Robert Full：壁虎尾巴的学问

今天，我将与你们分享一个独立发现的故事。 我想告诉你们这个发现究竟是如何发生的。 而不像科学会议， 或是文献中介绍的故事。 这个发现的领域超越了传统的仿生学， 我把它称作Biomutualism。 它是生物学与另一门学科 相互促进、发现的科研方法。 其共同研究的成果非任何单一学科所能及。 就仿生学来说， 在人类科技不断学习、仿制自然的过程中， 大自然成为了一个越来越有益的老师。 比如工程师常在生物学中寻找启发， 借鉴自然中实用的原理和相似的现象。 他们将这些启发与最好的工程方法相结合， 才得以设计出超越自然界灵感来源本身的产品。

作为生物学家，我对这样一个过程很好奇。 这是壁虎的脚趾。 我们很想知道壁虎是如何用这些奇怪的脚趾来 飞快地爬墙。 我们已经找到了答案。 它们趾上有许多这样叶状的结构 每一片上有上百万这样非常小的刚毛。 每一条刚毛还被最大可能的分叉， 大约100至1000个这样纳米级的分叉。 这条壁虎有20亿左右这样的刚毛端。 它们并不是用于吸力、粘力或是尼龙搭扣的摩擦力。 它们的吸附能力仅仅依靠分子间的作用力， 也叫做范德华力。 今天我很高兴地告诉大家 利用这个原理设计的自洁式干性黏结材料已经制成。 从刚毛分叉这个简单的自然现象， 我在伯克利的工程合作伙伴Ron Fearing 发明了壁虎趾的合成版本。 另一个出色的合作伙伴也发明了相似的材料， 他是斯坦福大学的Mark Cutkosky。 尽管他用了比壁虎更大的刚毛 但是工作原理却没有变。

这是第一次测试。 (笑声) 这位是我曾指导过的博士Kellar Autumn， 现任路易斯－克拉克大学教授， 为了测试甘愿牺牲自己的长女。 (笑声)

这是最近的一次试验。

采访对象：这是这种材料第一次被用于攀墙。

解说：这位是专业攀登选手Lynn Verinsky 她充满了信心。

Lynn Verinsky：老实说，这将是一次非常安全的试验。

记者：你怎么知道？

Lynn Verinsky：因为我买了保险。

解说：在墙下放好床垫并系上安全绳， Lynn开始了60英尺的攀登。 Lynn在好莱坞与科学完美的结合下 成功到达了顶端。

记者：你是第一个成功模仿壁虎的人。

Lynn Verinsky：哈！喔。这让我觉得很特别。

Robert Full：这次试验是在粗糙墙壁上进行的。 她在光滑表面 也用这两个爬到过顶。 会后大家可以在大厅中自己尝试， 看看这些仿壁虎材料。 要让机器人这么做有个问题 它们用这种材料粘上了以后 松不开。 这是壁虎的解决方法。它们在爬墙时 很快地从接触面 把趾剥开。

今天我很兴奋地展示给你们 一个崭新的机器人，Stickeybot。 它配备有仿壁虎的干性黏结材料。 这就是我说的机器人。 它是这样工作的。 请看， 它可以 剥开趾尖， 和壁虎一样。 看它在录像中攀墙。 （鼓掌） 看。 它适用与各种表面。 因为斯坦福研究组发明的新型黏结材料 用在了它的设计上。 （鼓掌）

哦。还有一点要指出的，Stickybot 它身上还有一样东西，不只是为了让它看起来像壁虎。 它有一条尾巴。当你刚自以为了解了自然， 新的问题又来了。 设计它的工程师们告诉我们，用于攀登的机器人 如果没有尾巴 一定会从墙上摔下来。 他们向我们提出了一个 重要的问题。 他们说：“这个看起来像一个尾巴。” 尽管这只是一个不能运动的塑料杆。 “动物们在攀登中也用尾巴么？” 这些工程师做的叫做“礼尚往来”， 还给我们一个可以测试的假设， 而这个假设并没有在生物学界被考虑过。

当时，我们自然的很紧张， 作为生物学家，我们应该知道问题的答案。 所以我们自问：“尾巴有什么用？” 我们知道尾巴被用来储存脂肪， 用作附肢。 可能最为大家所知的 是尾巴在保持静态平衡上的作用。 （笑声） 它也可以被用作配重。 看这只袋鼠。 看那条尾巴，多么惊人！ Marc Raibert设计了一个跳跃机器人Uniroo。 在没有尾巴的情况下，它无法保持平衡。 但另一个方面，尾巴限制了机动性。 像这个穿恐龙服的人。 （笑声） 我的同事还专门测试了这个限制。 通过增加一位学生的转动惯量，模拟尾巴的影响。 学生在障碍跑时 机动性明显地降低了。 正如你所预料的。 （笑声） 但这是一个不能动的被动尾巴。 你也可以有一条能动的主动尾巴。

我回去思考这个问题时，突然想到 在此前TED上 我与Nanthan 讨论过能动的尾巴。

录像：Myhrvold认为有长尾巴的恐龙 兴趣在于交配，而非打斗。

Robert Full：他（Nanthan）介绍尾巴被当作鞭子用于交流。 用于自卫。 很有力。 回到实验室，我们开始观察壁虎。 让它攀登一个垂直表面。 但在表面上端有一节是会打滑的， 也就是录像中黄色部分。 再看右边，看它打滑后 是如何用它的尾巴的。这是放慢10倍后。 这是正常速度。 看它打滑， 看它的尾巴。 它的主动尾巴被用作第五条腿。 帮助保持平衡。 如果让壁虎打滑得更多的话，我们就会看到这样。 真是难以置信。 可见工程师们想了一个很好的主意。

之后我们想： 行，它们有一条能动的尾巴，让我们想像一下。 壁虎在爬墙，或是树。 到了顶上，我们假设那里有一些叶子。 当它们爬到了叶子的反面 如果刚好有风，或者我在摇树会怎样？ 可以看到，我们做了这样的试验。 （鼓掌） 这是我们的发现。 正常速度，什么也看不到。 但是减速之后

我们发现了世界上最快的空中姿势矫正反应。 还记得物理的听众知道这是一个零角动量的 姿势矫正。像猫一样。 猫在自由落体的时候，做相似的动作。它们扭转躯干。 但壁虎做的更好。 它们利用尾巴。 在尾巴转圈的同事纠正姿势。 所以它们总是依像超人一样空中飞人的姿势落地。 我们进一步想到，如果这是真确的， 应该可以用在机器人上。

我们特地为TED制作了一个机器人， 在那边，一个有尾巴的机器人原型。 我们将在这里尝试在机器人上的第一次 空中姿势矫正试验。 给灯光。 开始⋯⋯ 放录像。 看。 和壁虎尾巴的原理一样。 只要甩动尾巴就可以纠正自己的姿势。 （鼓掌）

当然，我们对此非常吃惊 因为壁虎没有滑翔的能力， 所以我们想：“没问题，把壁虎放在垂直的风洞中。” 向上吹风，在风洞边放一根树干作为目的地， 看它怎么办。 （笑声） 我们就这么做了。看壁虎如何应对。 风从下往上吹。放慢10倍。 它在水平滑翔。控制得非常好。 令人难以置信。在照片上， 也很优美。 还有更有趣的，它还可以在空中机动。 用它的尾巴， 向一边甩动转向左，向另一边甩动，转向右。 可以这样机动。 我们拍摄了很多次，才相信眼前所见。 看，它还可以这样。 像海豚一样上下摆动尾巴。 在空中游动。 但注意它的前腿。看的出来它在做什么么？ 联想这个动作对于研究飞行起源的意义。 也许飞行是动物从树上坠落， 试图控制滑翔而进化而来的。 这个问题值得关注。 （笑声）

我们又想：“壁虎真的能靠尾巴这样机动么？” 这是叶子做的目的地。它们有没有能力滑翔过去呢？ 在风洞里。 貌似可以。 从上往下的角度更清楚。 看它。 绝对是向目的地在机动。 看它的尾巴。 难以置信。

我们被弄糊涂了。 因为文献中并未记录壁虎拥有滑翔的能力。 所以我们决定，一定要去野外 看是否如此。 这个自然和大家在自然纪录片中看到的顺序截然相反。 我们想：“自然界中，这种壁虎是否滑翔。” 我们前往东南亚新加坡的森林中。 下一个短片是我们第一次展示。

这个短片没用道具，没有作假，是第一手的科研数据。 红色是它的滑翔轨迹。 结尾可以更清楚的看到壁虎。 当它接近树干时， 看放大部分。能不能看到它着陆。 这是它在下降。轨迹末端可以看到一只壁虎。 看到没有？看它滑落。 现在注意看着陆，看到没有？ 它确实用上了尾巴。 和我们实验室里看到的一样。

继续一开始和工程师的互助互利， 建议他们设计一条能动的尾巴。 这是机器人上第一条能动的尾巴， 由波士顿动力公司研制。 总结来说，我认为要进一步像我所介绍的这样，增强生物与其他学科的互动， 加快基础科学的研究与应用。 要做到这点，我们需要从根本上从新设计我们的教育， 在深度与跨学科交互两个方面做到平衡。 专门训练能在多学科获利并贡献的人才。 当然，同时还需要良好的生态与环境。 无论你关心国防、搜寻与救护还是医疗， 我们要保护自然， 不然自然界的秘密将被永远埋没。 就我们新总统的态度来看， 我很乐观。谢谢。 （掌声）