罗伯特•福尔探索动物移动的奥秘

想象一下你是我实验室里的一个学生。 我想让你做一个由生物激发灵感的设计。 挑战是这样的： 我想让你帮我制造出一个全3D、参数化的动力接触模型。 翻译一下，意思就是能不能帮我造一只脚？ 这件事真的很有挑战，我确实需要你们的帮助。 当然，这是有奖励的。 不太算是TED奖品，但是我们实验室的特别版T恤。 所以请将你们关于如何设计一只脚的想法发个我。

好，如果我们想设计一只脚，需要做什么呢？ 首先我们需要知道脚是什么。 如果我们去查字典，字典上说：“脚是在站立及行走时， 腿的最末端直接接触地面的部位。” 这是传统的定义。 但如果你真的想要做研究，还要做什么呢？ 你必须还要去翻阅文献，看关于脚人们都知道了些什么。 所以你去查阅了文献。（笑）

也许你对这些作品很熟悉。 问题是，这里有很多很多只脚。 该怎么办呢？ 你需要去调查这所有的脚，并且从中提炼出它们是如何工作的理论。 在下一张图上，我就想让你来帮我做这件事。 当你看这张图时，请寻找理论。 而且考虑你要设计什么样的实验 才能帮助你明白这些脚是如何工作的。

看到有什么共同点了吗？共同的原理？ 你接下来要怎么做？ 要进行什么样的实验？ 哇。（鼓掌） 我们关于动物运动力方面的生物力学研究 使得我们可以为一只脚绘制出蓝图。 这是一个由自然启发而来的设计，不单单是复制你刚才看到的某只特定的脚， 而是综合了许多许多只脚的秘密。

现在人们发现动物哪儿都能去。 它们能在不同的情况下移动—— 这些变化因素包括接触形势，表面的运动 以及它们所呈现的不同的立足点。 若想要研究脚是如何工作的 我们就需要模仿这些表面，或那些碎片。 当我们进行模仿时，这里是我们做的一个新实验： 我们将一只动物放上去然后让它跑——这是一只草蛛—— 被放在一个99%的接触区域都被去除了的表面上。 但它甚至没有使动物的移动缓慢下来。 草蛛仍然以相当于人类300英里/小时的速度移动着。

它是怎么办到的？好吧，仔细的看。 当我们以50倍的速度将其放慢，就可以看到腿是如何接触那些仿制的碎片的。 腿发挥了脚的功能。 事实上，动物用腿的其他部位接触表面 比用传统定义界定的足频繁得多。 足分布在整条腿上。 你也可以做另一个实验，用一只带脚的蟑螂， 然后把它所有的脚都去掉。 我在分发一些蟑螂。来看看他们的脚是什么样子的。 没有了脚，这是他们继续做的事。它甚至都没有慢下来。 没有那个部分它们仍可以以同样的速度移动。 别为蟑螂担心——它们还能把脚长回来，如果你很在意。 它们是怎么做到的？ 仔细看：这是放慢100倍后的。 观察他们在用腿的其余部分做什么。 又一次，腿作为被广泛分布的足了。 很有效果。

现在问题是，到底有多少动物有类似的分布足？ 下面将要为你们展示的这个动物，我们第一次看时感到很震惊。 记者们，这可是没人报道过的，被禁止的—— 看那是什么！ 这个两足的章鱼试图佯装成一个可以滚动的椰子。 克里斯蒂娜•胡法德发现了它 这影片由海洋工作室（Sea Studios）在蒙特瑞拍摄的。

我们也关注了另一种双足章鱼。 这一只将自己伪装成了浮动的海藻。 它用两条腿走路然后将两只胳膊高举在空中，以保证不让其他生物看见。 （鼓掌） 看，当他们要通过崎岖不平的地面时是如何使用脚的。 它用它们那美丽的均匀分布的足，使得这些障碍好似不存在一般。 真的很特别。

1951年，埃舍尔画了这幅画。他觉得自己创造出了一个神奇的动物。 但是我们知道艺术模仿生命， 因此人们发现300万年前，自然进化孕育了要展出的这下一个动物。 这个像小虾的动物被称为口脚类动物， 这里是它如何在巴拿马的海滩上移动的： 它其实在滚动，而且竟然还能向上滚。 这最终是因为均匀分布的足；在这种情况下，它的整个身子都扮演着脚的角色。

所以我们为我们的蓝图上加上第一个重要的特征， 我们加上均匀分布的足。 不光是在传统的足部部位，也在腿上。 而且甚至是在身上。 这能启示我们设计出新的机器人吗？ 我们受到生物的启示所创造的机器人，叫做RHex, RHex在过去几年前由这些卓越的工程师创造出来。 RHex的脚一开始时非常简单， 但是它总是被修改，知道最后变成了这样的半圆形。 这是为什么？下面这段录像将为您解开疑惑。 看这个机器人，现在，当它如何用腿接触这些有障碍的地表，试图翻越过去。 你会看到，事实上，它用这半圆形的脚当做均匀分布的足了。 看它翻越这里。 你可以从这里看它穿过这些碎片。 非常棒。没有传感装置，所有的控制组件都装在这个谐调的腿中了。 很简单，但非常棒。

现在，你可能要关注这些动物的其他方面了， 当它们跑过崎岖不平的地表面时。 我的助手要帮我一下。 当你摸蟑螂的腿时——你能帮我把话筒递给他吗？ 当你摸蟑螂的腿时，有什么感觉？ 感觉到什么不同了吗？

男孩：很多刺。

罗伯特•福尔：很多刺，是吗？感觉很扎，对不对？有点疼。 也许我们应该把蟑螂给监护人，看他有没有勇气也摸一摸。 （笑）

克里斯•安德森：你摸过吗？

罗伯特•福尔：所以当你很仔细的观察，会发现上面真的有很多刺。 直到几周前，一直也没人知道这些刺是用来做什么的。 他们推测那些刺起到保护作用，是用来感知周围结构用的。 后来我们发现它们有别的功效——这里是一根刺的一部分 它们的构造使得它们都很容易向一个方向倒 把一条腿从碎片中拔出， 这些毛很硬，不会弯向另一个方向，因此可以对付不同的表面。

螃蟹不需要寻找立足点，因为他们通常在沙子上行走—— 知道他们被请入我们的实验室。 然后他们在这些网子上移动会遇到问题， 因为他们没有刚毛。 螃蟹由于没有刚毛，所以在这些不平整的表面上移动会显得不自在。 但当然，我们能帮助它们， 因为我们可以制造人工刚毛。 我们可以制造能够应付仿制碎片的刚毛 而且在我们不需要它们时还能很容易的拔出。 我们把这些人工的刚毛装在螃蟹腿上， 你看，我们测试一下。 我们真正明白调谐的原理了吗？答案是：对！ 这是放慢20倍后的，螃蟹飞速的横穿过这个模拟碎片。 （笑声）（掌声） 比自然形成的稍微好一些。

所以在我们的蓝图上，要加上具有调谐作用的刺。 这些可以帮助我们设计出更会爬墙的机器人吗？ 这里是RHex——RHex穿过轨道时遇到了麻烦——在平滑的轨道上，你看。 为什么不加一个刺呢？我的同事帮他加上了。 丹•柯蒂斯将一些钢钉——非常简单的型号——装在机器人上—— 于是现在的RHex，越过那些钢制的——轨道。没有问题！ 它是怎么做到的？ 我们放慢速度，你就能看到那些刺是如何工作的了。 看腿移动过来了，你看它刚好能抓稳。 以前它是办不到的，只会打滑、卡主然后翻倒。 现在再看一遍，就这样——成功。

现在只拥有有均匀分布的足以及刺 并不代表可以爬上垂直的表面。 这个真的非常，非常难。 但看动物们很多都会！ 有这样一个动物是在光滑的金属盘子表面向上爬。 它们的爬行速度快得惊人—— 看如果放慢速度，你会发现一些很神奇的事。 这是个秘密。动物很有效的利用滑动，看—— 事实上，很恐怖的是，它们在抓取表面。 看上去像从表面上游了上去。 我们其实可以将这一行为模仿为流动体的，如果你仔细观察。 这些分布式足事实上工作原理更像是桨。

当我观察蜥蜴在流态化的沙子上移动时，结果相同。 看它的脚。 事实上它起到了桨的作用。 即使它接触的表面通常被我们认为是固体。 这与我以前的一个本科生学生所发现的没有什么不同 当她发现蜥蜴是如何在水面上行走的。 可以利用这个制造更好的机器人吗？ 马丁•比埃勒进行了尝试——他现在在波士顿动力公司—— 他采用了这个点子并将RHex改造为Aqua RHex。 所以RHex有了蹚水的桨， 现在被改造为不可思议且操纵灵活的游泳机器人了。

然而对于粗糙的表面，动物为自己添加了爪子。 当你抓住它们时应该能感觉到这些爪子。 你有没有碰碰它？

CA：我碰了。

RF：它们可以很有效的利用这些爪子钳住表面。 斯坦福大学的马克•库特科斯基，我的一位同事，是一位杰出的工程师 他发明了一种技术叫做“形状沉积制造”， 利用这种技术，他可以将爪子嵌入人工足中。 这里有一个新机器人脚的简易版本。 在我们的蓝图上加上爪子。 现在让我们看看那些真正能在任何表面上移动的动物， 它们都要用到混合动力机制 包括爪子、刺、毛发、肉趾、胶、毛细管粘附 还有很多其他的东西。 这些都是来自不同的昆虫。 这里有一只蚂蚁在垂直的表面上往上爬。 让我们来观察一下这只蚂蚁。

这是蚂蚁的一只脚。你看这里有毛发以及爪子。 这是蚂蚁自然状态下的脚。 观察这脚放在你的三明治上会发生些什么。 看到发生了些什么了吗？ 这些垫伸展出来。这就是胶所在的地方。 这下面是一只蚂蚁脚。 当爪子不深入抓取时，垫会自动出来，不需要蚂蚁做任何事情。 它就自己被挤压了出来。 很难拍摄到这种状态——这大概是在超弦状态下拍摄的蚂蚁脚。 真的很难办到。 这就是近看的效果—— 这是一只蚂蚁脚，然后这里是胶状物。

而且我们发现这些胶状物可能是两种物质的混合物。 这显然可以帮助我们抓住墙壁。 所以要在我们的蓝图上添加粘胶垫。 现在你可以考虑光滑表面了，因为我们已经有了相应的灵感。 在这里我们有些更好的。 壁虎绝对是自然界中最好的纳米技术例子。 这些是他的脚。 他们看起来——甚至像外星人的脚。而且秘密在于 他们有毛茸茸的脚趾头。 它们可以以1米/秒的速度在表面上移动。 一秒钟内走30步——你几乎都看不到它们。 但如果我们将这一过程放慢，会发现它们的脚与表面接触时间仅为8毫秒， 而脚离开表面的时间仅为16毫秒。 当你观察它们是如何将脚与表面分开时，会感觉很奇怪。 他们把脚从表面撕开，就像你把胶带撕开一样。 很奇怪。他们是怎么粘上的？

观察他们的脚，你会发现这种叶状结构叫做linalae， 并且有成千上万的毛发。 而且每根毛都分叉极为严重。 又分了成百上千个叉。 这就是秘密，因为这样可以更为亲密的接触物体表面。 壁虎拥有10亿个这样200纳米大小的分叉。 它们不利用胶状物，不用尼龙搭扣，也不用吸附力。 我们发现它们只用分子间引力作用。 所以在我们的蓝图上，我们将一些毛发分叉。 这也为第一个具有自我清洁能力的胶提供了设计灵感—— 而且这一项目也申请了专利，我们很开心的宣布。 这里是自然界中最简单的版本。 我的同事罗恩•菲尔凌试图 利用聚氨酯制造这种人工干胶。 这是第一次试验将其粘在同样的表面上。

在很多领域里，人们都对其非常感兴趣。 我敢保证你能想出上千种用途。 很多人发现了这是一种产品，我们对此也很激动。 我们曾经想象过要制造这样的产品，比如： 由生物启发的创可贴，这样我们可以不用在创可贴上用粘胶。 我们在蜕皮的壁虎身上取得一些毛发； 将三卷毛发用在此处，制造出新的创可贴。

这是一位本科生志愿者—— 我们有三万个本科生，所以可以从他们之中挑选—— 这仅仅是个红色笔印。 但这方法真的制造出了不可思议的创可贴。 其中添注了二氧化碳，可以被轻易地揭掉，不会带来小困扰，而且还具有防水功能。 这是一个很好的例子，来说明有好奇心而且启发的研究—— 我们只是好奇它们如何爬上一些表面的—— 可以引领你发现一些想不到的事情。 这是一个例子来说明为什么我们需要支持那些由好奇心启发的研究。 现在你撕掉创可贴。

所以现在我们对脚重新进行了定义。 问题是，我们可否用这些秘密 来启发我们设计出比自然形成的更好的脚吗？ 这里有一个新的项目： 我们试图制造第一个可爬墙的搜索救援机器人——不用吸盘以及磁铁—— 可以在特定的表面上移动。 我称这个新机器人为RiSE, 是“攀登环境机器人”的简称——它可以爬墙。 我们共同制造这个机器人的小组中有杰出的生物学家以及工程师。 这就是RiSE。 它有6条腿和一条尾巴。这是它在一个篱笆上，还有在一颗树上。 这是RiSE在倾斜的表面走出的第一步。 你们有耳机吧？可以听到它往上走。 它在向你走来，第一次爬墙。 这里它仅仅用最简单的脚，所以很新。 但是我想我们已经理解了这个机器人的动力装置。

马克•库特科斯基将这个实验更进一步。 他可以利用形状沉积制造的技术来制造这些脚以及趾头。 下一步是要制造顺从听话的脚趾头。 然后加上刺和爪子，再加上干胶。 我们计划首先将脚趾和脚做好， 然后试图让脚能在墙上爬行，最后在其上面安装机器人。 他就是这么做的。 事实上，他制造出一个受自然启发的脚踏式爬墙机器人。

这就是特科斯基以及他令人佩服的学生的设计作品。 这些就是调谐的脚趾——有6个， 它们就将我刚才在蓝图上用到的原理综合起来。 没有用到吸盘，或任何胶状物， 最终，当它被装到机器人身上后—— 由动物启发而来—— 希望能在任何表面上爬行。 现在你看，接下来，它爬上斯坦福大学建筑的一面墙。 它加速了——它一直是用脚爬行。 这还不是全部的机器人，我们仍在继续努力—— 现在你可以看到它是怎么爬上去的。 这些调谐的结构使得所有刺、摩擦垫以及最终的黏贴式毛发 可以抓附住这些非常具有挑战性的表面。 所以它们现在可以爬墙了——这个机器人加速了20倍—— 你能想象它爬上去救在上层的人吗？ 你完全可以这么设想了，不是不可能。 这是一项非常具有挑战性的工作。但我们还有很多要做。

结束之际，我想说我们从自然中汲取设计灵感，当我们观察脚是如何构造时。 我们学到应该把能力分配到重要的地方。 别把想法都只放在脑子里， 而是去琢磨琢磨调谐的足，腿甚至身体。 自然界为解决这类问题都使用多种途径，绝不是单一途径， 这些途径都完美的结合在一起，而且十分有效。 第三，我们坚定的相信我们不要单纯模仿自然，而是要从生物中汲取灵感， 然后利用这些新的原理以及最好的工程解决方案 来制造——有可能——比自然更好的东西。

所以信息明确： 你很在意最基础的研究 关于那些有趣、奇怪而奇妙的动物， 或者你想制造一个可以用来搜寻以及营救的机器人 来帮助你在地震或火灾中救人 再或你对医药很感兴趣，总之我们必须保留大自然的设计方案。 否则这些秘密就将永远被丢失了。 谢谢。