Robert Full over ingenieurskunst en evolutie

Welkom. Mag ik de eerste dia hebben, alstublieft? In tegenstelling tot wat volgt uit de berekeningen van een aantal ingenieurs, kunnen bijen vliegen, kunnen dolfijnen zwemmen en kunnen gekko's zelfs de gladste oppervlakken beklimmen. In deze korte tijd die ik heb, wil ik jullie de sensatie van het ontdekken van de ontwerpen in de natuur laten ervaren. Ik heb hier de hele tijd mee te maken en het is gewoon ongelooflijk. Ik wil in deze presentatie proberen om jullie daar een beetje deel aan te laten hebben. De uitdaging van het bestuderen van de ontwerpen in de natuur - ik vertel jullie hoe we ernaar kijken en hoe we er gebruik van maken. De uitdaging is natuurlijk om een antwoord te vinden op deze vraag: wat maakt de buitengewone prestatie mogelijk waardoor dieren zich kunnen verplaatsen? En als we dat kunnen uitzoeken, hoe kunnen we die ontwerpen dan toepassen?

Biologen vertellen ingenieurs en anderen dat organismen miljoenen jaren hebben gehad om dit klaar te spelen, dat ze spectaculair zijn, dat ze alles wonderwel kunnen. Het antwoord is biomimetisme - kopieer gewoon de natuur. Door het bestuderen van dieren weten we nu dat je dat vooral niet moet doen. Omdat evolutie volgens het net-goed-genoeg-principe werkt, niet volgens het perfectioneer-het-principe. De moeilijkheden bij het bouwen van een organisme zijn serieus. Natuurlijke technologieën hebben ongelooflijke beperkingen. Denk er eens over na. Stel dat je een ingenieur was en ik je vertelde dat je een auto moest bouwen, maar dat hij in het begin maar zo groot mocht zijn, vervolgens moest groeien tot de normale grootte en onderwijl altijd moest blijven werken. En als je een auto bouwt, zal ik je vragen dat er binnenin ook een fabriekje moet zitten om andere auto's te maken.

(Gelach)

Je kunt absoluut nooit, wegens de voorgeschiedenis en het overgeërfde plan, beginnen met een onbeschreven blad. Organismen hebben een belangrijke voorgeschiedenis. Evolutie werkt meer als een knutselaar dan als een ingenieur. Dat is heel belangrijk wanneer je dieren begint te bestuderen. In plaats daarvan geloven we dat je je moet laten inspireren door de biologie. Je moet de algemene beginselen van de natuur ontdekken en dan deze analogieën gebruiken als ze je goed uitkomen. Dit is een echte uitdaging, omdat dieren, wanneer je ze echt begint te bestuderen, hopeloos complex lijken. Je vindt geen gedetailleerde geschiedenis van de ontwerpplannen. Je kunt ze nergens gaan opzoeken. Hun gewrichten laten teveel bewegingen toe, ze hebben te veel spieren. Zelfs de eenvoudigste dieren, zoals insecten, hebben meer neuronen en verbindingen dan je je kunt voorstellen.

Hoe kan je daaraan uit? Onze hypothese was dat één manier waarop dieren op een eenvoudige manier konden werken, erin bestond dat de controle van hun bewegingen in de bouw van hun lichaam zelf zou liggen. We ontdekten dat twee-, vier-, zes- en achtpotige dieren allemaal dezelfde krachten op de grond veroorzaken als ze bewegen. Ze werken allemaal als deze kangoeroe, ze springen. Ze kunnen worden gemodelleerd door een veer-massa-systeem dat we zo noemen omdat we nu eenmaal biomechanici zijn, maar eigenlijk is het een pogostick. Ze werken allemaal als een pogostick. Waarom? Nou ja, bij een mens doet een van je benen hetzelfde als de twee poten van een rennende hond of als drie poten van een rennend insect of als de vier poten van een rennende krab. Ze wisselen elkaar af bij hun voortstuwing, maar de patronen zijn allemaal hetzelfde. Bijna elk organisme dat we zo hebben bestudeerd - jullie zullen het volgende week zien - ik geef je al een tip. Er zal een artikel verschijnen dat zegt dat echt grote beesten, zoals T. Rex, dat waarschijnlijk niet konden doen, maar je zult dat volgende week zien.

Wat interessant is, is dat de dieren op deze manier in het verticale vlak springen. In onze samenwerking met Pixar in "A Bug's Life," discussieerden we over de tweevoetige aard van de mierenpersonages. We vertelde hen dat ze natuurlijk ook in een ander vlak bewogen, en ze vroegen ons: "Waarom ze alleen in het sagittale vlak of het verticale vlak modelleren, als je ons vertelt deze dieren in het horizontale vlak bewegen?" Dit is een goede vraag. Niemand in de biologie heeft het ooit op deze manier gemodelleerd. We namen hun advies ter harte en we modelleerden de dieren ook in het horizontale vlak. We namen hun drie poten, en voegden ze samen tot één. We kregen enkele van de beste wiskundigen van de wereld van Princeton zover om aan dit probleem te werken. We konden een ​model creëren waarbij dieren niet alleen op en neer springen, maar ook tegelijkertijd van links naar rechts springen. Veel organismen passen in dit soort patroon. Waarom is dit model nu zo belangrijk? Omdat het erg interessant is. Wanneer je dit model verstoort, het een duw geeft, dan stabiliseert het zichzelf als het ergens tegenaan botst. Zonder hersenen of reflexen. Door de structuur alleen. Het is een mooi model. Laten we eens kijken naar de wiskunde ervan.

(Gelach)

Da's genoeg.

(Gelach)

Als je de dieren ziet lopen, dan lijken ze zich op deze manier te stabiliseren met behulp van verende poten. Dat wil zeggen, de poten kunnen zelf berekeningen uitvoeren, de controle-algoritmen zitten in zekere zin in de vorm van het dier zelf ingebed. Waarom werden we niet méér geïnspireerd door de natuur en dit soort ontdekkingen? Ik zou zeggen: omdat menselijke technologieën echt anders zijn dan natuurlijke technologieën, in ieder geval tot nu toe toch. Denk aan de typische soort van robot. Menselijke apparaten hebben de neiging om groot, vlak, met rechte hoeken, stijf en van metaal te zijn. Ze hebben draaiende onderdelen en assen. Met zeer weinig motoren, zeer weinig sensoren. Terwijl de natuurlijke 'apparaten' de neiging hebben om klein en gekromd te zijn. Ze wenden en krommen zich in alle richtingen, hebben poten en aanhangsels, veel spieren en vele, vele sensoren. Het is dus een heel ander ontwerp. Maar wat aan het veranderen is, wat echt spannend is - en ik zal je daar dadelijk wat van laten zien - is dat naarmate menselijke technologie meer en meer kenmerken van de natuur overneemt, de natuur een veel bruikbaarder leraar kan worden.

Hier een prachtig voorbeeld daarvan. Hiervoor werken we samen met Stanford. Ze ontwikkelden deze nieuwe techniek, Shape Deposition Manufacturing genaamd. Het is een techniek waarbij ze materialen met elkaar combineren, er elke gewenste vorm aan kunnen geven en dat in de materiaaleigenschappen vastleggen. Ze kunnen in de vorm zelf sensoren en actuatoren insluiten. Hier een poot bijvoorbeeld - het heldere deel is stijf, het witte gedeelte is buigzaam. Geen assen of wat dan ook nodig. Het buigt gewoon mooi vanzelf. Je kunt er deze eigenschappen inbouwen. Het inspireerde hen om met dit ontwerp te gaan pronken door een kleine robot, Sprawl genoemd, te maken. Ons werk inspireerde ook een andere robot, een biologisch geïnspireerde, springende robot. Ontworpen op de Universiteit van Michigan en McGill en RHex genoemd, robot hexapod. Hij is autonoom. Op de video toon ik jullie een aantal van deze bewegende dieren. Evenals een aantal eenvoudige robots die door onze ontdekkingen zijn geïnspireerd. Sommigen van jullie hebben dit vanmorgen gedaan, maar dan buiten, niet op een loopband. Dit is wat wij doen.

(Gelach)

Dit is een doodskopkakkerlak - een Amerikaanse kakkerlak waarvan je denkt dat hij niet in je keuken is te vinden. Hier een achtpotige schorpioen, een zespotige mier, een vierenveertigpotige honderdpoot. Nu zei ik al dat deze dieren werken als pogosticks - ze springen als ze bewegen - en je kunt dat zien bij deze spookkrab van de stranden van Panama en North Carolina. Ze haalt vier meter per seconde als ze loopt. Ze springt echt in de lucht en heeft fasen waarbij ze de grond niet raakt, net als bij een paard. Jullie kunnen ze hier zien springen. Wat we ontdekten, is, of je nu kijkt naar het been van een mens, zoals Richard of naar de poot van een kakkerlak, een krab of een kangoeroe, de relatieve pootstijfheid van de veer is dezelfde voor alles wat we tot nu toe hebben gezien. Waar zijn verende poten nu goed voor, wat kunnen ze doen? We wilden nagaan of ze de dieren meer stabiliteit en wendbaarheid gaven. Dus bouwden we een terrein met obstakels van drie keer de heuphoogte van de te onderzoeken dieren. We waren er zeker van dat ze dat niet konden belopen. Dit deden ze. Het dier liep erover en het vertraagde niet eens. Het verminderde zijn gewenste snelheid helemaal niet. We konden niet geloven dat ze dit konden. Het vertelde ons dat als je een robot kon bouwen met zeer eenvoudige verende poten, je die net zo wendbaar kon maken als eender welke tot nu toe gebouwde robot.

Hier is het eerste voorbeeld daarvan. Dit is de robot Sprawl, in Stanford gebouwd met de 'Shape Deposition Manufacture'-methode. Hij heeft zes poten - daar zijn de afgestemde verende poten. Hij beweegt zich zoals een insect en hier zie je hem lopen op de loopband. Wat belangrijk is aan deze robot, in vergelijking met andere robots, is dat hij niets kan zien, niets kan voelen, geen intelligentie heeft maar wel zonder problemen over deze obstakels kan manoeuvreren. Dat komt door de techniek om deze eigenschappen in de vorm in te bouwen. Dit is een student. Hij doet dit voor zijn eindwerk. Zeer robuust als eindwerk van een student.

(Gelach)

Deze is van McGill en de Universiteit van Michigan. Het is de RHex die zijn eerste uitje maakt voor een demonstratie.

(Gelach)

Hetzelfde principe. Hij heeft slechts zes bewegende delen. Zes motoren, maar verende, afgestemde poten. Hij beweegt zoals een insect. De middelste poot beweegt synchroon met de voorste en de achterste poot aan de andere kant. Een soort van afwisselende driepoot. Ze kunnen hindernissen nemen zoals een dier.

(Gelach)

Oh mijn God.

(Applaus)

Hij kan over verschillende oppervlakken lopen. Hier over zand. De voeten staan nog niet op punt, maar daar zal ik het later over hebben. Hier loopt RHex de bosjes in.

(Gelach)

Ook deze robot kan zien noch voelen en heeft geen intelligentie. Alleen maar een aangepast mechanisch systeem, met zeer eenvoudige onderdelen. Maar geïnspireerd op de fundamentele dynamiek van het dier. Ach, ik hou van hem, Bob. Hier loopt hij over een pad. Ik presenteerde dit aan het Jet Propulsion Lab van NASA en zij zeiden dat ze niet wisten hoe in kraters af te dalen om ijs te zoeken, en uiteindelijk ook leven te zoeken op Mars. Hij zei - dat vooral robots op poten veel te ingewikkeld waren. Niets kan dat doen. Ik liet ze deze video zien met het eenvoudige ontwerp van RHex hier. Ik wilde hen overtuigen om in 2011 naar Mars te gaan. Daarom heb ik de video oranje bijgekleurd, alleen maar om hen het gevoel te geven op Mars te zijn.

(Gelach)

(Applaus)

Een andere reden waarom dieren tot buitengewone prestaties in staat zijn en overal kunnen geraken, is dat ze een effectieve interactie hebben met de omgeving. Het dier dat we hiervoor bestudeerd hebben, is de gekko. Hier is er een. Let op waar hij zich bevindt. Hij houdt zich vast. Nu ga ik jullie uitdagen. Ik ga jullie een video tonen. Een van de dieren zal over een horizontaal vlak lopen en het andere op een muur. Wie doet wat? Ze lopen één meter per seconde. Hoeveel denken er dat die aan de linkerzijde de muur oploopt?

(Applaus)

Oke. Het is echt moeilijk te zeggen, is het niet? Het is ongelooflijk, ook studenten konden het niet uitmaken. Ze kunnen een wand oplopen met een meter per seconde, 15 stappen per seconde en ze zien eruit alsof ze over een horizontaal vlak lopen. Hoe doen ze dat? Het is gewoon fenomenaal. Het was de rechtse die omhoog liep. Hoe ze dit doen - ze hebben bizarre tenen - ze hebben tenen die zich ontkrullen als roltongfluitjes, en dan worden ze net als tape van het oppervlak afgepeld. Net zoals je een stuk tape van een oppervlak lostrekt. Ze doen dit met hun tenen. Het is bizar. Dit afpellen inspireerde iRobot om ermee aan de slag te gaan en Mecho-Gecko's te bouwen. Hier een versie met poten en een tractor- of bulldozerversie. Laten we eens enkele van de gekko's zien bewegen en daarna zal ik zal je een clip van de robots tonen. Hier loopt de gekko een verticaal oppervlak op, daar gaat hij, in real time, en daar weer. Uiteraard moeten we dit een beetje vertragen.

Je kunt hiervoor geen gewone camera gebruiken. Je moet 1000 beelden per seconde nemen om dit te zien. Hier een paar video's met 1000 beelden per seconde. Kijk nu naar rug van het dier. Zie je hoever hij doorbuigt? Daar kunnen we niet aan uit - een onopgelost mysterie. We weten niet hoe het werkt. Als je een zoon of een dochter hebt die naar Berkeley wil komen, kom dan naar mijn lab en we zullen dit uitzoeken. Oke, stuur ze naar Berkeley want dat is mijn volgende project. Hier de gekkomolen.

(Gelach)

Hij loopt op een doorzichtige loopbandriem zodat we de voeten van de dieren kunnen bekijken en ze filmen doorheen de loopbandriem om te zien hoe ze bewegen. Hier zie je het dier op een verticaal oppervlak lopen. Kies een voet, probeer om één​ teen te volgen en kijk of je kunt zien wat het dier aan het doen is. Zie hoe het deze tenen ontkrult en afpelt. Hij kan dit doen in 14 milliseconden. Ongelooflijk! Hier zijn de robots die ze hebben geïnspireerd, de Mecho-Gekko's van iRobot. Eerst zullen we zien hoe de dieren hun tenen afpellen. En hier is het afpellen bij de Mecho-Gecko Het maakt gebruik van een drukgevoelige kleefstof om dat te doen. Pellen bij het dier, pellen bij de Mecho-Gecko, wat hen in staat stelt zelfstandig te klimmen en over het vlakke oppervlak te lopen, dan de muur op, en dan naar het plafond. Hier de bulldozerversie. Die maakt geen gebruik van drukgevoelige lijm. Het dier maakt daar geen gebruik van. Voorlopig zijn we daartoe beperkt.

Wat doet het dier? Het dier heeft vreemde tenen, en als je kijkt naar de tenen, hebben ze daar van die kleine blaadjes. Als je erop inzoomt, zul je zien dat er kleine streepjes op die blaadjes zijn te zien. Als je 270 keer vergroot, zie je dat het eruitziet als een tapijt. Bij een vergroting van 900 keer, zie je die kleine haartjes daar en als je goed kijkt hebben die kleine haartjes ook strepen. Bij een vergroting van 30.000 keer zie je dat elke haar gesplitste uiteinden heeft. En als je die nog eens vergroot zie je die kleine structuren op het uiteinde. De kleinste vertakking van de haren ziet eruit als een spatel en zo'n dier heeft 1 miljard van deze gespleten haarpunten op nano-formaat om heel dicht bij het oppervlak te komen. Hier zie je de diameter van jouw haar, een gekko heeft er 2 miljoen van en elke haar heeft 100 tot 1.000 gespleten haarpunten. Denk aan het contact dat daarmee mogelijk is.

We hadden het geluk om in Stanford met een andere groep te werken. Zij bouwden voor ons een speciale MEMS sensor waarmee we in staat waren om de kracht van een enkele haar te meten. Hier is een enkele haar met een klein gespleten uiteinde. We vonden enorme krachten. Een toef haren van de omvang van de voet van een gekko kon gemakkelijk het gewicht van een klein kind dragen - ongeveer 20 kilogram. Hoe doen ze dat? We hebben dat onlangs ontdekt. Doen ze het door wrijving? Nee, de kracht is te laag. Doen ze dat door elektrostatische ladingen? Nee, je kunt de lading veranderen, ze blijven nog steeds plakken. Doen ze dat door in elkaar te grijpen? Zoals bij klittenband? Nee, je kunt ze op moleculair gladde oppervlakken plaatsen - dat is het niet. Hoe zit het met zuiging? Ook in een vacuüm blijven ze plakken. Adhesie? Of capillaire hechting? Ze hebben geen lijm en ze plakken zelfs onder water prima. Ook onder water houden ze zich vast. Hoe doen ze het dan? Geloof het of niet: ze houden zich vast door intermoleculaire krachten, door Van der Waals-krachten.

Lange tijd geleden heb je daar misschien in de chemieles over gehoord: als twee atomen dicht bij elkaar komen, gaan hun elektronen synchroon bewegen. Die kleine kracht is voldoende om hen daartoe in staat te stellen, want ze is het resultaat van de zovele effecten van deze kleine structuren. We lieten ons inspireren door deze haren en met een andere collega in Berkeley gingen we er zelf aanmaken. Onlangs hebben we een doorbraak gehad waardoor we nu geloven dat we gaan in staat zijn om de eerste synthetische, zelfreinigende, droge lijm te maken. Veel bedrijven zijn hierin geïnteresseerd.

(Gelach)

We hebben het zelfs ook aan Nike voorgelegd.

(Gelach)

(Applaus)

We zullen wel zien waar dit naartoe gaat. We waren hier zo enthousiast over dat we beseften dat op die kleine schaal, waar alles plakkerig wordt en de zwaartekracht er niet meer toe doet, we moesten gaan kijken naar de mieren en hun voeten. Een van mijn andere collega's in Berkeley heeft een zes millimeter grote siliconen robot met poten gebouwd. Maar hij loopt vast. Hij beweegt niet erg goed. Maar mieren doen dat wel en we willen erachter komen hoe ze dat doen, zodat we dit uiteindelijk in beweging krijgen. Stel je voor dat je zwermen van deze zes-millimeter robots gaat laten rondstruinen. Waar zal dit toe leiden? Ik denk dat je het al kan zien.

Internet heeft nu al ogen en oren, door webcams enzovoort. Maar het gaat ook benen en handen krijgen. Je gaat ze kunnen programmeren zodat je ze overal kunt laten gaan, vliegen en zwemmen. We zagen daar een begin van, met de vis van David Kelly. Tot slot denk ik dat de boodschap duidelijk is. Als je hier één boodschap aan wil overhouden: als de natuur ontoereikend is, als je geeft om zoek-en reddingsoperaties, ontmijning, medicijnen of om alles waar we mee bezig zijn, dan moeten we de ontwerpen van de natuur behouden. Anders zullen deze geheimen voor altijd verloren gaan. Dankjewel.

(Applaus)