Robert Full despre mişcarea animalelor

Vreau să vă imaginaţi că sunteţi un student în laboratorul meu. Ce vreau eu să faceţi este să creaţi un design inspirat de biologie. Şi iată deci provocarea: Vreau să mă ajutaţi să creez un model de contact complet 3D, dinamic, parametrizat. Traducerea la asta e, puteţi să mă ajutaţi să construiesc o labă a piciorului? Şi asta e o provocare reală şi vreau să ma ajutaţi. Bineînţeles, în provocare există un premiu. Nu e chiar Premiul TED, dar este un tricou unic de la laboratorul nostru. Aşa că, vă rog, trimiteţi-mi ideile voastre despre cum să proiectezi o labă a piciorului.

Acum, dacă vrem să proiectăm o labă a piciorului, ce trebuie să facem? Trebuie, mai întâi, să ştim ce este o labă a piciorului. Dacă mergem la dicţionar, el spune, "Este extremitatea cea mai de jos a piciorului care este în contact direct cu pământul în timpul statului sau al mersului." Asta este definiţia tradiţională. Dar dacă vrei chiar să faci cercetare, ce trebuie să faci? Trebuie să mergi la literatură şi să cauţi ceea ce e cunoscut despre picioare. Deci, mergi la literatură. (Râsete)

Poate eşti familiarizat cu această literatură. Problema e că există multe, multe picioare. Cum faci asta? Trebuie să inspectezi toate pcioarele şi să extragi principiile după care funcţionează ele. Şi vreau să mă ajutaţi să fac asta în clipul următor. Pe măsură de vedeţi acest clip, căutaţi principiile, şi, deasemenea, gândiţi-vă la experimentele pe care le-aţi proiecta pentru a înţelege cum funcţionează un picior.

Vedeţi nişte teme comune? Principii? Ce aţi face? Ce experimente aţi face? Uau. (Aplauze) Cercetarea nostră asupra biomecanicii locomoţiei animale ne-a permis să facem un plan pentru un picior. Este un design inspirat de natură, dar nu este o copie a unui picior specific la care doar te-ai uitat, ci este o sinteză a secretelor multor, multor picioare.

Acum se pare că animalele pot să meargă oriunde. Pot să se deplaseze pe substraturi care variază precum aţi văzut -- in probabilitatea contactului, in mişcarea acelei suprafaţe şi in tipul suporturilor pentru picioare care sunt prezente. Dacă vrei să studiezi cum funcţioneză un picior va trebui să simulăm acele suprafeţe sau să simulăm acele neregularităţi. Când am făcut asta, aici e un nou experiment pe care l-am făcut: am pus un animal şi l-am făcut să alerge -- acest Agelenopsis (paianjen de iarbă) -- pe o suprafaţă cu 99% din suprafaţa de contact înlăturată. Dar nici măcar nu a încetinit animalul. Tot aleargă cu echivalentul uman a 300 mile/oră (480 km/h).

Acum, cum face el asta? Păi, priviţi mai atenţi. Când încetinim de 50 de ori, vedem cum piciorul loveşte acele dărâmături simulate. Piciorul acţionează ca o talpă. De fapt, animalul pune în contact alte părţi ale piciorului său mai frecvent decât ceea ce e definit tradiţional ca talpă. Talpa este distribuită în lungul întergului picior. Puteţi face un alt experiment unde puteţi lua un gândac cu o talpă şi puteţi înlătura talpa sa. Dau drumul la câţiva gândaci pe-aici. Uitaţi-vă la tălpile lor. Fără talpă, iată ceea ce face. Nici măcar nu încetineşte. Poate să alerge cu aceeaşi viteză chiar fără acel segment. Nici o problemă pentru gândac -- le pot creşte la loc, dacă vă interesează. Cum o fac ei? Priviţi cu atenţie: ăsta e încetinit de 100 de ori şi priviţi ce face cu restul piciorului său. Funcţionează, din nou, ca o talpă distribuită. Foarte eficient.

Acum, întrebarea pe care o avem este, cât de generală este o talpă distribuită? Şi următorul comportament pe care vi-l voi arăta al acestui animal ne-a uluit prima dată cânt l-am văzut. Jurnalişti, asta e neoficial -- este sub embargo -- priviţi ce este aceea! Aceea este o caracatiţă bipedă care e deghizată ca o nucă de cocos ce se rosogoleşte. A fost descoperită de Christina Huffard şi filmată de Sea Studios, chiar aici în Monterey.

Am descris deasemenea o altă specie de caracatiţi bipedă. Aceasta se deghizează ca o algă plutitoare. Merge în două picioare şi ţine celelalte braţe sus, ca să nu poată fi văzută. (Aplauze) Şi iată ce face cu talpa ei pentru a trece peste teren ce ridică provocări. Foloseşte acea frumoasă talpă distribuită pentru a face ca şi cum obstacolele nici nu ar fi acolo. Cu adevărat extraordinar.

În 1951, Escher a făcut acest desen. El a crezut că a creat un animal fantastic. Dar noi ştim că arta imită natura şi se pare că natura, acum 3 milioane de ani, a dezvoltat următorul animal. E un animal ca un crevete numit stomatopod şi iată cum se mişcă pe plajele din Panama: chiar se rostogoleşte, şi poate să se rostogolească la deal. Este cel mai nou picior distribuit; întreg corpul său în acest caz funcţionează ca un picior.

Deci, atunci dacă vrem ca schiţei noastre să-i adăugăm cea mai importantă trasătură, vrem să-i adăugăm talpă de contact distribuită. Nu doar cu talpa tradiţională, ci şi deasemenea cu piciorul, şi chiar cu corpul- Poate asta să ne inspire designul roboţilor noi? Am inspirat biologic acest robot, numit RHex, construit de aceşti extraordinari ingineri de-a lungul ultimilor câţiva ani. Piciorul lui RHex a debutat prin a fi destul de simplu, apoi s-a transformat în timp şi în cele din urmă a rezultat această jumătate de cerc. De ce-i aşa? Acest clip vă va arăta. Priviţi unde robotul, acum, pune în contact picioarele sale pentru a face faţă acestui teren foarte dificil. Ce veţi vedea, de fapt, e că foloseşte acel picior jumătate de cerc ca o talpă distribuită. Priviţi-l mergând peste asta. Puteţi să-l vedeţi aici bine, peste aceste dărâmături. Extraordinar. Fără simţire, tot controlul este integrat chiar în picioarele adaptate. Chiar simplu, dar frumos.

Acum, poate aţi observat altceva despre animale când alergau peste terenul accidentat. Iar asistentul meu mă va ajuta aici. Când ai atins piciorul gândacului - poţi să iei microfonul pentru el? Când ai atins piciorul gândacului, cum s-a simţit? Ai observat ceva?

Băiatul: ţepos.

Robert Full: E ţepos, nu? E ţepos tare, nu-i aşa? Cumva chiar doare. Poate am putea să-l dăm gazdei noastre să vedem dacă el e suficient de curajos să atingă gândacul. (Hotote de râs)

Chris Anderson: Tu l-ai atins?

RF: Deci dacă priviţi cu atenţie la asta, ce veţi vedea este că au ţepi şi până acum câteva săptămâni, nimeni nu ştia ce făceau. Presupuneau că erau pentru protecţie sau pentru structuri senzoriale. Am aflat că erau pentru altceva -- aici e un segment din acel ţep. Sunt adaptaţi în aşa fel că se îndoiaie uşor într-o direcţie să scoată piciorul din dărâmături, dar sunt ţepeni în cealaltă direcţie aşa că prind disparităţile de pe suprafaţă.

Acum, crabii nu ratează locurile de sprijinit talpa, deoarece în mod normal se mişcă pe nisip -- până au venit la laboratorul nostru. Şi aici au o problemă cu acest tip de suprafaţă, deoarece ei nu au ţepi. Crabii au ţepi lipsă, aşa că au o problemă pe acest tip de teren dificil. Dar, desigur, putem să facem faţă la asta, deoarece putem să producem ţepi artificiali. Putem să facem ţepi care să prindă pe dărâmături simulate şi să se îndoaie la îndepărtare pentru a-i scoate uşor. Am făcut asta punând aceşti ţepi artificiali pe crabi, cum aţi văzut aici şi apoi i-am testat. Chiar înţelegem acest principiu de adaptare? Răspunsul este da! Asta este încetinit de 20 de ori şi crabul chiar o şterge peste acele dărâmături simulate. (Hohote de râs)(Aplauze) Un pic mai bine decât natura.

Deci, pentru schiţa noastră avem nevoie de a adăuga ţepi modificaţi. Acum, ne va ajuta asta să ne gândim la designul unor roboţi care se caţără mai eficienţi? Păi, aici e RHex -- RHex are probleme pe şine -- pe şine fine, cum puteţi vedea aici. Aşa că de ce să nu adăugăm un ţep? Colegii mei au făcut asta la U Penn. Dan Koditschek a pus nişte cuie de oţel -- o versiune foarte simplă -- pe robot -- şi aici e RHex, acum, trecând peste acel oţel -- acele şine. Nici o problemă! Cum o face? Să-ncetinim şi puteţi vedea ţepii în acţiune. Priviţi piciorul venind şi-l veţi vdea prinzându-se chiar aici. Nu putea face asta înainte, doar aluneca şi rămânea blocat si se răsturna. Şi priviţi din nou, chiar aici -- cu succes.

Acum, doar pentru că avem un picior distribuit şi ţepi nu înseamnă că poţi urca suprafeţe verticale. Asta e foarte, foarte dificil. Dar uitaţi-vă la acest animal făcând-o! Unul dintre cei pe care îi arăt trece căţărându-se pe această suprafaţă verticală care este o placă netedă de metal. Este extraordinar cât de repede poate să o facă -- dar dacă îl încetineşti, vezi ceva care e destul de extraordinar. Este un secret. Animalul efectiv se caţără alunecând şi priviţi -- şi o face, de fapt, groaznic, în ceea ce priveşte agăţarea de suprafaţă. Arătă, de fapt, ca şi cum înoată pe suprafaţă. În fapt, putem să modelăm acel comportament mai bine ca un fluid, dacă vă uitaţi la el. Piciorul distribuit, de fapt, funcţionează mai mult ca o vâslă.

Acelaşi lucru e valabil când am privit această şopârlă alergând pe nisip fluidizat. Priviţi picioarele sale. Chiar funcţionează ca o vârslă chiar dacă interacţionează cu o suprafaţă pe care în mod normal o considerăm ca un solid. Asta nu e diferit de ceea ce fosta mea student a descoperit când şi-a dat seama cum pot şopârlele să alerge pe apă. Puteţi să folosiţi asta ca să faceţi un robot mai bun? Martin Buehler a făcut-o -- care e acum la Boston Dynamics -- a luat ideea asta şi l-a făcut pe RHex să fie Aqua RHex. Deci, aici e RHex cu vâsle, acum convertit într-un robot care înoată incredibil de manevrabil.

Pentru suprafeţe dure, totuşi, animalele adugă gheare. Şi probabil le-ai simţi dacă l-ai apuca. L-ai atins?

CA: Am făcut-o.

RF: Şi se descurcă bine la agăţarea de suprafeţe cu aceste gheare. Mark Cutkosky de la Universitatea Standford, unul dintre colaboratorii mei, este un inginer extraordinar care a dezvoltat această tehnică numită Shape Deposition Manufacturing, prin care el a încastrat gheare chiat într-un picior artificial. Şi aici este versiunea simplă a unui picior pentru un nou robot pe care vi-l voi arăta într-un moment. Deci, pentru schiţa noastră, să ataşăm gheare. Acum, dacă ne uităm la animale, totuşi, pentru chiar a fi manevrabile pe toate suprafeţele, animalele folosesc mecanisme hibride, asta include gheare, şi ţepi, şi peri, şi ventuze, şi lipici, şi adezivitate capilară şi o grămadă de alte lucruri. Acestea sunt toate de la diferite insecte. Iată o furnică ce se caţără pe o suprafaţă verticală. Să ne uităm la acea furnică.

Acesta este piciorul unei furnici. Vedeţi perii şi ghearele şi această chestie de aici. Asta e când acest picior este în aer. Priviţi ce se întâmplă când piciorul merge pe sandwich-ul tău. Vedeţi ce se întâmplă? Ventuzele ies. Şi asta-i unde-i lipiciul. Aici, de dedesubt, este piciorul unei furnici, şi când ghearele nu se agată, acea ventuză iese automat fără ca furnica să facă nimic. Doar se extinde. Şi ăsta a fost un cadru greu de obţinut -- cred că este o poză a piciorului furnicii pe o coardă (aluzie la teoria corzilor). Deci e destul de greu de făcut. Asta e cum arată în plan apropiat -- aici e piciorul furnicii şi aici e lipiciul.

Şi am descoperit că acest lipici poate fi o interesantă mixtură în două faze. În mod sigur o ajută să stea prinsă. Deci, la schiţa noastră ataşăm nişte ventuze lipicioase. Acum, aţi putea crede că pentru suprafeţe netede ne luăm inspiraţia de aici. Acum, avem ceva mai bun aici. Gecko-ul este un exemplu grozav de nanotehnologie în natură. Acestea sunt picioarele sale. Sunt -- aproape arată extraterestru. Şi secretul, pe care se bazează, implică degetele lor păroase. Pot să alerge în sus pe o suprafaţă cu 1m/s, fac 30 de paşi în acea secundă -- cu greu poţi să-i vezi. Dacă încetinim, îşi prind picioarele la 8 milisecunde şi le desprind în 16 milisecunde. Şi când priveşti cum le detaşează, e bizar. Se decojesc de pe suprafaţă că şi cum ai desprinde o bucată de bandă adezivă. Foarte straniu. Cum se prind?

Dacă priveşti picioarele lor, au structuri ca nişte frunze numite linalae cu milioane de peri. Şi fiecare păr are cel mai rău caz de vârf despicat posibil. Are de la o sută la o mie de vârfuri despicate, şi asta este secretul, deoarece îi permite un contact intim. Gecko-ul are un miliard de astfel de vârfuri despicare de dimensiunea a 200 de nanometri. Şi nu se prind prin lipici, nici nu funcţionează ca scaiul, nici nu funcţionează cu sucţiune. Am descoperit că funcţionează doar prin forţe intermoleculare. Deci pentru schiţa noastră am despicat nişte peri. Asta a inspirat designul primului adeziv care se curăţă singur -- patentul a ieşit, sunt mândri să spunem. Şi aici e cea mai simplă versiune în natură şi aici e încercarea colaboratorului meu Ron Fearing la o versiune artificială a acestui adeziv uscat făcut din poliuretan. Şi aici e prima încercare de a-l face să funcţioneze cu ceva greutate.

Există un interes enorm în asta, într-o multitudine de domenii diferite. Vă puteţi gândi la o mie de posibile utilizări, sunt sigur. Mulţi oameni au făcut-o şi sunt încântaţi de a-l realiza ca produs. Am imaginat produse, de exemplu, acesta: am imaginat un plasture bio-inspirat, la care am scos lipiciul de pe plasture. Am luat câţi peri de la un gecko care năpârleşte; am pus 3 mănunchiuri din ei aici şi am făcut acest plasture.

Acesta este un student voluntar -- avem 30 000 de studenţi aşa că putem alege dintre ei -- asta-i de fapt doar o urmă de stilou roşu. Dar apare un incredibil plasture. Este aerat, poate fi dat jos uşor, nu cauzeză nici o iritatie, funcţionează sub apă. Cred că ăsta este un exemplu extraordinar de cum cercetarea bazată pe curiozitate -- doar ne întrebam cum se căţărau pe ceva -- poate duce la lucruri pe care nu le-ai imagina niciodată. Este doar un exemplu de ce avem nevoie să încurajăm cercetarea bazată pe curiozitate. Aici, dezlipind un plasture.

Deci am detaliat, acum, ce e un picior. Întrebarea e, putem să folosim aceste secrete, ca apoi să inspire designul unui picior mai bun, mai bun decât cel pe care îl vedem în natură? Iată noul proiect: încercăm să creăm primul robot care să caute şi să salveze -- fără sucţiune sau magneţi -- care poate să se mişte doar pe tipuri limitate de suprafeţe. Numesc noul robot RiSE, de la "Robot in Scansorial Environment" (Robot în mediu de căţărat) -- ăsta e un mediu de căţărat -- şi avem o echipă extraordinară de biologi şi ingineri ce crează acest robot. Şi aici e RiSE Are 6 picioare şi are o coadă. Aici e pe un gard şi un copac. Şi aici sunt primii paşi ai lui RiSE pe un plan înclinat. Aveţi sunet? Îl puteţi auzi urcând. Şi aici urcă la voi cu primii lui paşi pe un perete. Acum foloseşte doar cel mai simplu picior aici, aşa că asta e foarte nou. Dar ne gândim că am nimerit dinamica corectă a robotului.

Mark Cutkosky, în orice caz, o duce cu un pas mai departe. El e cel în stare să construiască acest picior şi aceste degete de la picioare cu tehnologia "shape-deposition manufacturing". Pasul următor e de a face degete maleabile şi de a încerca a adăuga ţepi şi gheare şi să-l pregătim pentru adeziv uscat. Deci, ideea e ca mai întâi să luăm degetele de la picioare şi un picior bun, să încercăm să-l facem să se caţere, şi în cele din urmă să le punem pe un robot. Şi asta e fix ce a făcut el. A construit, de fapt, un picior-bot inspirat de natură.

Şi aici e designul facut de Cutkosky şi de uimitorii săi studenţi. Deci, acestea sunt degete adaptate -- sunt 6 din astea, şi folosesc impreună toate principiile despre care am vorbit privind schiţa. Aşadar, acesta nu foloseşte nici sucţiune, nici lipici, şi, în cele din urmă, când e ataşat robotului -- este la fel de inspirat de biologie ca şi animalul -- ... să sperăm că va fi în stare să urce orice fel de suprafaţă. Aici îl vedeţi, în continuare, urcând o laterală a unei clădiri la Stanford. E mărită viteza -- din nou, e un picior urcător. Nu e întreg robotul încă, lucrăm la el -- acum puteţi vedea cum se ataşează. Aceste structuri adaptate permit ţepilor, tampoanelor de frecare şi în cele din urmă perilor adezivi să se prindă pe suprafeţe foarte provocatoare, dificile. Şi ei au fost în stare să obţină lucrul acesta -- aceasta este acum mai repede de 20 de ori -- v-o puteţi imagina urcând şi salvând pe cineva la acel etaj? OK? Puteţi vizualiza asta acum, nu este imposibil. Este o sarcină foarte provocatoare. Dar, mai multe vor veni mai târziu.

Pentru a încheia: am acumulat secrete de design de la natură uitându-ne la cum picioarele sunt construite. Am învăţat că trebuie să distribuim control părţilor mici. Nu puneţi totul în creier, ci puneţi o parte din control în tălpi adaptate, picioare şi chiar corp. Acea natură foloseşte soluţii hibrid, nu o singură soluţie la aceste probleme şi ele sunt integrate şi frumos robuste. Si in al treilea rând, credem cu tărie că nu vrem să mimăm natura, ci, în schimb, să fim inspiraţi de biologie şi să folosim aceste principii noi cu cele mai bune soluţii inginereşti care există pentru a face -- potenţial -- ceva mai bun decât natura.

Deci, există un mesaj clar: dacă te interesează cercetarea de bază, fundamentală a animalelor chiar interesante, bizare, minunate sau vrei să construieşti un robot de căutare şi salvare care să te ajute într-un cutermur sau să salveze pe cineva într-un incendiu sau te interesează medicina, trebuie să conservăm designurile naturii. Altfel aceste secrete vor fi pierdute pentru totdeauna. Mulţumesc.