Αυτό είναι το Pleurobot.
Είναι ένα ρομπότ που σχεδιάστηκε να μιμείται πιστά ένα είδος σαλαμάνδας
που ονομάζεται Pleurodeles waltl.
Το Pleurobot μπορεί να περπατήσει, όπως βλέπετε,
και όπως θα δείτε αργότερα, να κολυμπήσει.
Ίσως αναρωτηθείτε γιατί σχεδιάσαμε αυτό το ρομπότ;
Έχει σχεδιαστεί ως επιστημονικό εργαλείο για τη νευροεπιστήμη.
Πράγματι, το σχεδιάσαμε μαζί με νευροβιολόγους
για να κατανοήσουμε πώς κινούνται τα ζώα
και ειδικά πώς ο νωτιαίος μυελός ελέγχει τη μετακίνηση.
Όσο περισσότερο εργάζομαι στη βιορομποτική,
τόσο περισσότερο εντυπωσιάζομαι με την κίνηση στα ζώα.
Αν το σκεφτείτε, το δελφίνι που κολύμπα ή η γάτα που τρέχει ή κάνει άλματα
ή ακόμα και εμάς τους ανθρώπους
όταν κάνουμε τζόκινγκ ή παίζουμε τένις,
κάνουμε καταπληκτικά πράγματα.
Για την ακρίβεια, το νευρικό μας σύστημα λύνει ένα πολύπλοκο πρόβλημα ελέγχου.
Πρέπει να συντονίσει τέλεια περίπου 200 μύες,
γιατί αν ο συντονισμός είναι κακός, πέφτουμε ή παραπατάμε.
Στόχος μου είναι να καταλάβω πώς λειτουργεί αυτό.
Υπάρχουν τέσσερα βασικά στοιχεία στη μετακίνηση των ζώων.
Το πρώτο στοιχείο είναι απλά το σώμα
και δεν πρέπει ποτέ να υποτιμούμε
τον βαθμό που η βιο-μηχανική απλοποιεί την κίνηση των ζώων.
Μετά, έχουμε τον νωτιαίο μυελό,
όπου θα βρούμε τα αντανακλαστικά,
πολλαπλά αντανακλαστικά φτιάχνουν έναν βρόχο αισθητικο-κινητικού συντονισμού
μεταξύ νευρικής δραστηριότητας στο νωτιαίο μυελό και μηχανικής δραστηριότητας.
Το τρίτο στοιχείο είναι οι κεντρικές γεννήτριες μοτίβων.
Αυτές είναι πολύ ενδιαφέροντα κυκλώματα στον νωτιαίο μυελό των σπονδυλωτών ζώων
που αυτο-δημιουργούν,
πολύ συντονισμένα ρυθμικά πρότυπα δραστηριότητας,
ενόσω λαμβάνουν πολύ απλά σήματα εισόδου.
Αυτά τα σήματα εισόδου
έρχονται απ' τη φθίνουσα διαμόρφωση υψηλότερων μερών του εγκεφάλου,
όπως ο κινητικός φλοιός, η παρεγκεφαλίδα, τα βασικά γάγγλια,
ρυθμίζουν τη δραστηριότητα στον νωτιαίο μυελό
ενόσω μετακινούμαστε.
Το ενδιαφέρον είναι ο βαθμός και μόνο ενός χαμηλού επιπέδου συστατικού,
του νωτιαίου μυελού μαζί με το σώμα,
που λύνει ένα μεγάλο μέρος του προβλήματος κίνησης.
Πιθανότατα γνωρίζετε ότι αν κόψετε το κεφάλι μιας κότας
μπορεί να τρέξει για λίγο,
αποδεικνύει ότι μόνο το κάτω μέρος, νωτιαίος μυελός και σώμα,
έχει ήδη λύσει ένα μεγάλο μέρος της μετακίνησης.
Η κατανόηση αυτής της λειτουργίας είναι περίπλοκη,
γιατί πρώτα απ' όλα
η καταγραφή δραστηριότητας νωτιαίου μυελού είναι δύσκολη.
Είναι πιο εύκολη η τοποθέτηση ηλεκτρόδιου στον κινητικό φλοιό
από το νωτιαίο μυελό, επειδή προστατεύεται από τους σπονδύλους.
Ειδικά στον άνθρωπο, είναι δύσκολο.
Η δεύτερη δυσκολία έγκειται στην πολύ περίπλοκη
και δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των τεσσάρων στοιχείων.
Είναι πολύ δύσκολο να φανεί ποιος είναι ο ρόλος καθενός χρονικά.
Σε αυτό το σημείο βιορομπότ, όπως το Pleurobot, και μαθηματικά μοντέλα
μπορούν πραγματικά να μας βοηθήσουν.
Τι είναι τα βιορομπότ;
Τα βιορομπότ είναι ένα ενεργό πεδίο έρευνας στη ρομποτική,
όπου ο άνθρωπος θέλει να εμπνευστεί από τα ζώα
για να περπατήσουν τα ρομπότ,
όπως τα ρομπότ υπηρεσίας, αναζήτησης και διάσωσης
ή ρομπότ πεδίου.
Εδώ ο μεγάλος στόχος είναι η έμπνευση από τα ζώα,
ώστε να περπατούν τα ρομπότ σε σύνθετο έδαφος --
σκάλες, βουνά, δάση,
μέρη όπου τα ρομπότ αντιμετωπίζουν δυσκολίες
και όπου τα ζώα κάνουν πολύ καλύτερη δουλειά.
Το ρομπότ είναι ένα υπέροχο επιστημονικό εργαλείο.
Υπάρχουν μερικά ωραία έργα όπου χρησιμοποιούνται ρομπότ,
όπως στη νευροεπιστήμη, στη βιο-μηχανική ή στην υδροδυναμική.
Αυτός είναι ακριβώς ο σκοπός του Pleurobot.
Στο εργαστήριό μου συνεργαζόμαστε με νευροβιολόγους,
όπως ο Ζαν-Μαρί Καμπελγκέν, νευροβιολόγος στο Μπορντό της Γαλλίας,
για τη δημιουργία μοντέλων νωτιαίου μυελού και την εφαρμογή τους στα ρομπότ.
Θέλουμε κάτι απλό.
Έτσι ξεκινάμε με απλά ζώα,
όπως οι σμέρνες, που είναι πολύ πρωτόγονα ψάρια,
και προχωράμε σταδιακά σε πιο περίπλοκη μετακίνηση,
όπως της σαλαμάνδρας,
αλλά και της γάτας και του ανθρώπου,
στα θηλαστικά.
Εδώ, το ρομπότ γίνεται ένα ενδιαφέρον εργαλείο
για την επικύρωση των μοντέλων μας.
Για εμένα, το Pleurobot είναι ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα.
Πριν από 20 χρόνια δούλευα σε έναν υπολογιστή
προσομοιώνοντας κινήσεις σμέρνας και σαλαμάνδρας
για το διδακτορικό μου.
Αλλά πάντα ήξερα ότι οι προσομοιώσεις μου ήταν μόνο προσεγγίσεις.
Όπως, προσομοιάζοντας τη φυσική στο νερό ή στη λάσπη ή στο σύνθετο έδαφος,
είναι πολύ δύσκολο να προσομοιωθεί σωστά στον υπολογιστή.
Γιατί να μην δοκιμάσουμε με αληθινό ρομπότ;
Η σαλαμάνδρα είναι ένα από τα αγαπημένα μου ζώα.
Αν αναρωτηθείτε γιατί, ο λόγος είναι ότι ως αμφίβιο,
είναι πραγματικά ζωτικό από εξελικτική άποψη.
Συνδέει άψογα το κολύμπι,
όπως στα χέλια ή στα ψάρια,
με την τετραπλούσα κίνηση που έχουν τα θηλαστικά, γάτες και άνθρωποι.
Στην πραγματικότητα, η νέα σαλαμάνδρα
μοιάζει στην αρχική των χερσαίων σπονδυλωτών,
σχεδόν ένα ζωντανό απολίθωμα,
που μας δίνει πρόσβαση στον πρόγονο,
ο πρόγονος σε όλα τα επίγεια τετράποδα.
Λοιπόν, η σαλαμάνδρα κολυμπά
κάνοντας χελιοειδής κίνηση,
διαδίδοντας ένα ωραίο κύμα μυϊκής δραστηριότητας από το κεφάλι στην ουρά.
Αν βάλετε τη σαλαμάνδρα στο έδαφος,
αλλάζει σε γρήγορο βάδισμα.
Εδώ, έχουμε μια ωραία περιοδική ενεργοποίηση των άκρων,
τα οποία συντονίζονται πολύ καλά
με αυτόν τον σταθερό κυματισμό του σώματος,
και αυτό είναι ακριβώς το βάδισμα που βλέπετε εδώ στο Pleurobot.
Τώρα, κάτι πολύ περίεργο και πραγματικά συναρπαστικό
είναι το γεγονός ότι όλα αυτά γίνονται μόνο από το νωτιαίο μυελό και το σώμα.
Στον εγκέφαλο μιας σαλαμάνδρας --
καθόλου ωραίο, αλλά αφαιρείτε το κεφάλι --
αν διεγείρετε ηλεκτρικά το νωτιαίο μυελό,
σε χαμηλό επίπεδο αυτό προκαλεί βάδισμα.
Σε λίγο περισσότερο, επιταχύνει.
Και σε κάποιο σημείο, υπάρχει ένα όριο,
όπου αυτόματα, το ζώο μεταβαίνει σε κολύμπι.
Αυτό είναι καταπληκτικό.
Απλά αλλάζοντας τη διέγερση,
σαν να πιέζετε το πεντάλ γκαζιού
στο νωτιαίο μυελό
εναλλάσσεται μεταξύ δύο πολύ διαφορετικών κινήσεων.
Στην πραγματικότητα, το ίδιο έχει παρατηρηθεί σε γάτες.
Εάν διεγείρετε το νωτιαίο μυελό μιας γάτας,
εναλλάσσετε περπάτημα, τρέξιμο και καλπασμό.
Ή στα πουλιά, κάνετε εναλλαγή μεταξύ περπατήματος,
σε χαμηλό επίπεδο διέγερσης,
και φτερουγίσματος σε διέγερση υψηλού επιπέδου.
Αυτό δείχνει πραγματικά ότι ο νωτιαίος μυελός
είναι ένας πολύ εξελιγμένος ελεγκτής μετακίνησης.
Μελετήσαμε την κίνηση της σαλαμάνδρας λεπτομερώς,
έχοντας πρόσβαση σε μια συσκευή βίντεο με ακτίνες Χ
του καθηγητή Μάρτιν Φίσερ στο Πανεπιστήμιο Ιένα της Γερμανίας.
Χάρη σε αυτήν, μία πραγματικά εκπληκτική μηχανή,
καταγράψαμε όλες τις κινήσεις με μεγάλη λεπτομέρεια.
Αυτό και κάναμε.
Βασικά βρήκαμε ποια οστά είναι σημαντικά για εμάς
και συλλέξαμε την τρισδιάσταση κίνησή τους.
Συλλέξαμε μια βάση δεδομένων με κινήσεις,
τόσο στο έδαφος όσο και στο νερό,
μία μεγάλη βάση δεδομένων όλων των κινήσεων
που μπορεί να κάνει ένα ζώο.
Στη συνέχεια τις επαναλάβαμε στο ρομπότ μας.
Κάναμε βελτιστοποίηση για να μάθουμε τη σωστή δομή,
πού να βάλουμε τους κινητήρες, πώς να τους διασυνδέσουμε,
για να επαναλαμβάνονται όσο το δυνατόν καλύτερα αυτές οι κινήσεις.
Και έτσι ξεκίνησε το Pleurobot.
Ας δούμε λοιπόν πόσο κοντά είναι στο πραγματικό ζώο.
Αυτό που βλέπετε εδώ είναι σχεδόν άμεση σύγκριση
στο περπάτημα του πραγματικού ζώου και του Pleurobot.
Έχουμε μία επανάληψη σχεδόν ένα προς ένα
στο βάδισμα.
Αργά και προς τα πίσω φαίνεται ακόμα καλύτερα.
Ακόμα καλύτερα, μπορεί να κολυμπήσει.
Γι 'αυτό έχουμε μία στεγνή στολή που φοράμε στο ρομπότ --
(Γέλια)
και στη συνέχεια αναπαράγουμε τις κινήσεις κολύμβησης.
Και εδώ, ήμασταν πολύ χαρούμενοι, γιατί αυτό είναι δύσκολο να γίνει.
Η φυσική της αλληλεπίδρασης είναι περίπλοκη.
Το ρομπότ είναι πολύ μεγαλύτερο από ένα μικρό ζώο,
έτσι έπρεπε να κάνουμε δυναμική κλιμάκωση συχνοτήτων
για να επιβεβαιώσουμε ίδια φυσική αλληλεπίδραση.
Αλλά βλέπετε στο τέλος έχουμε μια μεγάλη ομοιότητα
και ήμασταν πολύ χαρούμενοι με αυτό.
Ας πάμε λοιπόν στο νωτιαίο μυελό.
Αυτό, λοιπόν, που κάναμε με τον Ζαν-Μαρί Καμπελγκέν
είναι το μοντέλο κυκλωμάτων του νωτιαίου μυελού.
Το ενδιαφέρον είναι ότι η σαλαμάνδρα
έχει ένα πολύ πρωτόγονο κύκλωμα,
που είναι πολύ παρόμοιο με αυτό της σμέρνας,
αυτό το πρωτόγονο ψάρι,
και φαίνεται ότι με την εξέλιξη,
νέοι νευρωνικοί ταλαντωτές προστέθηκαν για τον έλεγχο των άκρων,
για την κίνηση των ποδιών.
Ξέρουμε πού είναι αυτοί οι νευρωνικοί ταλαντωτές,
αλλά κάναμε ένα μαθηματικό μοντέλο
για τη σύνδεσή τους
ώστε να επιτραπεί η μετάβαση μεταξύ των δύο διαφορετικών κινήσεων.
Και το δοκιμάσαμε στο ρομπότ.
Έτσι φαίνεται.
Εδώ βλέπετε μια προηγούμενη έκδοση του Pleurobot
πλήρως ελεγχόμενο από το μοντέλο του νωτιαίου μυελού μας
προγραμματισμένο στο ρομπότ.
Το μόνο που κάνουμε
είναι η αποστολή στο ρομπότ μέσω τηλεχειριστηρίου
των δύο σημάτων που θα λάμβανε
από το άνω μέρος του εγκεφάλου.
Το ενδιαφέρον είναι ότι παίζοντας με αυτά τα σήματα,
ελέγχουμε πλήρως την ταχύτητα, κατεύθυνση και τύπο βάδισης.
Για παράδειγμα,
όταν διεγείρουμε σε χαμηλό επίπεδο έχουμε βάδισμα
και σε κάποιο σημείο, αν διεγείρουμε πολύ,
αλλάζει πολύ γρήγορα σε κολύμβηση.
Τέλος, μπορούμε να το στρέψουμε πολύ ωραία
διεγείροντας μόνο τη μια πλευρά του νωτιαίου μυελού.
Νομίζω ότι είναι πραγματικά όμορφο
το πώς η φύση έχει κατανείμει τον έλεγχο
για να δώσει πραγματικά μεγάλη ευθύνη στο νωτιαίο μυελό,
έτσι ώστε το άνω μέρος του εγκεφάλου δεν χρειάζεται να ανησυχεί για κάθε μυ.
Απλά ανησυχεί για τη διαμόρφωση υψηλού επιπέδου
και ο νωτιαίος μυελός συντονίζει όλους τους άλλους μύες.
Ας δούμε την κίνηση της γάτας και τη σημασία της βιο-μηχανικής.
Αυτό είναι ένα άλλο έργο
όπου μελετήσαμε τη βιο-μηχανική της γάτας
και θέλαμε να δούμε πόσο η μορφολογία βοηθά τη μετακίνηση.
Βρήκαμε τρία σημαντικά κριτήρια στις ιδιότητες,
βασικά, των άκρων.
Το πρώτο είναι ότι το άκρο της γάτας
ομοιάζει λίγο-πολύ με παντογράφο.
Ο παντογράφος είναι μια μηχανική δομή
που κρατά το ανώτερο τμήμα και τα κάτω τμήματα παράλληλα.
Έτσι ένα απλό γεωμετρικό σύστημα συντονίζει
την εσωτερική κίνηση των τμημάτων.
Μια δεύτερη ιδιότητα των άκρων της γάτας είναι η ελαφρότητα.
Οι περισσότεροι μύες είναι στον κορμό,
μια καλή ιδέα, γιατί έτσι τα άκρα έχουν χαμηλή αδράνεια
και μετακινούνται πολύ γρήγορα.
Η τελευταία σημαντική ιδιότητα είναι η πολύ ελαστική συμπεριφορά του άκρου,
ώστε να χειρίζεται προσκρούσεις και δυνάμεις.
Έτσι σχεδιάσαμε το Cheetah-Cub.
Ας προσκαλέσουμε λοιπόν το Cheetah-Cub στη σκηνή.
Αυτός είναι ο Πίτερ Έκαρτ, ο οποίος κάνει διδακτορικό σε αυτό το ρομπότ,
και είναι ένα μικρό χαριτωμένο ρομπότ.
Μοιάζει λίγο με παιχνίδι,
αλλά χρησιμοποιήθηκε ως επιστημονικό εργαλείο
για να διερευνήσουν αυτές τις ιδιότητες των ποδιών της γάτας.
Βλέπετε, είναι πολύ συμβατό, πολύ ελαφρύ
και επίσης πολύ ελαστικό,
τόσο που μπορείτε να το πιέσετε κάτω και να μην σπάσει.
Θα αναπηδήξει, για την ακρίβεια.
Αυτή η πολύ ελαστική ιδιότητα είναι επίσης πολύ σημαντική.
Βλέπετε λίγο αυτές τις ιδιότητες
των τριών αυτών τμημάτων του ποδιού ως παντογράφου.
Τώρα, το ενδιαφέρον είναι ότι αυτό το πολύ δυναμικό βάδισμα
λαμβάνεται καθαρά σε ανοικτό βρόχο,
χωρίς αισθητήρες, χωρίς πολύπλοκες ανατροφοδοτήσεις.
Αυτό είναι ενδιαφέρον, γιατί σημαίνει
ότι η μαχανική και μόνο σταθεροποίησε αυτό το αρκετά γρήγορο βάδισμα
και ότι πραγματικά η καλή μηχανική ήδη ουσιαστικά απλοποιεί τη μετακίνηση
σε βαθμό που μπορούμε ακόμη να διαταράξουμε μια μικρή μετακίνηση,
όπως θα δείτε στο επόμενο βίντεο,
όπου μπορούμε να κάνουμε μια άσκηση όπου το ρομπότ κατεβαίνει μία κλίμακα
και το ρομπότ δεν θα πέσει,
που ήταν μια έκπληξη για εμάς.
Είναι μια μικρή διαταραχή.
Περίμενα το ρομπότ να πέσει αμέσως,
χωρίς αισθητήρες, ούτε βρόγχο γρήγορης ανάδρασης.
Μόνο η μηχανική σταθεροποίησε το βάδισμα,
και το ρομπότ δεν πέφτει.
Προφανώς, εάν κάνετε το σκαλί μεγαλύτερο και αν έχετε εμπόδια,
χρειάζεστε τους πλήρεις βρόχους ελέγχου και όλα τα αντανακλαστικά.
Το σημαντικό εδώ είναι ότι μόνο για μικρές διαταραχές,
η μηχανική έχει δίκιο.
Αυτό είναι ένα σημαντικό μήνυμα της βιο-μηχανικής
και της ρομποτικής στους νευροεπιστήμες,
που λέει να μην υποτιμάτε τον βαθμό που το σώμα βοηθά στη μετακίνηση.
Πώς σχετίζεται αυτό με την ανθρώπινη μετακίνηση;
Σαφώς, αυτή είναι πιο περίπλοκη από της γάτας και της σαλαμάνδρας,
αλλά το ανθρώπινο νευρικό σύστημα είναι πολύ παρόμοιο
με αυτό των άλλων σπονδυλωτών.
Και ειδικά ο νωτιαίος μυελός
είναι επίσης ο βασικός ελεγκτής στη μετακίνηση του ανθρώπου.
Γι' αυτό, αν υπάρχει μια βλάβη στον νωτιαίο μυελό,
έχει δραματικά αποτελέσματα.
Το άτομο μπορεί να γίνει παραπληγικό ή τετραπληγικό.
Αυτό γιατί ο εγκέφαλος χάνει την επικοινωνία
με τον νωτιαίο μυελό.
Ειδικά, χάνει αυτή τη φθίνουσα διαμόρφωση
να ξεκινήσει και να ρυθμίσει τη μετακίνηση.
Ένας στόχος της νευροπροστασίας
είναι η επανενεργοποίηση αυτής της επικοινωνίας
χρησιμοποιώντας ηλεκτρικές ή χημικές διεγέρσεις.
Υπάρχουν αρκετές ομάδες στον κόσμο που κάνουν ακριβώς αυτό,
ειδικά στο EPFL.
Οι συνάδελφοι Γκρεγκουάρ Κορτίν και Σιλβέστρο Μιτσέρα,
με τους οποίους συνεργάζομαι.
Αλλά για να γίνει αυτό σωστά, είναι πολύ σημαντικό να καταλάβουμε
πώς λειτουργεί ο νωτιαίος μυελός,
πώς αλληλεπιδρά με το σώμα
και πώς ο εγκέφαλος επικοινωνεί με τον νωτιαίο μυελό.
Εδώ είναι όπου τα ρομπότ και τα μοντέλα που παρουσίασα σήμερα
ελπίζω να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο
προς αυτούς τους πολύ σημαντικούς στόχους.
Ευχαριστώ.
(Χειροκρότημα)
Μπρούνο Τζιουσάνι: Άουκε, είδα στο εργαστήριο άλλα ρομπότ
που κάνουν πράγματα όπως κολύμπι σε ρύπανση
και μέτρηση της ρύπανσης ενώ κολυμπούν.
Αλλά για αυτό,
που αναφέρατε στη συζήτησή σας, ως ένα πλευρικό έργο
έρευνας και διάσωσης,
και έχει μια κάμερα στη μύτη του.
Άουκε Έισπιρτ: Απολύτως. Tο ρομπότ --
Έχουμε μερικά παράγωγα έργα,
όπου θα θέλαμε τα ρομπότ να κάνουν έρευνα και διάσωση,
έτσι το ρομπότ σάς βλέπει τώρα.
Το μεγάλο όραμα είναι, αν έχετε μια δύσκολη κατάσταση,
όπως ένα καταρρεύσαν κτίριο ή ένα κτίριο που έχει πλημμυρίσει,
αυτό είναι πολύ επικίνδυνο για ομάδες ή ακόμα και σκύλους διάσωσης,
γιατί να μην πάει ένα έρπον ρομπότ, που κολυμπά, περπατά,
με μια κάμερα για να διενεργήσει επιθεώρηση και να εντοπίσει επιζώντες
και ενδεχομένως να αποκαταστήσει μια επικοινωνιακή σύνδεση.
ΜΓ: Φυσικά, υποθέτοντας ότι οι επιζώντες δεν θα φοβηθούν τη μορφή του.
AΕ: Ναι, θα πρέπει πιθανώς να αλλάξουμε την εμφάνιση αρκετά,
γιατί εδώ ο επιζών μπορεί να πεθάνει από καρδιακή προσβολή,
απλά ανησυχώντας ότι αυτό θα τον φάει.
Αλλά, αλλάζοντας την εμφάνιση και καθιστώντας την πιο ισχυρή,
είμαι βέβαιος ότι θα βγει ένα καλό εργαλείο.
ΜΓ: Σας ευχαριστώ πολύ. Εσάς και την ομάδα σας.