Robert Full, sobre o movimento dos animais.

Quero que vocês imaginem que são estudantes em meu laboratório. Quero que vocês criem um projeto baseado na biologia. Então este é o desafio: Quero que me ajudem a criar um modelo de contato totalmente 3D, dinâmico e parametrizado. A tradução disto seria: vocês me ajudariam a construir um pé? E é um desafio real, e eu realmente queria que vocês me ajudassem. Claro que no desafio há um prêmio. Não é bem o TED Prize, mas é uma camiseta exclusiva do nosso laboratório. Então por favor me mandem suas idéias sobre como construir um pé.

Se quisermos construir um pé, o que devemos fazer? Primeiramente, temos de saber como é um pé. Se vamos ao dicionário, está escrito, "é a parte mais baixa de uma perna que está em contato com o solo, em pé ou andando" Esta é a definição tradicional Mas se você realmente quisesse fazer uma pesquisa, o que você faria? Você tem de ir na literatura e procurar o que é conhecido sobre os pés. Então vamos na literatura.

Talvez você esteja familiarizado com essa literatura. O problema é que existem muitos, muitos pés. Como se faz isso? Temos de inspecionar todos os pés e extrair princípios de como eles funcionam E quero que me vocês ajudem a fazer isso no próximo vídeo. Enquanto vêem esse vídeo, procurem os princípios, e pensem também nos experimentos que vocês poderiam construir para entender como funciona um pé.

Vêem algum padrão em comum? Princípios? O que fariam? Que experimentos realizariam? Wow. (Aplausos) Nossa pesquisa no biomecânica da locomoção animal nos permitiu fazer um projeto de um pé. É um projeto inspirado na natureza, mas não é uma copia específica de um pé que alguém viu; é uma síntese dos segredos de muitos, muitos pés.

Ocorre que os animais podem ir para onde eles quiserem. Podem se locomover em superfícies que, como vocês viram variam em probabilidade do contato, o movimento dessa superfície e os pontos de apoio para os pés que estão presentes. Se quiséssemos estudar como funciona um pé, nós deveríamos simular essas superfícies, ou simular essas pedras. E fizemos isso, aqui está um experimento: colocamos um animal e fizemos ele correr, esta aranha de jardim. em uma superfície com 99 por cento da área removida. Mas isso nem sequer reduziu a sua velocidade. Ainda que ela esteja correndo ao equivalente humano de 480km/h.

Como ela pode fazer isso? Então, olhe mais cuidadosamente. Quando reduzirmos a velocidade 50 vezes nós vemos como a perna está encostando no escombro simulado. A perna está agindo como um pé. E de fato, o animal faz contactos com outras partes da sua perna. mais frequentemente do que o pé tradicional. O pé está distribuído em toda a perna. Podemos fazer outro experimento onde tomamos uma barata com um pé, e podemos remover esse pé. Estou passando algumas baratas no auditório. Olhem seus pés. Sem um pé, é isso o que ela faz. Nem sequer desacelera. Ela pode correr com a mesma velocidade mesmo sem essa parte. Não é um problema para as baratas; elas podem regenerar estas partes, se vocês estão preocupados. Como elas fazem isso? Olhem detalhadamente: 100 vezes mais lento, e olhem o que ela está fazendo com o resto das suas pernas. Está agindo, de novo, como um pé distribuído. Muito eficiente.

Agora a pergunta que nos fazemos é: o quão comum é a ocorrência de um pé distribuído? O próximo comportamento que mostrarei desse animal nos surpreendeu desde a primeira vez que o vimos. Jornalistas, isso é confidencial- olhem o que é isso! Este é um polvo bípede mimetizado de um coco rolante. Foi descoberto por Christina Huffard e filmado por Sea Studios, aqui mesmo em Monterey.

Também descrevemos outras espécies de polvos bípedes. Este se disfarça como uma alga flutuante. Caminha em duas pernas e deixa as outras no ar para que não sejam vistas. (Aplausos) E olhem o que ele faz com seus pés para se deslocar em terrenos complicados. Usa seu magnífico pé distribuído para fazer como se esses obstáculos nem estivessem aí. Realmente extraordinário.

Em 1951, Escher fez este desenho. Ele pensou que havia criado uma fantasia animal. Mas nós sabemos que a arte imita a vida, e vira natureza, Há três milhões de anos atrás, o seguinte animal evoluiu. É um animal tipo camarão chamado de estomatópode, e é assim que se move nas praias do Panamá: na verdade ele rola, e até pode fazê-lo colina acima. É o pé distribuído definitivo; Todo o seu corpo está atuando como seu pé.

Assim, se quisermos agregar ao nosso projeto a primeira característica importante, queremos agregar contato de pé distribuído. Não só com o pé tradicional, mas também com a perna, e todo o corpo. Isto pode nos inspirar no projeto de novos robôs? Isto nos inspirou, biologicamente, este robô chamado RHex, construído por esses engenheiros extraordinários, nos últimos anos. O pé de RHex começou muito simples, foi refinado com o tempo, e finalmente terminou neste semicírculo. Por que isso? Vocês verão no vídeo. Olhem onde o robô faz contato com sua perna para lidar com esse terreno muito difícil. Vocês vão ver que, de fato, ele está usando esse pata semicircular como um pé distribuído. Olhem-no em movimento. Podem vê-lo bem aqui nesses escombros. Extraordinário. Sem sensores, todo o controle está nas pernas distribuídas. Muito simples, mas encantador.

Agora, vocês devem ter percebido outra coisa sobre os animais quando corriam pelo terreno com obstruções. Meu assistente vai me ajudar com isso. Quando você tocou a perna da barata -- Podem colocar o microfone nele? Quando você tocou a perna da barata, o que você sentiu? Você notou algo?

Garoto: Espinhoso.

Robert Full: É espinhoso, verdade? É realmente espinhoso, não é? Meio que dói. Talvez pudéssemos dar ao nosso curador e ver se ele é bravo o suficiente para tocar a barata. (Risos)

Chris Anderson: Você a tocou?

RF: Então se olharem cuidadosamente, o que vêem é que tem espinhos e até há algumas semanas atrás, ninguém sabia para que serviam. Supunha-se que era para proteção e estruturas sensoriais. Nos encontramos que são para algo mais -- Aqui está um segmento desse espinho. Estão dispostas de maneira que colapsam facilmente em uma direção para afastar a pata dos escombros, mas fica rígida na outra direção para capturar saliências na superfície.

Os caranguejos não precisam de ponto de apoio, porque eles geralmente se movem na areia até que chegam ao nosso laboratório. E tem um problema com essa classe de malha, porque eles não tem espinhos. Faltam espinhos para os caranguejos, por isso eles tem problemas nesse tipo de terreno. Mas claro, podemos resolver isso, porque podemos produzir espinhos artificiais. Podemos fazer espinhos que aderem a escombros simulados e colapsam na remoção, para tirá-los facilmente. Nós fizemos isso colocando esses espinhos artificiais nos caranguejos, como vêem aqui, e logo os testamos. Será que entendemos realmente esse princípio de adaptação? A resposta é: sim! Isto está 20 vezes mais devagar, em câmera lenta, e o caranguejo sai voando pelo escombro simulado. (Risos) (Aplausos) Um pouco melhor que a natureza.

Então para o nosso projeto, nós precisamos adicionar espinhos adaptados. Agora, será que isso nos ajudará a pensar sobre o projeto de robôs escaladores mais eficientes? Bom, aqui está RHex (RHex tem problemas com trilhos) com trilhos lisos como vêem aqui. Então por que não agregar espinhos? Meus colegas fizeram isso na Universidade da Pensilvânia. Dan Koditschek colocou umas unhas de aço - uma versão muito simples - no robô E aqui está RHex, movendo-se sobre esses trilhos de aço... Sem problemas! Como ele faz isso? Coloquemos em câmera lenta, e vocês podem ver os espinhos em ação. Olhem a perna passar, e verão que fica presa logo ali. Ele não podia fazer isso antes, teria escorregado e caído. E olhem de novo, logo ali -- êxito.

Agora, só ter pés e espinhos bem distribuidos não significa que se possa escalar superfícies verticais. Isso é realmente muito difícil. Mas olhem como este animal o faz ! Um dos que estou passando está escalando esta superfície vertical, que é uma placa de metal lisa. É extraordinário o quão rápido ele consegue fazer isso, mas em câmera lenta pode-se ver algo muito extraordinário. É um segredo. O animal efetivamente escala escorregando e olhem - ele o faz realmente mal, no sentido de aderir-se à superfície. Parece, de fato, que nada pela superfície. Podemos modelar esse comportamento melhor como fluído, se o olharem bem. O pé distribuído, de fato, funciona mais como um remo.

O mesmo vale se olharmos esta lagartixa que corre sobre a areia. Olhem seus pés. Realmente funcionam como remos apesar de estar interagindo com uma superfície que normalmente pensamos ser sólida. Isso não é diferente do que uma ex-estudante minha de licenciatura descobriu quando ela imaginava como as lagartixas podem correr sobre a água. Podemos usar isso para construir robôs melhores? Martin Buehler o fez - está na Boston Dynamics agora- tomou esta idéia e fez de RHex um Aqua RHex. Aqui está RHex com remos agora convertido em um robô incrivelmente versátil.

Em superfícies irregulares, animais tem garras. Vocês provavelmente as sentem, se as tocarem. Vocês tocaram?

Sim, toquei.

RF: E se aderem muito bem às superfícies, com estas garras. Mark Cutkosky da Universidade de Stanford, meu colaborador, é um engenheiro fora de série que desenvolveu uma técnica chamada Fabricação por Deposição de Forma, que permite incrustar garras em um pé artificial. E aqui está uma versão simples do pé para o novo robô, que mostrarei em um momento. Assim, para nosso projeto, agreguemos garras. Se olharem os animais, para ser realmente versátil em todas as superfícies, os animais usam mecanismos híbridos que incluem garras, espinhos, pelos, remos, cola, adesão capilar e um monte de outras coisas. Estas são todas de diferentes insetos. Há uma formiga arrastando-se por uma superfície vertical. Olhemos a formiga.

Este é o pé de uma formiga. Vocês podem ver pelos, garras e isto aqui. Isto é quando seu pé esta no ar. Olhem o que sucede quando o pé entra em um sanduíche. Vêem o que acontece? Aparece esse apêndice, onde está a cola. Aqui está um pé de formiga visto de baixo E quando as garras não se fixam aparece o apêndice, sem que a formiga faça nada. Simplesmente sai. E essa tomada foi muito difícil... Penso que esta é a tomada das formigas nas super-cordas. Por isso é muito difícil de fazer. Assim é que se vê de perto - este é o pé da formiga e esta é a cola.

E descobrimos que esta cola podia ser uma mistura interessante de duas fases. Certamente a ajuda para se segurar. Assim, para nosso projeto, vamos pegar alguns apêndices com pacacidade de aderência. Vocês podem pensar que as superfícies lisas nos inspiram a isso. Agora, temos algo melhor aqui. A salamandra é um grande exemplo de nanotecnologia na natureza. Estes são seus pés. São... Quase parece um alien. E o segredo que permite a aderência envolve seus dedos peludos Podem correr para cima em uma superfície a um metro por segundo, e fazer 30 passos naquele segundo - é difícil de ver. Em camera lenta, apoiam o pé em oito milissegundos e o levantam em 16 milissegundos. E quando se olha como o levantam, é bizarro. Eles se desgrudam da superfície como se desgrudassem uma fita adesiva. Muito estranho. Como eles grudam?

Se olharem seus pés, eles tem estruturas em forma de folha chamadas linalae. com milhões de pelos. E cada pelo tem o pior caso possível de pontas quebradas. Tem de cem a mil pontas quebradas e esse é o segredo, pois permite contato íntimo. A salamandra tem um bilhão dessas pontas quebradas de 200 nanómetros. E que não grudam com cola, nem funcionam como velcro, nem com sucção. Descobrimos que funcionam somente por forças intermoleculares. Assim, para nosso projeto, partimos alguns pelos. Isto inspirou o projeto do primeiro adesivo seco auto-limpante está patenteado, e ficamos felizes em dize-lo. E aqui está uma versão mais simples na natureza, este é a tentativa do meu colaborador Ron Fearing de criar uma versão artificial desse adesivo seco feito de poliuretano. E aqui a primeira tentativa de faze-lo funcionar com algum peso.

Existe um enorme interesse nisto em muitos campos diferentes. Vocês podem imaginar mil usos possiveis, estou certo. Muita gente o faz e estamos entusiasmados de ver isso como um produto. Temos imaginado produtos, por exemplo, este: imaginamos um Band-Aid bio-inspirado, onde tiramos a cola do Band-Aid. Tomamos alguns pelos de uma salamandra; colocamos três rolos de pêlo e logo fizemos este Band-Aid adesivo.

Este é um estudante voluntário. temos 30.000 estudantes, assim podemos escolher - isso é, na verdade, só uma marca vermelha. Mas faz um Band-Aid incrível. É aerado, se desgruda facilmente, não provoca irritação, funciona embaixo da água. Penso que este é um exemplo extraordinário de como a investigação por curiosidade - (simplesmente nos perguntamos como escalavam algo)- pode levar a coisas que nunca imaginaríamos. É só um exemplo de por que temos que apoiar a investigação por curiosidade. Aqui está, tirando o Band-Aid.

Assim, redefinimos o que é um pé. A pergunta é então se podemos usar todos esses segredos para inspirar o projeto de um pé melhor, melhor do que vemos na Natureza. Aqui está o novo projeto: estamos tentando criar o primeiro robô escalador de busca e resgate, sem sucção ou ímans que pode mover-se só por poucos tipos de superfícies. Chamo o novo robô de RiSE, para Robô em Ambiente Escansorial, que é um ambiente empinado, e temos uma equipe extraordinária de biólogos e engenheiros criando este robô. E aqui está RiSE. Tem seis pernas e uma cauda. Aqui está ele em uma cerca e uma árvore. E aqui os primeiros passos de RiSE em uma inclinação. Estão com áudio? Podem ouvi-lo subir. E aqui ele vem até vocês, em seus primeiros passos parede acima. Agora está usando só seus pés mais símples, e isto é muito novo. Mas pensamos que entendemos a dinâmica do robô.

Mark Cutkosky está indo um passo além. É a pessoa capaz de construir estes pés e dedos fabricados por deposição de forma. O próximo passo é fazer dedos compatíveis e tentar agregar espinhos, garras e colocar adesivos secos. Assim, a ideia é primeiro conseguir os dedos e um pé que funcionem, e tentar que escale, e finalmente colocar no robô. E isso é exatamente o que ele fez. Construiu, de fato, um pé-bot escalador inspirado na Natureza.

E aqui está o projeto de Cutkosky e seus extraordinários estudantes. E estes são dedos adaptados, existem seis deles e usam os princípios do qual falei, coletivamente para o projeto. Então isto não usa nem sucção nem cola e finalmente, quando for anexado ao robô - é tão biologicamente inspirado como o animal- esperamos que seja capaz de escalar todo tipo de superfície. Aqui o vêem, num momento seguinte, subindo um lado de um edifício em Stanford. Está acelerado, de novo, é um pé escalando. Ainda não é um robô completo, estamos trabalhando nisso agora podem ver como se agarra. Estas estruturas adaptadas permitem aos espinhos, compartimentos de fricção e pelos adesivos aderir a superfícies muito desafiadoras e difíceis. E assim eles foram capazes de obter isto, isso está acelerado 20 vezes, Vocês podem imaginar ele subindo para resgatar alguém em outro andar? Bem? Podem visualizar-lo agora, não é impossível. É uma tarefa de um grande desafio, e existe muito por vir.

Para terminar: conseguimos obter segredos da natureza olhando como são feitos os pés. Aprendemos que deveríamos distribuir o controle em partes inteligentes. Não colocar tudo no cérebro, e colocar algum controle nos pés adaptados, nas patas e inclusive no corpo. A Natureza usa soluções híbridas, não uma solução símples, para esses problemas, e elas são integradas e maravilhosamente fortes. E terceiro, acreditamos firmemente que não desejamos imitar a Natureza, mas nos inspirarmos na biologia. e usar estes princípios originais com as melhores soluções de engenharia existentes para fazer, potencialmente, algo melhor que a Natureza.

Então, há uma mensagem clara: tanto se você se preocupa com pesquisa fundamental, básica de animais realmente interessantes, raros e maravilhosos ou se você quiser construir um robô de busca e resgate que possa ajudar em terremotos, ou salvar alguém de um incêndio ou se você se interessa pela medicina, devemos preservar os projetos da Natureza. Caso contrário, esses segredos serão perdidos para sempre. Obrigado.