijk alleen maar een markering met rode pen. Maar het werd een ongelooflijk kleefverband. Het is luchtdoorlatend, kan gemakkelijk worden afgepeld, veroorzaakt geen irritatie en houdt onder water. Ik denk dat dit een buitengewoon voorbeeld is van hoe op nieuwsgierigheid gebaseerd onderzoek - we vroegen ons af hoe ze ergens op klommen - kan leiden tot dingen die je nooit zou kunnen bedenken. Het is gewoon een voorbeeld van waarom we onderzoek op basis van nieuwsgierigheid moeten ondersteunen. Hier zie je het aftrekken van het kleefverband.

We hebben de voet opnieuw gedefinieerd. Kan dit ons nu inspireren tot het ontwerp van een betere voet, beter dan wat we zien in de natuur? Hier is het nieuwe project: we proberen om de eerste klimmende zoek-en-redrobot te creëren. Niet door zuiging of magneten: die kunnen alleen bewegen op een beperkt aantal soorten ondergrond. Ik noem de nieuwe robot RiSE, voor ”Robot in Scansorial Environment" - dat wil zeggen een klim-omgeving. Een buitengewoon team van biologen en ingenieurs houdt zich bezig met het creëren van deze robot. Hier is RiSE. Hij heeft zes poten en een staart. Hier op een hek en een boom. Hier RiSE's eerste stappen op een helling. Je hebt audio? Je kunt hem horen omhooggaan. Hier komt hij naar je toe, zijn eerste stappen op een muur. Hij gebruikt alleen maar zijn eenvoudigste voeten, dit is dus heel nieuw. Maar we denken dat we een juiste kijk hebben op de dynamica van de robot.

Mark Cutkosky gaat echter nog een stap verder. Hij is degene die de door vormafzetting vervaardigde voeten en tenen wist te bouwen. De volgende stap is om meegevende tenen te maken, te proberen om stekels en klauwen toe te voegen en droge lijmen toe te passen. Het idee is om eerst de tenen en een voet in orde te krijgen, die te laten klimmen, en ze uiteindelijk op de robot te monteren. En dat is precies wat hij heeft gedaan. Hij heeft in feite een klimmende ‘voet-bot’ gebouwd, geïnspireerd op de natuur.

Hier is het ontwerp van Cutkosky en zijn verbluffende leerlingen. Dit zijn afgestemde tenen - er zijn er zes, en ze gebruiken de principes waar ik zojuist over heb gesproken voor de blauwdruk. Dit werkt niet door zuiging of lijm, en het zal uiteindelijk, als het op de robot zal gemonteerd zijn- net zo biologisch geïnspireerd zijn als het dier. En hopelijk in staat om elk soort oppervlak te beklimmen. Hier zie je hem omhoogklimmen tegen de zijkant van een gebouw in Stanford. Het is versneld - nogmaals, het is alleen maar een klimmende voet. Het is de hele robot nog niet, we werken eraan - nu kunnen jullie zien hoe hij aanklampt. Deze afgestemde structuren maken het mogelijk dat de stekels, de wrijvingskussentjes en uiteindelijk de klevende haren aan zeer moeilijke oppervlakken kunnen aanhechten. Zo konden we dit ding maken - dit is nu 20 keer versneld - Kun je je voorstellen dat dit ding omhoog probeert te gaan om iemand te redden op de bovenste verdieping? Oké? Je kunt je dit nu voorstellen, het is niet meer onmogelijk. Het is een zeer uitdagende taak. Maar later meer hierover.

Om te eindigen: we hebben de natuur ontwerpgeheimen ontfutseld door te kijken hoe voeten in elkaar zitten. We hebben geleerd controle te distribueren naar slimme onderdelen. Laat niet alles aan de hersenen over, maar plaats een deel van de controle in afgestemde voeten, poten en zelfs het lichaam. Dat de natuur gebruik maakt van hybride oplossingen, niet van één enkele oplossing, voor deze problemen, dat ze zijn geïntegreerd zijn en stevig in elkaar zitten. Ten derde, geloven wij sterk dat we de natuur niet willen nabootsen, maar in plaats daarvan geïnspireerd worden door de biologie. We willen deze nieuwe principes toepassen met de beste technische oplossingen die er zijn om - eventueel - iets beters dan de natuur te maken.

Dus er is een duidelijke boodschap: of je nu inzit met fundamenteel onderzoek van echt interessante, bizarre, wonderlijke dieren, of dat je een zoek-en-redrobot wil bouwen die je kan helpen bij een aardbeving, of om iemand uit een brand te redden, of dat je geeft om geneeskunde: we moeten de ontwerpen van de natuur behouden. Anders zullen deze geheimen voor altijd verloren gaan. Dank u.