Роберт Фулл о движении животных

Хочу, чтобы вы представили себя студентами моей лаборатории. Я попрошу вас придумать дизайн, идею которого вы возьмёте у природы. А задание такое: я прошу вас помочь мне создать 3D, динамическую, параметризированную модель контакта. А перевод всего этого означает: помогите мне построить ступню. И это, правда, задача из задач, а вас я прошу мне помочь. Конечно, в любом соревновании есть приз. Это не совсем приз TED, но это уникальная майка моей лаборатории. Итак, пожалуйста, присылайте свои идеи как сконструировать ступню.

Значит, если мы хотим разработать ступню, что нужно сделать? Сначала следует разузнать, что она есть такое. Если мы посмотрим словарь, то он сообщит, что это нижняя часть ноги, которая контактирует с землёй во время ходьбы или стояния. Это традиционное определение. Но, если мы решим провести исследование, что нужно делать? Мы можем обратиться к литературе и посмотреть, что там сообщается. Итак, идём к книжкам. (Смех)

Возможно, что эта литература вам знакома. Проблема в том, что на свете много-много ступней. И что же делать? Нужно проанализировать их, определить принципы их работы. И я прошу вас помочь мне это сделать, просматривая этот ролик. Пока смотрите клип, ищите принципы, думайте об опытах, которые вы можете сделать, чтобы понять, как работает ступня.

Нашли какие-то общие черты? Принципы? И что делать дальше? Какие эксперименты проводить? Ух ты! (Аплодисменты) Наше исследование биомеханики движения животных позволило нам создать имитацию ступни. Это дизайн, взятый у природы, но это не копия какой-то определённой ступни, показанной вам, это соединение секретов многих и многих разных стоп.

Выходит, животные могут двигаться везде. Они передвигаются по поверхностям, которые разнятся по вероятности контакта со стопой, по типу движения, по типу соприкосновения с поверхностью. И если вы решите выяснить, как работает стопа, то придётся имитировать эти поверхности или неровности. Вот наш опыт, который мы провели: мы пустили животное бежать — это воронковый паук... на поверхности, 99% которой — дырки. Но это никак не замедлило животное. Он продолжает бежать со скоростью, эквивалентной человеческим 480 км в час.

И как он это делает? Посмотрите повнимательнее. Если замедлить его в 50 раз, то мы увидим, как ноги отталкиваются от решётки. Нога работает как ступня. На самом деле, животное работает другими частями ноги больше, чем тем, что традиционно считается стопой. У него ступня распределена по всей длине ноги. Можно провести другой опыт: взять таракана со ступнёй и отрезать эту ступню. Я запускаю парочку тараканов по залу. Посмотрите на их лапки. Без ступни он вот что делает. Он даже не замедляется. Он может бежать с той же скоростью и без сегмента лапы. Никакой проблемы для таракана. И они могут отрастить их обратно, если вдруг вы запереживали. Как же они это делают? Посмотрите внимательно: это съёмка, замедленная в 100 раз. Смотрите, что он делает с оставшейся частью лапки. Он действует ей как распределённой ступней... очень эффективно.

И вопрос у нас такой возник: насколько обычной является распределённая ступня. Я покажу вам ещё одно поведение животного, которое поразило нас, когда мы сами это увидели. Журналисты, это вне протокола, накладываю эмбарго. Смотрите, что он делает! Это двуногий осьминог, который прикидывается перекати-кокосом. Его обнаружила Кристина Хаффард, а засняла Sea Studio прямо здесь в Монтерей.

Мы ещё нашли одного двуногого осьминожку. Этот притворяется дрейфующей водорослью. Он идёт на двух ножках, а ручки держит наверху, чтобы никто его не распознал. (Аплодисменты) И смотрите, что он делает ножками, когда преодолевает препятствия. Он использует эти стопы так, словно никаких препятствий и нет вовсе... действительно здорово.

В 1951 Эшер нарисовал это. Он думал, что отобразил фантазию животного. Но мы-то знаем, что искусство имитирует жизнь, и выясняется, что ещё 3 миллиона лет назад природа создала такой вид. Это креветко-образный стоматопод, семейство ротоногие, и так она передвигается по пляжам Панамы: то есть она перекатывается, даже переваливается вверх по холмам. Это альтернативный вид распределённой стопы, когда всё тело — ступня.

Итак, если хотите к нашему образцу добавить важную характеристику, то следует добавить распределённую стопу. Не обычную ступню, а ногу, даже тело. Может это помочь нам в дизайне нового типа роботов? Идея робота по имени RHex (Рекс) была взята из природы, создавалась этими гениальными инженерами в течение последних лет. Сначала нога Рекса была достаточно простой, но со временем она превратилась в этот полукруг. Почему так? Видео вам все объяснит. Смотрите, как робот соприкасается с неровной поверхностью. Видите, что он использует весь полукруг ноги как распределённую стопу. Смотрите, как он справляется. Можно здесь посмотреть, где есть препятствия. Поразительно. Нет никаких сенсоров, всё управление встроено прямо в ноги. Очень просто и красиво.

Возможно, вы заметили у животных кое-что ещё, когда они бегут по неровным поверхностям. Мой ассистент мне поможет сейчас. Когда ты трогал лапку таракана... Можно ему микрофон? Когда ты трогал лапку таракана, ты что-то почувствовал? Заметил что-нибудь?

Мальчик: Шипастый.

Роберт Фулл: Он шипастый, так? Правда, шипастый, даже почти больно. Может быть, нам дать нашему куратору таракана и посмотреть, хватит ли у него духу потрогать. (Смех)

Крис Андерсон: Ты трогал?

РФ: Итак, если внимательно посмотреть, то видны шипы, но ещё пару недель назад никто не знал для чего они. Предполагалось, что они для защиты или осязания. Но мы поняли, что они для другого — вот часть этого шипа. Они так устроены, что легко сгибаются только в одну сторону, чтобы выталкивать лапу из неровностей, но они негнущиеся в обратном направлении, чтобы цепляться за выступы.

У крабов нет нужды в ступнях, потому что они обычно ходят по песку... пока не попадают к нам в лабораторию. И начинаются у них проблемы с нашими ячейками, потому что у них нет шипов. Крабам не хватает шипов, поэтому им трудно на такой неровной поверхности. Но мы, конечно, разбираемся с этим, потому что мы можем снабдить краба искусственными шипами. Мы можем сделать шипы, которые будут цепляться за выступы, и сгибаться, чтобы их можно было легко вытащить из дырки. Мы так и сделали, добавив крабу искусственные шипы, и как видите, мы провели тест. Понимаем ли мы принцип такого улучшения? Наш ответ — да! Это замедленная до 20 кадров съёмка, краб просто проносится мимо по решётке. (Смех) (Аплодисменты) Даже получше, чем у природы.

Итак, к нашей модели стоит добавить усовершенствованные шипы. Поможет ли это нам разработать более эффективный дизайн робота-скалолаза? Ну, вот RHex (Рекс): у него проблема с рельсами — гладкие рельсы, видите. Почему бы не добавить шипы? Мои коллеги в университете Пенсильвании так и сделали. Дэн Кодишек вбил несколько стальных гвоздей — очень простая версия... в робота, и вот он Рекс снова, идёт через металл, через рельсы. Нет проблем! Как он это делает? Давайте замедлим и посмотрим, как работают шипы. Видите, как нога крутится, цепляется здесь. Она не могла сделать так раньше, она соскальзывала, застревала или переворачивалась. Смотрите ещё раз, здесь — успех!

Но только распределённая стопа и шипы не позволят взбираться вертикально вверх. Это очень-очень сложно. Но посмотрите на успех этого животного! Один из тех, которых я пустил по залу, ползёт по отвесной стене — гладкой металлической пластине. И поразительно, как быстро он может ползти... но, если замедлить, вы увидите нечто удивительное. Это секрет. Он так удачно взбирается вверх, соскальзывая, видите... то есть ужасно взбирается, если говорить о его умении цепляться за поверхность. Всё это похоже на плавание вверх по поверхности. Мы можем скопировать это поведение лучше в жидкости, если внимательно присмотреться. Распределённая стопа работает словно весло.

Похожую картину мы видим, наблюдая за ящерицей, бегущей по неплотному песку. Следите за лапами. Она действует как весло, несмотря на то, что движется по поверхности, которую мы считаем твёрдой. Всё это похоже на то, что открыла моя выпускница, когда поняла, как ящерицы могут бегать по воде. Можно это использовать для улучшения робота? Мартин Бьюдер так и сделал — он теперь в Boston Dynamics... он взял эту идею и из Рекса (RHex) сделал Аква Рекса (Aqua RHex). Вот он — Рекс с вёслами, удивительно манёвренный плавающий робот.

Но для неровных поверхностей у животных есть когти. И, наверное, вы их можете почувствовать, взяв в руки. Ты потрогал?

КА: Потрогал.

РФ: И они очень хорошо хватаются за поверхность коготками. Марк Куткоски из университета Стенфорда — один из моих коллег, уникальный инженер, разработавший технологию Shape Deposition Manufacturing [Формируешь пока создаёшь], может добавить когти прямо в модель ступни. Вот простая версия такой ступни для нового робота. Итак, к нашему образцу предлагаю добавить когти. Но для настоящей манёвренности животные в реальности используют смешанные типы механизмов, которые включают когти и шипы, волоски и подушечки, клей и сеть капилляров... и массу других вещей. Вот примеры от самых разных насекомых. Муравей, ползущий вертикально. Давайте взглянем на этого муравья.

Это его стопа. Видите волоски и коготки, и вот эту штуку? Это когда ножка находится в воздухе. Смотрите, что происходит, когда стопа опускается на ваш бутерброд. Видите? Подушечка выскакивает. А в ней клей. Это вид внизу на лапку муравья, когда коготки не цепляются, подушечка вываливается сама по себе. Просто выдавливается наружу. И понять всё это было непросто — это вклад муравья в теорию суперструн. Сложно было это заснять. Вот вид ближе: это стопа муравья, а это — клей.

И мы обнаружили, что клей — очень интересная двусоставная смесь. Конечно, она помогает прикрепляться. К нашей модели мы добавим несколько липких подушечек. Конечно, можно считать, что идеи для гладкой поверхности мы уже нашли. Но у нас есть кое-что ещё. Геккон — прекрасный пример нанотехнологий в природе. Это его стопы. Они ... почти как инопланетянские. А секрет их липучести в волосках на пальцах. Геккон может бежать вверх один метр в секунду, то есть за секунду сделать 30 шагов... мы даже не увидим их. Но если замедлить: они прикрепляют ступню за 8 миллисекунд, а отрывают за 16 миллисекунд. А если посмотреть, как они отрывают ногу, то с ума можно сойти. Они её отдирают, как мы сдираем кусок липкой ленты. Очень странно. Но как они прикрепляются?

Если посмотреть на стопы, то у них форма листочка, она называется линалае (цепколапостью), на которой миллионы волосков. А на каждом кончике волоска — бесчисленное множество микро-щетинок. Там сотни, тысячи щетинок на кончиках, в этом и есть секрет, который позволяет плотно прикрепляться. У геккона миллиарды таких 200-нанометровых щёточек на каждом волоске. И нет никакого клея, они не работают как липучка Velcro, они не присасываются. Они работают только за счёт межмолекулярных связей. Итак, к нашей модели мы добавим волоски со щёточками на кончиках. Это даже вдохновило на создание первого в мире сухого самоочищающегося пластыря... Мы рады сообщить, что патент получен. А вот простейшая версия в природе, а вот попытка моего коллеги Рона Феаринга создать искусственную копию сухой липучки из полиуретана. А вот первая попытка испробовать его в деле и с нагрузкой.

Интерес к этому изобретению огромный в разных областях. Можно придумать сразу тысячи применений, я уверен. Многие люди уже придумали, а мы теперь пытаемся из идей создать товар. Мы придумали такой, например, продукт: мы придумали био-лейкопластырь без клея. Мы взяли несколько волосков у геккона во время линьки, положили их сюда в три ряда, а потом сделали пластырь.

Это наш доброволец-студент... у нас 30 тысяч студентов, поэтому нам есть из кого выбирать... но на самом деле, это просто черта красной ручкой. Но получился прекрасный лейкопластырь. Он дышит, его легко отодрать, он не вызывает раздражения и не боится воды. Я полагаю, что это поразительный пример того, как любопытство в исследовании — когда мы решили узнать, как геккон движется вверх — может привести к таким открытиям, которые никогда никто не вообразил. Вот почему важно поддерживать любопытство во время исследований. Вот, сдираем пластырь.

Итак, мы дали новое определение ступне. Вопрос остаётся: можем ли мы использовать все эти секреты, чтобы создать лучшую стопу, чем создала природа? Вот наш новый проект: мы пытаемся сделать первого поисково-скалолазного-робоспасателя — без присосок или магнитов... который двигается только по определённому типу поверхностей. Я назвал нового робота Райз (RiSE) — Робот, сканирующий поверхности для карабканья... и создаёт его прекрасная команда биологов и инженеров. А вот и Райз (RiSE). У него шесть лап и есть хвост. Вот он на заборе и на дереве. А это его первые шаги по наклонной. Есть звук? Вот, можно послушать его шаги. А это он идёт на вас, первые шаги вверх по стене. Он пока пользуется простыми стопами, всё ещё очень новое. Но динамику, принцип его движения, мы угадали верно.

Марк Куткоски, тем не менее, продвинулся дальше. Он создал «формируй, пока создаёшь» модели стопы и пальцев ноги. Следующим шагом будет создание гибкого, послушного пальца ноги, и попытка добавить к нему шипы, когти и сухой пластырь. Итак, сначала нужно правильно сделать стопу и пальцы на ней, попытаться, чтобы она ползла вверх, потом приделать её к роботу. Именно так он и сделал. Он сконструировал скалолазного ного-робота, взял идею у природы.

Вот Куткоски и студенты, и их поразительный дизайн. Это улучшенные пальцы — шесть штук, в них использованы принципы, о которых я упоминал, когда говорил вам о модели. Не используются ни присоски, ни клей, и, всё это, в конечном счёте, когда прикреплено к роботу... это — вдохновение, данное живой природой, животными... наверное, сможет взбираться по любой поверхности. Здесь вы видите, как он идёт вверх по стене здания в университете Стэнфорда. Он ускоряется..., опять, это стопа скалолазит. Мы смотрим на ещё не полностью готового робота... вот, сейчас видно, как он прикрепляется. Это модифицированная структура позволяет шипам, подушечкам для трения и липучим волоскам хвататься за трудные, разные поверхности. И удалось создать эту штуку... вот, ускоренная в 20 раз съёмка... можете представить, как он забирается вверх и спасает кого-то на верхнем этаже? Можно представить себе такую картинку, нет ничего невозможного. Конечно, задача трудная. Но то ли ещё будет.

И в заключение: мы узнали секреты дизайна природы, рассматривая, как устроены стопы. Мы поняли, что нужно распределять контроль на важные части ноги. Нельзя все впихивать в мозг, какую-то часть контроля стоит иметь в модифицированной стопе, ноге, даже в теле. Природа использует гибридные решения, а не один рецепт для всего, и эти решения совмещают красоту и здравый смысл. И в-третьих: мы верим, что нам не стоит копировать природу, а просто брать идеи из биологии, и использовать эти новые принципы для улучшения инженерных решений, чтобы создавать... потенциально... нечто лучшее, чем в природе.

Вот моё заявление: если вам интересны фундаментальные, серьёзные исследования очень странных, удивительных, прекрасных животных или вы хотите построить поисково-спасательного робота, который будет помогать во время землетрясений, спасать во время пожара, или вас интересует медицина — везде нам следует основываться на дизайнах из мира природы. В противном случае эти секреты потеряются навсегда. Спасибо.