Роберт Фул о технике и эволюции

Здравствуйте. Можно, пожалуйста, первый слайд? Вопреки расчётам некоторых инженеров, пчёлы могут летать, дельфины могут плавать, а гекконы даже взбираться по самым гладким вертикальным поверхностям. За время этой короткой презентации я хочу дать вам возможность испытать глубокое волнение от открытия того, как конструирует свои творения природа. Я занимаюсь этим постоянно и не перестаю удивляться. И сегодня я хочу поделиться с вами хотя бы небольшой частью этих наблюдений. Сложность в наблюдении за природными инженерными решениями — и я расскажу вам о том, как мы их постигаем и используем. Сложность, собственно, в следующем вопросе: какие особенные характеристики позволяют животным передвигаться, в общем-то, где угодно? И если нам удастся разобраться, как мы сможем применить такие разработки?

Биологи, конечно же, ответят инженерам и всем остальным, что у живых организмов были миллионы лет чтобы найти верное применение; они впечатляют; они что угодно выполняют поразительно удачно. Итак, решение — это «био-мимикрия» — прямое подражание природе. Работая с животными, мы поняли, что как-раз этого делать не нужно, потому что эволюция использует принцип «достаточного качества», а не совершенствования. И ограничения в устройстве любого организма, если присмотреться, очень жёсткие. У природных конструкций невероятные ограничения. Только представьте себе. Если бы вы были инженером и я сказал бы вам, что вы должны сконструировать автомобиль, но в начале он должен быть вот такого размера, а затем он должен вырасти вот на столько, но в процессе роста он должен постоянно ездить. Теперь представтье, что вы как-то всё же построили автомобиль, и теперь я говорю вам, что ещё у него внутри должен быть завод, чтоб строить другие автомобили.

(Смех в зале)

И вам нельзя, совершенно нельзя, из-за предыстории и унаследованного устройства, начать с чистого листа. Итак, у организмов есть эта важная предыстория. В действительности эволюция работает скорее как жестянщик, чем как инженер. И понимание этого факта становится по-настоящему важным, если посмотреть на животных. Мы считаем, что инженер должен черпать вдохновение в работе природы. Необходимо открыть её основные принципы и затем использовать их аналоги, если они полезны. Это по-настоящему серьёзный вызов, потому что когда начинаешь изучать животных, изучать то, как они устроены, оказывается что они бесконечно сложны. И негде узнать о технологическом процессе, негде посмотреть историю чертежей. У них слишком много возможных движений суставов, слишком много мышц. Даже у простейших животных, даже у насекомых есть больше нейронов и связей, чем мы можем представить.

Как во всём этом разобраться? Ну, мы посчитали и выдвинули гипотезу, что вообще-то животные могут двигаться просто, если контроль их движений является частью качеств самой конструкции их тела. Мы обнаружили, что двух-, четырёх-, шести- и восьминогие животные прилагают к земле один и тот же тип усилия, когда движутся. Они все передвигаются как этот кенгуру, они прыгают. И механику их движения можно смоделировать системой пружин, которую мы и называем «система пружин», потому что мы биомеханики, а вообще-то она напоминает тренажёр «Кузнечик». Все животные движутся по тому же принципу, что эта пружина. Как это может быть? Одна нога человека работает, как две ноги бегущей рысцой собаки или как три ноги бегущего насекомого взятые вместе, или как четыре ноги бегущего краба. Движущая сила у этих животных различается, но принцип движения у всех одинаков. Почти у всех животных, которых мы рассмотрели. Хотя на следующей неделе — выдам вам маленький секрет — выйдет статья, где говорится, что некоторые очень большие животные, такие, как тиранозавр Рекс, вероятно не могли так двигаться, но об этом — на следующей неделе.

Интересным является также следующий факт: мы упомянули, что животные совершают прыжки вверх-вниз; и в нашей работе с «Pixar», когда мы обсуждали мультфильм «Приключения Флика», зашёл разговор о том, что персонажи изображены, как ходящие на двух ногах. Мы сказали им, что муравьи вообще-то могут передвигаться и в другой плоскости, на что нам задали вопрос: «Почему в таком случае вы моделируете движение животных только в вертикальной плоскости, если вы говорите нам, что они могут также двигаться и в горизонтальной?» Хороший вопрос! Никто из биологов никогда не строил таких моделей. Мы решили последовать их совету и смоделировать движение животного так же и в горизонтальной плоскости. Мы взяли три ноги и посчитали создаваемый ими импульс как для одной. Мы привлекли одних из лучших математиков в мире. Специалисты из Принстона работали над этой проблемой. И нам удалось создать модель, которая воссоздаёт не только прыжковое движение животного вверх-вниз, но ещё и прыжки из стороны в сторону вместе с этим. И оказалось — движение многих животных вписывается в такую схему. Почему для нас так было важно её создать? Потому что это очень интересно. Когда вы берёте эту модель и приводите её в движение, даёте ей толчёк, сталкиваясь с препятствием, она сама стабилизирует себя — не имея ни мозга, ни рефлексов — благодаря одной лишь структуре! Это прекрасная модель. Давайте оценим математическую красоту её формул.

(Смех в зале)

Хватит.

(Смех в зале)

Если посмотреть на бегущее животное, то окажется, что оно стабилизирует своё положение, обходясь в основном, пружинящими ногами. То есть их ноги и делают вычисления; в том смысле, что алгоритмы управления встроены в саму форму животного. Почему же нас не вдохновляют открытия подобные этому, да и сама природа? Человеческие технологии значительно отличаются от того, что создаёт природа, ну, или по крайней мере до сих пор отличались. Представьте себе обычного робота. Люди склонны конструировать большое, плоское, с прямыми углами, жёсткое, металлическое. С вращающимися механизмами и осями. С малым количеством моторов и сенсоров. Тогда как природа, напротив, стремится сделать компактным, с плавными линиями; всё гнётся, скручивается, с ногами и отростками; а так же много мышц и много сенсоров. Настолько это иной подход. Однако, вот что меняет всё, что действительно вдохновляет — я продемонстрирую вам следом — когда человек начинает применять технологии характерные для природы. И тогда она становится по-настоящему ценным наставником.

Вот один из примеров тому. Наше сотрудничество со Стэнфордом. Там была разработана новая технология — «Производство форм-носителей» (Shape Deposition Manufacturing). Эта технология позволяет смешивать разные материалы и выплавлять любую форму, закладывая в материал определённые качества. Стало возможным встраивать сенсоры и исполнительные механизмы в саму форму. Вот, например, нога. Прозрачная часть — жёсткая, белая часть — гибкая. И для этого не нужно ни осей, ни чего-либо подобного. Она просто прекрасно гнётся. Сама. Можно просто задать необходимые качества материала. Разработчики решили показать, на что способны, сконструировав маленького робота, которого они назвали «Ползун» (Sprawl). Наши исследования также вдохновили инженеров на создание ещё одного прыгающего робота. Он был собран конструкторами из Мичиганского университета и университета МакГилл. Робота назвали «Шестиног» (RHex); и он может работать автономно. Давайти перейдём к видео и посмотрим на некоторых животных в движении. А потом на некторых простых роботов, конструкторы которых черпали вдохновения в наших исследованиях. Сейчас вы видите то, чем занимались некоторые из вас сегодня утром. Вы, правда, делали это на улице, а не на беговой дорожке. А вот что устроили мы.

(Смех в зале)

Это таракан «Мёртвая голова». А это американский таракан, про которого вы думаете, что у вас на кухне такого нет. Это восьминогий сорпион. Шестиногий муравей. Сорокачетырёхногая многоножка. Как я уже говорил, ноги всех этих животных работают как пружины — их движение — это прыжки, посмотрите. Вот бежит краб-привидение с пляжей Панамы и Северной Каролины. Развивает скорость до четырёх метров в секунду, когда разгонится. В действительности он подпрыгивает и пролетает какое-то расстояние в воздухе. Посмотрите, как лошадь несётся. Мы обнаружили, что неважно, рассматриваем ли мы ногу человека, таракана, краба или кенгуру — у всех, рассмотренных на сегодня пружин, относительная жёсткость одна и та же. Какие же плюсы дают ноги-пружины, в чём их особенность? Мы собирались для начала выяснить обеспечивают ли они животным большую манёвренность и устойчивость. Для этого мы построили полигон, на котором были установлены препятствия высотой в три бедра животных, которых мы исследовали. Мы были уверены, что им не удастся пройти эту полосу препятствий. Но вот посмотрите, что произошло. Животное пробегает этот полигон даже не сбрасывая скорости. Оно легко движется с той скоростью, с которой хочет. Мы не верили своим глазам. То, что мы увидели, натолкнуло нас на мысль, что если создать робота с даже очень простыми ногами-пружинами, он будет гораздо манёвренней, чем все роботы, которые когда-либо создавлись ранее.

Вот первый пример такого подхода. По Стэнфордской технологии «Производство форм-носителей» был создан робот «Ползун» (Sprawl). У него шесть ног — слаженно работающие ноги-пружины. Он движется так же, как движутся насекомые. Посмотрите, как он проходит беговую дорожку. Отличительной чертой этого робота является то, что он ничего не видит, ничего не чувствует, не имеет мозга и несмотря на это — он может с лёгкостью преодолевать все эти препятствия. Это и есть технология закладывания качеств в форму. Это выпускник университета. Вот что он делает со своим дипломным проектом. Очень вынослив — даже когда студент вытворяет такое со своим проектом.

(Смех в зале)

А вот этот робот из университета МакГилл и Мичиганского университета. Это «Шестиног» (RHex). Впервые отправляется на тест-драйв.

(Смех в зале)

Принцип движения у него тот же. Просто у него шесть движущихся элементов. И шесть моторов. Синхронно работающие пружинящие ноги. Движется так же, как насекомые. Средняя нога движется синхронно с передней и задней ногами с другой стороны. Своеобразная попеременная тренога. И эти роботы могут справлятся с препятствиями так же, как это делают животные.

(Смех в зале)

Голос из зала: «Ох ты ж!»

(Аплодисменты)

Он может передвигаться по разным поверхностям. По песку, например. Мы ещё не доработали конструкцию ног окончательно, но об этом я расскужу вам позже. «Шестиног» отправляется в лес.

(Смех в зале)

Как и «Ползун», этот робот ничего не видит и ничего не чувствует. У него нет мозга. Это просто хорошо отлаженная механическая система, которая собрана из очень простых частей, но основана на фундаментальном принципе биомеханики животного. Голос из зала: «Я его обожаю, Боб.» Роберт Фул: «Вот он идёт по тропинке.» Я делал его презентацию в лаборатории ракетных двигателей НАСА. Они сказали, что они не могут пока спускаться в кратеры, чтобы посмотреть есть ли там лёд и определить есть ли жизнь на Марсе в конце-концов. И особенно это трудно сделать с помощью шагающих роботов, из-за их слишком сложной конструкции. И ни какие роботы не смогут. Затем выступил я. Показал им это видео с просто устроенным «Шестиногом». Чтобы окончательно убедить их, что на Марс можно лететь уже в 2011, я подкрасил видео в оранжевый тон, просто чтоб создать эффект присутствия на Марсе.

(Смех в зале)

(Аплодисменты)

Ещё одна причина, по которой животные так устойчивы и манёвренны в движении и могут передвигаться по самым разным поверхностям, состоит в том, что у них прекрасное сцепление с поверхностью. Сейчас я покажу вам геккона. Именно его мы изучали. Обратите внимание, как он держится. А сейчас я хочу вас проверить. Я покажу вам одно видео. На нём один из гекконов будет бежать по горизонтальной поверхности, а другой будет бежать вверх по стене. Попробуйте определить кто из них? Они бегут со скоростью метр в секунду. Кто думает, что тот, который слева, бежит по стене?

(Аплодисменты)

Трудно отличить, правда? Это невероятно. Мы задавали тот же вопрос студентам, и они тоже не смогли ответить. Геккон бежит по стене со скоростью метр в секунду. Пятнадцать шагов в секунду. Но выглядит это так, как будто он бежит по земле. Как ему это удаётся? Это поразительно. Тот, которого вы видите справа взбегал по склону холма. Как они это делают? У них удивительно устроенные пальцы. Они разворачиваются как праздничные свистелки, когда в них дуют, а затем создают с поверхностью сцепление, как клейкая лента. Если бы мы имели полоску клейкой ленты и сначала лепили её на стену, а потом отрывали, Мы бы делали то же самое, что геккон делает за счёт своих пальцев. Это просто невероятно. Мы работаем с компанией iRobot над созданием «механических гекконов» (Mecho-Geckos). Вот модель с ногами, вот на гусеничном ходу. А вот бульдозер. Давайте посмотрим, как двигаются гекконы на видео. А потом посмотрим короткое видео про роботов. Вот геккон бежит по вертикальной поверхности в реальном времени. Вот опять. Очевидно, что нужно замедлить запись немного.

Обычная камера здесь не подойдёт. Чтобы рассмотреть то, что нас интересует, нужно снимать 1000 кадров в секунду. Вот тоже самое видео снятое с такой частотой кадров. Обратите внимание на его спину. Видите, насколько она гнётся? Мы не можем понять, как это возможно. Это пока неразрешённая загадка. Мы не знаем каков механизм этого. Если у вас есть сын или дочь, которые хотели бы пойти в Беркли — отправляйте их ко мне лабораторию, может вместе мы разберёмся. Ладно. На самом деле они нужны мне в Беркли вот для этого. Внимание — беговая дорожка для гекконов!

(Смех в зале)

Это прозрачная беговая дорожка, с прозрачным движущимся полотном. Таким образом мы можем видеть стопы животного и снимать их на видео сквозь полотно дорожки, для того, чтобы пронаблюдать, как они движутся. Вот он бежит по вертикальной дорожке. Посмотрите на его ногу. На пальцы посмотрите. Видите, что он делает? Сначала он разгибает пальцы, а затем отрывает их. И делает он это за 14 миллисекунд. Невероятно! Вот роботы, к созданию которых нас подтолкнули наблюдения за гекконами — «МехоГекко» компании iRobot. Посмотрите как животные отрывают кончики пальцев. А вот как это работает у «МехоГекко». Робот использует чувствительный к давлению клейкий материал. И робот и геккон выполняют одно и то же действие — взбираются по плоской отвесной поверхности. Переходят со стены на потолок. А вот бульдозерная версия. В ней не используется чувствительный к давлению клеящий материал. Которым, кстати, не пользуются и животные. Но это всё, что мы смогли создать на настоящий момент.

Так как же всё-таки взбираются по отвесным поверхностям животные? Всё дело в устройстве их пальцев. Если вы присмотритесь к ним, то сможете различить маленькие листообразные образования. Если увеличить изображение, то можно будет увидеть тонкие бороздки, покрывающие эти «листья». Если увеличить картинку ещё в 270 раз, то становится видно, что всё это вместе похоже на коврик. Если увеличить ещё в 900 раз, то можно увидеть микроволоски, очень тонкие, и если вы присмотритесь ещё внимательней, то увидите, что и на волосках есть бороздки. А если увеличить ещё в 30 000 раз, то станет видно, что каждый волоск имеет разделённый кончик. Если увеличить и это, то вы увидите ещё более мелкие структуры этого кончика. Мельчайшие ответвления волосков выглядят как лопатки. И у обычного геккона есть миллиард этих разделённых нано-кончиков, которые обеспецивают ему очень хороший контакт с поверхностью. Взять диаметр вашего волоса — у геккона таких 2 миллиона и у каждого веник из 100 — 1000 разделённых кончиков. Представьте, какова при этом сила сцепления с поверхностью.

Нам посчастливилось работать с ещё одной группой в Стэнфорде. Они создали специальный управляемый сенсор, с помощью которого стало возможно измерить силу каждого отдельного волоска. Вот как этот с разветвлённым кончиком. Когда мы измерили эту силу, она оказалась огромна. Пучок волос примерно такого размера, т.е. нога геккона, грубо говоря, может с лёгкостью удерживать на весу маленького ребёнка! А это примерно 20 килограмм. Как же это возможно? Недавно мы поняли как. Думаете, это сила трения? Нет. Сила трения в данном случае слишком слаба. Электростатика? Нет. Можно изменить заряд, а сцепление с поверхностью никуда не денется. Может они цепляются, как застёжки-липучки? Такие как на одежде и обуви. И снова нет. Геккон бежит даже по молекулярно ровной поверхности. Может их ноги работают как присоски? Нет. Они бегут по стене и в вакууме. Гидростатика? Капиллярные силы? Нет. У гекконов нет какого-либо клея; они отлично цепляются и под водой. Мы пробовали помещать их ноги под воду — они карабкаются. Как же всё-таки это им удаётся? Хотите верьте, хотите нет — они карабкаются за счёт сил межмолекулярного взаимодействия, за счёт Ван-дер-ваальсовых сил.

Вспомните, когда-то вы проходили это по химии. Есть два находящихся близко друг к другу атома. Вокруг вращаются электроны. И этой силы притяжения достаточно, чтобы гекконы могли карабкаться по отвесной стене, потому что эта сила прилагается очень много раз — вспомните те микроструктуры на конце волосков. Вдохновлённые ими, мы попробовали их воссоздать с моим коллегой из Беркли. Совсем недавно мы совершили в этом направлении прорыв, скоро мы создадим первый синтетический, самоочищающийся, сухой клейкий материал. Многие компании уже интересуются им.

(Смех в зале)

Мы даже дали знать Nike.

(Смех в зале)

(Аплодисменты)

Посмотрим к чему приведут нас эти открытия. Нас обрадовало то, что мы обнаружили. Мы поняли, что в микромире всё притягивается и слипается, и гравитация больше не играет роли. Теперь нам нужно посмотреть на муравьёв и их ноги, потому что ещё один мой коллега в Беркли собрал шести-миллиметрового силиконового робота с ногами. Но он залипает. Он не может нормально передвигаться. Но муравьи же как-то могут! И мы поймём как. В конце концов, мы заставим его передвигаться. И представьте — у нас будет рой шести-миллиметровых роботов, способных бегать вокруг по делам. К чему это приведёт? Вы уже можете догадаться.

У Интернета уже есть глаза и уши. Веб-камеры и подобное. Но скоро у него появятся ещё и руки и ноги. Вы сможете выполнять программируемые задачи посредством таких роботов так, что вы сможете бегать, летать и плавать где угодно. Мы уже наблюдаем за такими разработками у Дэвида Келли с его рыбой. И в заключение, полагаю, вывод ясен. Если же вывод необходим, то он в следующем: кроме исследования природы можно использовать роботов в поисково-спасательных операциях, разминировании, медицине и многих других областях. Если мы хотим этого достичь — мы должны сохранить созданное природой, иначе её секреты будут утеряны навсегда. Спасибо.

Аплодисменты