Роберт Фулл: Учимся у хвоста геккона

Позвольте сегодня поделиться с вами оригинальным открытием. Я расскажу о нём так, как оно на самом деле происходило. На научной встрече, или в научной статье это было бы представлено в другом порядке. Это история идёт дальше биомиметики к тому, что я называю биомутуализмом. Под ним я понимаю взаимодействие биологии и другой науки, ведущее к взаимному их развитию и коллективным открытиям, невозможным ни в одной из составляющих наук. Сегодня, посредством биомиметики, технологии перенимают всё больше природных особенностей, и природа становится гораздо более полезным учителем. Технику можно вдохновить биологией, применяя её принципы и аналогии, когда они полезны. А затем объединить их с лучшими техническими идеями человека, чтобы в конце концов превзойти природу.

Я биолог, и меня это всегда интересовало. Вот это пальцы геккона. Нас заинтересовало, как же он с помощью столь странных пальцев столь быстро взбирается по стене. И мы нашли ответ. Мы обнаружили, что у него есть листоподобные образования на пальцах, с миллионами тонких щетинок, которые похожи на коврик. Каждая из щетинок сечётся самым страшным образом, имея от ста до тысячи секущихся кончиков нано-размера. У особи примерно 2 миллиарда секущихся кончиков нано-размера. Они не липнут с помощью липучки или присосок или клея. На самом деле их держат только силы межмолекулярного взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса. Я очень рад сообщить вам сегодня, что была создана первая синтетическая, самоочищающаяся, сухая липучка. Начиная с простейшей природной версии, одной ветви, мой соавтор-инженер, Рон Фиэринг, из Беркли, сконструировал первую искусственную версию. В этом участвовал и другой мой потрясающий соавтор, Марк Кутковски, из Стэнфорда. Он сделал щетинки больше, чем у геккона, но использовал те же общие принципы.

Вот первая проба. (Смех) Это Келлар Отэм, мой бывший аспирант, ныне - профессор в колледже Льюиса и Кларка, буквально жертвует своим первенцем для этого теста. (Смех)

А недавно вот что случилось.

Мужчина: Впервые человек взобрался, используя это [приспособление].

Диктор: Линн Верински, профессиональная альпинистка, кажется, преисполнена уверенности.

Линн Верински: Честно говоря, это совсем безопасно. Совсем-совсем безопасно.

Мужчина: Почему вы так думаете?

Линн Верински: Потому что я застрахована.

Диктор: С матрасом внизу, привязанная к страховочному тросу, Линн начинает 20-метровый подъём. Линн добралась до верха благодаря совершенному сочетанию Голливуда и науки.

Мужчина: Вы первый человек, официально имитировавший геккона.

Линн Верински: Ого! Вот это честь!

Роберт Фулл: Она это сделала на неровной поверхности. А вот эти были использованы на гладких поверхностях, две штуки, чтобы взобраться, подтягивая себя вверх. Вы можете попробовать их в холле, и посмотреть на этот материал, вдохновлённый гекконом. А вот у роботов тут возникает проблема, потому что они не могут отклеиться от поверхности. И вот что делает геккон: он буквально отдирает свои пальцы от поверхности, с высокой скоростью, при взбирании на стену.

Я необычайно рад представить вам сегодня новейшую версию робота, Стикибота, использующего новую сухую липучку с иерархической структурой. Вот собственно робот. И вот что он делает. Если присмотреться, можно увидеть, что он отклеивает пальцы в точности как геккон. Посмотрите на видео, как он взбирается по стене. (Аплодисменты) Вот как. Он может взбираться и по другим поверхностям, благодаря этой новой липучке, созданной группой из Стэнфорда при конструировании этого потрясающего робота. (Аплодисменты)

Ещё одна вещь, которую я хотел бы отметить: взгляните на Стикибота. Видите, что у него есть. Но это сделано не ради подражания геккону. Да, это хвост. Когда думаешь, что разгадал природу, случаются вот такие вещи. Инженеры сказали, что лазающие роботы при отсутствии хвоста падают со стены. И задали нам важный вопрос. Они сказали: "Вот это похоже на хвост". Хотя мы просто палку повесили. "Используют ли животные свои хвосты, когда они взбираются на стены?" Они отблагодарили нас, дав нам гипотезу для проверки, о которой мы бы и не подумали, будучи биологами.

Конечно, на самом деле, мы запаниковали, ведь будучи биологами, мы уже должны это знать. Мы сказали: "Ладно, а для чего же нужны хвосты?" Ну, к примеру, мы знаем, что в них хранится жир. Мы знаем, что ими можно цепляться за что-то. Пожалуй, лучше всего известно, что они обеспечивают статическое равновесие. (Смех) Он также может работать как противовес. Посмотрите на этого кенгуру. Видите хвост? Невероятно! Марк Рейберт построил прыгающего робота Униру. Он был неустойчивым без хвоста. Большинство хвостов ограничивают маневренность. Как у этого человека в костюме динозавра. (Смех) Мои коллеги решили проверить это ограничение: они увеличили момент инерции студента, прицепив ему хвост, и попросили его пробежать через полосу препятствий. В результате обнаружилось снижение результатов. Как вы бы и предсказали. (Смех) Конечно, это ведь пассивный хвост. А существуют и активные хвосты.

Вернувшись к этому исследованию, я вспомнил одно из замечательных выступлений на TED в прошлом, от Натана, об активном хвосте.

Видео: Мирволд считает, что динозавров, щёлкавших хвостами, интересовала любовь, а не война.

Роберт Фулл: Он говорил о хвосте как о плети для переговоров. Он также может быть использован для защиты. Весьма мощно. Мы решили ещё раз взглянуть на животное. Дали ему пробежаться по поверхности. Однако на этот раз мы добавили скользкий участок, который показан желтым. Смотрите справа, что делает животное с хвостом, когда поскальзывается. Это замедлено в 10 раз. А вот это с нормальной скоростью. Смотрите, как оно поскальзывается, и смотрите, что оно делает с хвостом. Его хвост активен и работает как пятая нога. Он добавляет устойчивости. Если он сильно поскользнётся, то вот что обнаруживается. Невероятно. У наших инженеров была отличная идея.

Но затем мы подумали: хорошо, хвост у геккона активный, но надо это заснять. Они взбираются по стене или на дерево. Добираются до верха и, допустим, там есть листва. Что случится, если они заберутся на нижнюю сторону листа, и подует ветер или мы его потрясём? Мы провели такой эксперимент, вот смотрите. (Аплодисменты) Вот что мы обнаружили. Это в реальном времени. Ничего не разобрать. Это замедленная съемка.

Мы обнаружили самое быстрое в мире выравнивание в воздухе. Для тех, кто помнит физику, это выравнивание с нулевым моментом импульса. Это как у кота. Коты ведь падают. И они это делают - крутят своё тело. А гекконы делают это лучше. И делают это с помощью хвоста. Они активно крутят хвостом, пока вращаются вокруг себя. И потом всегда приземляются в позе прилетевшего супермена. Тогда мы захотели проверить, правы ли мы, на физической модели, на роботе.

Для TED мы построили робота, вот там, прототип, с хвостом. Мы впервые попробуем выравнивание в воздухе с помощью хвоста на роботе. Осветите его, пожалуйста. А вот и он. И включите видео. Вот он. Работает в точности как у животного. Всё что нужно - взмах хвоста, чтобы выровнять себя. (Аплодисменты)

Конечно, мы перепугались, ведь животные не способны летать, тогда мы решили: "Так, поместим геккона в вертикальную аэродинамическую трубу, пустим воздух снизу вверх, установим прямо за стеклом площадку для приземления, ствол дерева, и посмотрим, что он будет делать. (Смех) Так мы и поступили. И вот что он делает. Ветер дует снизу. Это замедлено в 10 раз. Оно осуществляет равновесное планирование. Хорошо контролируемое. Это невероятно. И если сфотографировать, то видно, что это очень красиво. Более того, прямо во время скольжения в воздухе он маневрирует. И делает это с помощью хвоста, сгибая его в одну сторону для отклонения влево и в другую - для отклонения вправо. Мы так можем маневрировать. Затем - нам потребовалось снять это несколько раз, чтобы поверить - он делает ещё вот что. Смотрите. Он раскачивает свой хвост вверх и вниз, как дельфин. Он буквально плывёт в воздухе. Но посмотрите на передние лапы. Видите, что они делают? Что это означает для происхождения махового полёта? Может быть, он эволюционировал в попытках спуститься с деревьев и контролировать планирование. Дальше - больше. (Смех)

И нам стало интересно: "А может ли он маневрировать?" Вот площадка для приземления. Может ли он приземлиться прямо на неё? Прямо здесь, в аэродинамической трубе? Именно так оно и выглядит. Снизу вверх видно ещё лучше. Наблюдайте за животным. Определённо движется в сторону площадки для приземления. Смотрите на взмахи хвоста. Смотрите на это. Немыслимо.

Теперь-то мы действительно запутались. Потому что отчетов о планировании гекконов не было. Мы запаниковали: "Надо проверить в полевых условиях, действительно ли он это делает". Такого вы точно не увидите в фильмах о природе. Мы задумались: "А действительно ли они планируют в природе?" Мы отправились в леса Сингапура и Юго-восточной Азии. В следующем ролике вы увидите это впервые.

Вот настоящий ролик, настоящий исследовательский ролик планирующего животного - вот красная линия траектории. Смотрите в конец, чтобы увидеть животное. А затем, когда оно приблизится к дереву, смотрите на увеличенный фрагмент. И попробуйте рассмотреть приземление. Вот оно приземляется. Вот геккон в конце линии траектории. Видите его здесь? Здесь? Смотрите, как он спускается. Теперь смотрите сюда, и вы увидите приземление. Видели, как он приземлялся? Он действительно использует хвост. В точности как мы наблюдали в лаборатории.

Теперь вернёмся к мутуализму, предположив, что можно сделать активный хвост. А вот и первый активный хвост у робота, сделанного Boston Dynamics. В завершение, я думаю, нам нужно развивать биомутуализмы, которые увеличат скорость базовых открытий при своём применении. Чтобы этого достичь, нам надо коренным образом перестроить образование, сбалансировать глубину изучения с междисциплинарными связями. А также явно учить людей как вносить вклад и извлекать пользу из других дисциплин. И, конечно, нужны живые организмы и окружающая среда. Заботитесь ли вы о безопасности, поиске и спасении, или здравоохранении, нам нужно сохранить задумки природы, иначе эти секреты будут потеряны навсегда. И я очень оптимистичен по поводу того, что сказал наш президент. Благодарю. (Аплодисменты)