Robert Full sobre engenharia e evolução

Bem-vindos. Poderia passar o primeiro slide, por favor? Ao contrário dos cálculos feitos por engenheiros, abelhas podem voar, golfinhos podem nadar, e lagartos podem escalar as superfícies mais lisas. Com o pouco tempo de que disponho, quero fazer com que cada um de vocês experimente, de certa maneira, o prazer de descobrir o design da natureza. Eu faço isso o tempo todo, e é incrível. Gostaria de compartilhar um pouco disto com vocês nesta palestra. O desafio de perceber o design da natureza -- e eu vou contar o jeito como nós o percebemos, e como o usamos. O desafio, é lógico, é responder a esta questão: O que faz com que estes animais tenham este desempenho a ponto de irem onde quer que queiram? E se nós descobríssemos um jeito de implementar estes designs?

Bem, muitos biólogos dirão a engenheiros e outros, que os organismos levaram milhões de anos até chegarem a este ponto, que são espetaculares, e que podem fazer qualquer coisa espetacularmente bem, e que a resposta é biomímica -- copiar diretamente a natureza. Sabemos, de nosso trabalho com animais que, na verdade, isto é exatamente o que você não deve fazer. Porque a evolução trabalha sob o princípio do "bom-o-bastante", e não num princípio de aperfeiçoamento. E as limitações em construir um organismo, quando você olha para ele, são muito severas. As tecnologias naturais têm limitações incríveis. Pense a respeito. Se você fosse um engenheiro e eu dissesse que você teria que construir um automóvel, mas que ele teria que ser pequenininho, e que ele teria que crescer até ficar grande e que teria que funcionar durante todo o processo. Pense que se você construisse um automóvel, que você também teria que, dentro dele, colocar uma fábrica que permitiria construir outros automóveis.

(Risos)

Você nunca poderia, nunca, por causa do passado e da configuração herdada, começar por uma 'tabula rasa'. Então, organismos têm este passado importante. Na verdade, a evolução trabalha mais como um funileiro que como um engenheiro. E isto é muito importante quando você começa a prestar atenção nos animais. Ao invés disto, acreditamos que você precisa ser inspirado pela biologia. Você precisa descobrir os princípios gerais da natureza. e usar as analogias quando são vantajosas. E isto é um desafio e tanto, porque quando você começa a prestar atenção nos animais, ele parecem ser inacreditavelmente complexos. Não existe um memorial detalhado dos projetos anteriores, e você não pode consultá-lo em lugar nenhum. Eles têm movimentos demais nas suas juntas, músculos demais, mesmo o animal mais simples que podemos imaginar, algo como um inseto, tem mais neurônios e conexões que você pode imaginar.

Como você pode racionalizar isto? Bem, acreditamos -- e formulamos hipóteses -- que eles poderiam funcionar de forma simples, se fizéssemos com que o controle de seus movimentos fosse construído junto com seus próprios corpos. Descobrimos que animais de duas, quatro, seis e oito pernas todos produzem as mesmas forças no chão quando se movimentam. Eles todos fazem como o canguru, eles pulam. E podem ser modelados através de um sistema de oscilador-massa, que chamamos de sistema de oscilador-massa porque somos bio mecânicos, na verdade é um pula-pula. Eles sempre produzem o padrão do pula-pula. Como assim? Bem, num humano, uma de suas pernas funciona como duas pernas de um cachorro trotando ou como três de um inseto no trote, ou quatro de um carangueijo trotando. E elas alternam na propulsão, mas os padrões são sempre os mesmos. Quase todos os organismos que estudamos -- vocês verão na próxima semana -- Vou dar uma dica, haverá um artigo saindo que diz que coisas grandes como o T. Rex provavelmente não podiam fazer isto, mas vocês verão na semana que vem.

O que é interessante é que os animais que mencionamos pulam no plano vertical deste modo, e em colaboração com a Pixar em "Vida de inseto", discutimos a natureza bípede dos personagens das formigas. E dissemos que elas se movem no outro plano também, e nos fizeram a seguinte pergunta. "Por que modelar somente o plano sagital (ou o vertical), quando está nos dizendo que se movem no plano horizontal?" Esta é uma boa questão. Nenhum biólogo modelou deste jeito antes. Aceitamos o conselho e modelamos o animal se movendo no plano horizontal também. Pegamos três pernas, agrupamos em uma só, chamamos os melhores matemáticos no mundo de Princeton para resolver a questão. E conseguimos criar um modelo no qual os animais não só pulam para cima e para baixo, mas também de um lado para o outro ao mesmo tempo. E muitos organismos se encaixam neste padrão. Mas por que é importante chegar a este modelo? Porque é interessante. Quando pegamos este modelo e o perturbamos, damos um empurrão, quando ele bate em alguma coisa, ele se auto-estabiliza, sem cérebro, ou sem reflexos, apenas por sua estrutura. É um modelo bonito. Vamos dar uma olhada na matemática.

(Risos)

Pronto!

(Risos)

Os animais, quando olhamos eles correndo parecem se auto-estabilizar assim, usando basicamente pernas elásticas. Isto é, as pernas podem processar por si mesmas, os algoritmos de controle estão inseridos de certo modo, na forma do próprio animal. Por que não nos inspiramos na natureza e por este tipo de descoberta mais frequentemente? Bem, eu diria que as tecnologias humanas são realmente diferentes das tecnologias naturais, ao menos têm sido até agora. Pense no típico robô que você vê. Tecnologias humanas tendem a ser grandes, planas, com ângulos retos, duras, feitas de metal. Elas têm rolamentos e eixos. Existem poucos motores, poucos sensores. Enquanto a natureza tende a ser pequena, e curva, e ela se curva e torce e têm pernas em vez de apêndices, e tem muitos músculos e muitos e muitos sensores. Portanto, é um design muito diferente. E no entanto, o que está mudando -- e eu vou mostrar para vocês em breve -- é que quanto mais a tecnologia humana tomar emprestado características da natureza, mais a natureza pode se tornar um professor eficiente.

E aqui está um exemplo que é muito interessante. Esta é uma colaboração que temos com Stanford. E eles desenvolveram uma técnica chamada Produção de Deposição de Formas. É uma técnica na qual eles podem misturar materiais e moldar qualquer forma que queiram, e colocar as propriedades do material. Podem colocar sensores e atuadores dentro de própria forma. Por exemplo, aqui está uma perna -- a parte transparente é dura, a parte branca é adaptável, e você não precisa de nenhum eixo ou coisa parecida. Ela simplesmente se curva de forma elegante. Portanto, você pode por estas propriedades lá. Isto os inspirou a mostrar este design produzindo um robozinho batizado de Sprawl. Nosso trabalho também inspirou outro robô, um robô pulador, inspirado pela biologia, da Universidade do Michigan e McGill batizado de RHex, por ser um robô hexápode, e ele é autônomo. Vamos ver o vídeo e deixem-me mostrar alguns destes animais se movendo. Então, estes são alguns dos robôs mais simples que foram inspirados em nossas descobertas. Isto é o que alguns de vocês fizeram hoje pela manhã, embora tenham feito ao ar livre e não na esteira ergométrica. Aqui é o que nós fazemos.

(Risos)

Esta é uma barata -- do tipo americana que você pensa que não tem em sua cozinha. Este é um escorpião de oito pernas, uma formiga de seis pernas e um centípede de quarenta e quatro pernas. Eu disse que estes animais são como pula-pulas -- eles estão pulando enquanto se movem e você pode ver isto neste carangueijo Maria-farinha das praias do Panamá e da Carolina do Norte. Ele chega a quatro metros por segundo quando corre. Na verdade, ele pula no ar e tem fases aéreas quando pula, como um cavalo, e você pode ver ele pulando aqui. Descobrimos que não importa se você olha para uma perna de um humano como o Richard, ou uma barata, ou um carangueijo, ou um canguru, a rigidez relativa daquela mola é a mesma para todos os que estudamos até agora. Mas será que as pernas elásticas são mesmo boas, o que elas podem fazer? Bem, nós queríamos descobrir se elas davam maior estabilidade e capacidade de manobra aos animais. Então fizemos um terreno que tinha três vezes o tamanho da coxa dos animais que estávamos estudando, e estávamos certos que eles não conseguiriam vencer os obstáculos. E isto foi o que fizeram. O animal correu sobre eles e nem mesmo diminuiu sua velocidade. Ele não diminuiu sua velocidade em nada. Não acreditávamos que ele pudesse fazer isto. Isto nos dizia que se você pudesse cunstruir um robô com pernas elásticas muito simples, poderíamos fazê-lo tão manobrável quanto qualquer outro construído até hoje.

Este é o primeiro exemplo disto, este é o robô da Produção de Deposição de Formas de Stanford, chamado Sprawl. Ele tem seis eprnas -- estas são as pernas elásticas ajustáveis. Ele se move num andar típico de um inseto, e aqui está ele numa esteira. O que é importante a respeito dele, quando comparado com outros, é que ele não pode ver nada, não pode sentir nada, não tem um cérebro, e mesmo assim ele pode manobrar por cima destes obstáculos sem a menor dificuldade. Este é o resultado desta técnica de inserir propriedades na própria forma. Este é um estudande de gradução, e isto é o que ele está fazendo à sua tese, muito resistente, se um estudante faz isto à sua tese!

(Risos)

Isto é da McGill e da Universidade do Michigan, é o RHex, saindo pela primeira vez, numa demo.

(Risos)

É o mesmo princípio. Ele tem só seis partes móveis. Seis motores, mas tem pernas elásticas. Se move com o andar de um inseto e sincroniza o andar da perna do meio com a da frente e a de trás do lado oposto. Uma espécie de tripé alternado, e eles podem administrar obstáculos exatamente como um animal.

(Risos)

(Ai meu Deus!)

(Aplausos)

Ele pode andar em superfícies diferentes, aqui está areia, embora ainda não tenhamos aperfeiçoado os pés, mas eu falo disto depois. Aqui está o RHex entrando na floresta.

(Risos)

Novamente este robô não pode ver ou sentir nada, e não tem cérebro. Está trabalhando apenas com um sistema mecânico ajustado, com partes muito simples. Mas inspirado na mecânica fundamental de um animal. Ah, eu adoro ele Bob. Aqui vai ele descendo um caminho. Eu o apresentei ao laboratório de propulsão a jato da NASA, e disseram que eles não tem habilidade de descer crateras para procurar gelo, e, em última análise, vida em Marte. Especialmente com robôs com pernas porque eles são muito complicados. Nada pode fazer isto. E eu falei depois. Mostrei este video com o design simples do RHex aqui, e os convenci que nós devemos ir à Marte em 2011, pintei o video de laranja para dar a impressão de que estávamos em Marte.

(Risos)

(Aplausos)

Outro motivo que faz com que animais tenham um desempenho extraordinário e possam ir onde quiserem, é que eles têm uma interação efetiva com o ambiente. O animal que vou mostrar agora que estudamos para isso é a lagartixa. Temos uma aqui... percebam a sua posição. Está se segurando. Agora vou lançar um desafio. Vou mostrar o vídeo. Um dos animais vai estar correndo em nível, e outro vai estar subindo uma parede. Qual é qual? Eles correm a um metro por segundo. Quantos de vocês pensam que o da esquerda é o que está subindo a parede?

(Aplausos)

Ok. A verdade é que é muito difícil dizer, não é? É incrível, vemos os estudantes fazerem isto e eles mesmos não sabem dizer. Eles podem subir uma parede a um metro por segundo, quinze passos por segundo, e parece que estão andando em nível, Como eles conseguem? É fenomenal. O da direita é o que está subindo. Como eles conseguem -- eles têm dedos estranhos -- têm dedos que desenrolam como uma lingua-de-sogra quando alguém assopra, e descolam da superfície como uma fita. Como se tivéssemos um pedaço de fita e fôssemos descolá-la. Eles fazem isso com os dedos. É estranho. Este descolamento inspirou a iRobot com a qual trabalhamos, a construir Mecho-Geckos. (Lagartixas-Mecânicas) Aqui temos uma versão com pernas e outra sem, parecida com um trator. Vamos ver como as lagartixas se movem com um vídeo. e depois vou mostrar um pouco dos robôs. temos a lagartixa subindo uma superfície vertical, aí vai ela, em tempo real, olha ela aí de novo. Obviamente temos que ver em câmera lenta.

não podemos usar câmeras comuns. Temos que filmar a 1000 quadros por segundo para ver isto. E aqui vemos o vídeo com 1000 quadros por segundo. Gostaria de olhassem para as costas do animal. Vocês vêem como ela se dobra? Nós não conseguimos explicar -- é um mistério ainda. Não sabemos como funciona. Se você tem um filho ou filha que quer vir para Berkeley, venha ao meu laboratório e vamos descobrir isto juntos. Ok, mande-os para Berkeley porque esta é a próxima pesquisa que quero fazer.. Esta é a esteira da lagartixa.

(Risos)

É uma esteira transparente com uma cinta também transparente, para que possamos assistir aos pés do animal, e gravar em vídeo através da esteira, para ver como eles se movem. Aqui vemos o animal que temos aqui, correndo numa superfície vertical, escolha um pé e tente ver o dedo, e veja se consegue ver o que o animal está fazendo. Veja ele desenrolar e descolar os dedos. Ele pode fazer isto em 14 milisegundos. É inacreditável. Estes são os robôs que ele inspirou, os Mecho-Geckos, da iRobot. Primeiro vamos ver os dedos dele descolando - veja isto! E aqui o descolamento do Mecho-Gecko ele usa um adesivo sensível à pressão para fazer isto. Descolamento no animal, descolamento no Mecho-Gecko, que permite com que possa escalar de forma autônoma, pode andar numa superfície lisa, numa transição para uma parede, e depois andar pelo teto. Esta é a versão trator. Ela usa cola sensível a pressão. O animal não usa. Mas estamos limitados a esta solução no momento.

O que o animal usa? Ele tem dedos estranhos, e se você olha para os dedos, eles têm estas folhas, E se você amplia a imagem você vai ver que existem estrias pequenas nas folhas. e se você amplia 270 vezes, você vê que se parece com um tapete. E se você amplia mais ainda, 900 vezes, você vai ver que existem pelos ali, pequenos, e se você olhar com cuidado estes pelinhos têm estrias. E se você amplia 30.000 vezes, vai descobrir que cada pelo tem várias pontas. E se amplia mais, vai ver que existem pequenas estruturas no final. O menor pedaço parece com uma espátula e um animal como este têm cerca de 1 bilhão destas pontas para ficar muito perto da superfície. Na verdade, este é o diâmetro do seu cabelo, uma lagartixa tem 2 milhões destes e cada um tem entre 100 e 1.000 pontas. Pense no contato que é possível com isto.

Tivemos a chance de trabalhar com outro grupo de Stanford que construiu um sensor especialmente para nós e pudemos medir a força de cada pelo. Este é um pelo individual com várias pontas, quando medimos as forças, elas eram enormes, elas eram tão grandes que um grupo de pelos deste tamanho, que o pé da lagartixa poderia suportar o peso de uma criança -- por volta de 18 quilos, facilmente. Como eles funcionam? Descobrimos isto recentemente. Será que eles usam fricção? Não, a força é muito pequena. Usam eletrostática? Não, se mudamos a carga eles ainda funcionam. Eles usam aquele efeito de adesão como o do Velcro? Não, podemos coloca-los em superfícies lisas -- eles não usam. Que tal sucção? Eles se grudam mesmo no vácuo. E que tal adesivos? Ou adesão capilar? Eles não usam nenhum tipo de cola, e funcionam mesmo debaixo d'água. Se você põe os pés deles debaixo d'água eles continuam grudados. Como eles conseguem então? Acredite ou não, eles aderem através de forças intermoleculares, pela força de van der Waals.

Você provavelmente estudou isto há muito tempo, em Química quando você tem dois átomos, um perto do outro, e os elétrons se movem em volta. Esta pequena força é suficiente para que eles façam isto, porque ela é somada muitíssimas vezes com estas estruturas minúsculas. Agora estamos pegando esta inspiração dos pelos, e com outro colega de Berkeley, estamos entrando em produção. E recentemente tivemos uma descoberta com a qual acreditamos que seremos capazes de criar o primeiro adesivo seco, sintético e auto-limpante. Muitas companhias estão interessadas nisto.

(Risos)

Até apresentamos para a Nike.

(Risos)

(Aplausos)

Vamos ver até onde isto vai. Estamos tão otimistas neste caso que notamos que nesta escala tão pequena, e onde tudo tende a aderir, e a gravidade não importa mais, precisamos olhar para os pés das formigas, porque um dos meus colegas em Berkeley, construiu um robô de silício de 6 milímetros com pernas. Mas ele prende e não se move muito bem. Mas as formigas se movem, e nós vamos descobrir o porquê, de modo que mais tarde vamos fazer ele funcionar. E, imagine, você vai poder ter enxames destes robôs de 6 milímetros andando por aí. Mas pra onde isto vai? Acho que você já sabe.

Obviamente a internet já tem olhos e ouvidos, você tem web cams e tudo mais. Mas ela terá pernas e mãos. Você poderá fazer trabalhos programáveis usando estes tipos de robôs, então você poderá correr, voar e nadar em qualquer lugar. Vimos David Kelly no começo com seu peixe. em conclusão, a mensagem é clara. Se você precisa de uma mensagem, se a natureza não é o bastante, se você se importa com buscas e resgates, ou se livrar de minas terrestres, ou se importa com medicina, ou as várias coisas com as quais trabalhamos, precisamos preservar o design da natureza, pois, de outra forma estes segredos vão se perder para sempre. Obrigado.

(Aplausos)