זה פלואורובוט.
פלואורובוט הוא רובוט שתוכנן לחקות במדויק מין סלמנדרות
שנקרא פלואורודלס וולטל.
פלואורובוט יכול ללכת, כמו שאתם רואים פה,
ואתם תראו מאוחר יותר, שהוא יכול גם לשחות.
אז אתם אולי שואלים, למה תכננו את הרובוט הזה?
ולמעשה, הרובוט הזה תוכנן ככלי מדעי למדעני מוח.
ובאמת, תכננו אותו יחד עם ניורו ביולוגים
כדי להבין איך חיות נעות,
ובמיוחד איך חוט השדרה שולט בתנועה.
אבל ככל שאני עובד יותר בביו רובוטיקה,
אני מתרשם יותר מתנועת חיות.
אם אתם חושבים על דולפין שוחה או חתול רץ או קופץ,
או אפילו אנחנו האנשים,
כשאתם רצים או משחקים טניס,
אנחנו עושים דברים מדהימים.
ולמעשה, מערכת העצבים שלנו פותרת בעיות תנועה מאוד מאוד מורכבות.
היא צריכה לתאם פחות או יותר 200 שרירים בשלמות,
מפני שאם התאום שלנו גרוע, אנחנו נופלים או שנעים בצורה גרועה.
והמטרה שלי היא להבין איך זה עובד.
יש שלושה מרכיבים עיקריים מאחורי תנועת החיות.
הרכיב הראשון הוא רק הגוף,
ולמעשה אסור לנו לעולם לא להעריך מספיק
לאיזו רמה הביו מכאניקה כבר פישטה את התנועה בחיות.
אז יש לכם את חוט השדרה,
ובחוט השדרה אתם מוצאים רפלקסים,
רפלקסים מרובים שיוצרים לולאת קואורדינציה סנסורית מוטורית
בין פעילות עצבית בחוט השדרה ופעילות מכאנית.
רכיב שלישי הם יצרני התבניות המרכזיים.
אלה הם מעגלים מעניינים בעמוד השדרה של בעלי חוליות
שיכולים לייצר, בעצמם,
תבניות מאוד מורכבות ורתמיות של פעילות
בעודם מקבלים רק קלט של אותות מאוד פשוטים.
ואותות הקלט האלו
מגיעים ממודולציות יורדות מחלקים גבוהים יותר במוח,
כמו האונה המוטורית, המוח הקטן, הגנגליונים הבאזלתיים,
כולם יעבירו פעילות לחוט השדרה
בעודנו נעים.
אבל מה שמעניין זה באיזו רמה חלק ברמה נמוכה,
חוט השדרה, יחד עם הגוף,
כבר פתרו חלק גדול של בעית התנועה.
ואתם כנראה יודעים את זה בגלל העובדה שאתם יכולים לחתוך את ראש התרנגולת,
והיא יכולה להמשיך לרוץ לזמן מסויים,
מה שמראה שרק החלק התחתון, חוט שדרה וגוף,
כבר פתרו חלק גדול מבעית התנועה.
עכשיו, להבין איך זה עובד זה מאוד מורכב,
בגלל שראשית,
להקליט פעילות בחוט השדרה זה מאוד קשה,
זה הרבה יותר קל לשתול אלקטרודות באונה המוטורית
מאשר בחוט השדרה, מפני שהוא מוגן על ידי חוליות.
בעיקר באנשים, ממש מאוד קשה לעשות.
קושי שני הוא שהתנועה היא באמת בשל תקשורת
מאוד מורכבת ודינמית בין ארבעת הרכיבים האלו.
אז זה מאוד קשה לגלות מה התפקיד של כל אחד לאורך הזמן.
שם הביו רובוטים כמו פלאורובוט ומודלים מתמטיים
יכולים לעזור.
אז מה זה ביו רובוטיקה?
ביו רובוטיקה היא שדה מאוד אקטיבי של מחקר ברובוטיקה
שם אנשים רוצים לקחת השראה מחיות
כדי ליצור רובוטים שיצאו החוצה,
כמו רובוטי שרות ורובוטי חיפוש והצלה
או רובוטי שדה.
והמטרה הגדולה פה היא לקחת השראה מחיות
כדי ליצור רובוטים שיכולים להתמודד עם פני שטח מורכבים --
מדרגות, הרים, יערות,
מקומות בהם לרובוטים עדיין יש קשיים
ובהם חיות יכולות לעשות עבודה טובה יותר.
הרובוט יכול להיות גם כלי מדעי נפלא.
יש כמה פרוייקטים מאוד נחמדים שם הרובוטים נמצאים בשימוש,
כמו כלים מדעיים למדעי המוח, לביו מכאניקה או להידרו דינמיקה.
וזו בדיוק המטרה של פלאורובוט.
אז מה שאנחנו עושים במעבדה שלי זה לשתף פעולה עם ניורו ביולוגים
כמו ז'אן מישל קבלגן, נוירו ביולוג בבורדו, צרפת,
ואנחנו רוצים לעשות מודלים של חוט שדרה ולאמת אותם ברובוטים.
ופה אנחנו רוצים להתחיל בפשוט.
אז זה טוב להתחיל עם חיות פשוטות
כמו דגי למפריי, שהם דגים מאוד פרימיטיבים,
ואז לאט לאט ללכת לכיוון תנועה יותר מורכבת,
כמו סלמנדרות,
אבל גם בחתולים ובני אדם,
ביונקים.
ופה, רובוט הופך לכלי מעניין
כדי לאשר את המודלים שלנו.
ולמעשה, בשבילי, פלאורובוט הוא סוג של חלום שהתגשם.
כמו, פחות או יותר לפני 20 שנה עבדתי כבר על מחשב
שעשה הדמיות של תנועת למפריי וסלמנדרות
במהלך הדוקטורט שלי.
אבל תמיד ידעתי שההדמיות שלי היו משוערות.
כמו, לדמות את הפיזיקה במים או עם בוץ או עם פני שטח מורכבים,
זה מאוד קשה לדמות את זה בדיוק על מחשב.
למה שלא יהיה רובוט אמיתי ופיזיקה אמיתית?
אז בין כל החיות האלו, אחת מהמועדפות עלי היא הסלמנדרה.
אתם אולי תשאלו למה, וזה בגלל שכחיה אמפיבית,
זו באמת חיה חשובה מנקודת מבט אבולוציונית.
זה יוצר קישור מעולה בין שחיה,
כמו שאתם מוצאים את זה בצלופחים ודגים,
ותנועה ארבע רגלית, כמו שאתם רואים ביונקים, בחתולים ואנשים.
ולמעשה, הסלמנדרה המודרנית
מאוד קרובה לבעל החוליות היבשתי הראשון,
אז זה כמעט מאובן חי,
שנותן לנו גישה לאבות אבותינו,
האבות לכל הטטרפודים היבשתיים.
אז הסלמנדרה שוחה
על ידי מה שנקרא צורת הליכת שחיה אנגיוליפורמי,
אז הם יוצרים גל תנועה מעניין של פעילות שרירים מהראש לזנב.
ואם תשימו את הסלמנדרה על הקרקע,
היא מחליפה למה שנקרא מפתח הליכה טפיפה.
במקרה הזה, יש לכם הפעלה תקופתית נחמדה של הגפיים
שהן מתואמות מאוד יפה
עם גל עומד בתנועה גלית של הגוף,
וזה בדיוק המפתח שאתם רואים פה בפלאורובוט.
עכשיו, דבר אחד שמאוד מפתיע ומרתק למעשה
זו העובדה שכל זה יכול להיות מיוצר רק על ידי חוט השדרה והגוף.
אז אם אתם לוקחים סלמנדרה נטולת מוח --
זה לא כל כך נחמד אבל אתם מסירים את הראש --
ואם אתם מגרים חשמלית את חוט השדרה,
ברמות נמוכות של גירוי זה יעורר מה שנראה כמו צורת הליכה.
אם אתם מגרים מעט יותר, צורת ההליכה מואצת.
ובנקודה מסויימת, יש סף,
ואוטומטית, החיה מחליפה לשחיה.
זה מדהים.
פשוט לשנות את התנועה הגלובלית,
כאילו אתם לוחצים על דוושת הגז
של מודולציה יורדת לחוט השדרה שלכם,
וזה יוצר מיתוג שלם בין שתי צורות הליכה מאוד שונות.
למעשה, אותו הדבר אובחן בחתולים.
אם אתם מגרים את חוט השדרה של חתול,
אתם יכולים למתג בין הליכה, טיפוף ודהירה.
או בציפורים, אתם יכולים לגרום לציפור למתג בין הליכה,
ברמה נמוכה של גירוי,
ולנפנף בכנפיים ברמות גבוהות של גירוי.
וזה באמת מראה שחוט השדרה
הוא בקר תנועה מאוד מורכב.
אז חקרנו תנועת סלמנדרות בפרוט רב יותר,
ולמעשה היתה לנו גישה למכונת וידאו רנטגן ממש נחמדה
מפרופסור מרטין פישר באוניברסיטת ינה בגרמניה.
ותודות לזה,יש לכם באמת מכונה מדהימה
כדי להקליט את כל תנועות העצמות בפרוט גדול.
וזה מה שעשינו.
אז בעיקרון הבנו איזה עצמות חשובות לנו
ואספנו את התנועות שלהן בתלת מימד.
ומה שעשינו זה לאסוף מאגר מידע שלם של תנועות,
גם על הקרקע וגם במים,
כדי באמת לאסוף מאגר מידע שלם של תנועות מוטוריות
שחיה אמיתית יכולה לעשות.
ואז העבודה שלנו כרובוטיקאים היתה לשכפל את זה ברובוטים.
אז עשינו תהליך מיטוב שלם כדי לגלות את המבנה הנכון,
היכן למקם את המנועים, איך לחבר אותם יחד,
כדי להיות מסוגלים לשחזר את התנועות האלו הכי טוב שאפשר.
וכך פלאורובוט בא לחיים.
אז בואו נביט בכמה קרוב זה לחיה האמיתית.
אז מה שאתם רואים פה זה כמעט השוואה ישירה
בין ההליכה של חיות אמיתיות והפלאורובוט.
אתם יכולים לראות שיש לנו כמעט חזרה של אחד לאחד
של צורת ההליכה.
אם אתם הולכים אחורה ובאיטיות, אתם רואים את זה הרבה יותר טוב.
אבל אפילו טוב יותר, אנחנו יכולים לעשות שחיה.
אז בשביל זה יש לנו חליפת צלילה שאנחנו שמים על כל הרובוט --
(צחוק)
ואז אנחנו יכולים להכנס למים ולהתחיל לשחזר את צורת השחיה.
ופה, היינו מאוד שמחים, מפני שזה באמת קשה לעשות.
הפיזיקה של פעולה הוא מורכב.
הרובוט שלנו הוא גדול בהרבה מחיה קטנה,
אז היינו צריכים לעשות מה שקראנו לו הגדלה דינמית של תדירויות
כדי לוודא שתהיה לנו את אותה פיזיקת פעולה.
אבל אתם רואים בסוף, יש לנו התאמה די טובה,
והיינו מאוד מאוד שמחים עם זה.
אז בואו נעבור לחוט השדרה.
אז פה מה שעשינו עם ז'אן מרי קבלגן
זה למדל את מעגלי חוט השדרה.
ומה שמעניין זה שהסלמנדרה
שמרה על מעגל מאוד פרימיטיבי,
שמאוד דומה לזה שאנחנו מוצאים בלמפריי,
הדג הפרימיטיבי דמוי הצלופח הזה,
וזה נראה כאילו בזמן האבולוציה,
תנודות ניורונליות חדשות הוספו כדי לשלוט באברים,
לעשות את תנועת הרגליים.
ואנחנו יודעים איפה התנודות העצביות האלו נמצאות
אבל מה שעשינו היה ליצור מודל מתמטי
כדי לראות איך הם צריכים להיות מחוברים
כדי לאפשר את המעבר הזה בין שתי צורות ההליכה המאוד שונות האלו.
ובחנו את זה על רובוט.
וכך זה נראה.
אז מה שאתם רואים פה זה גרסה קודמת של הפלאורובוט
שלגמרי נשלטת על יד מודל חוט השדרה
שמתוכנת על הרובוט.
והדבר היחיד שאנחנו עושים
זה לשלוח לרובוט דרך שלט
את שני האותות היורדים שהוא בדרך כלל צריך לקבל
מהחלק העליון של המוח.
ומה שמענין זה, שעל ידי משחק עם האותות האלו,
אנחנו יכולים לשלוט לגמרי במהירות, בכיוון ובסוג ההליכה.
לדוגמה,
כשאנחנו מגרים ברמות נמוכות, יש לנו צורת צעד של הליכה,
ובנקודה מסויימת, אם אנחנו מגרים הרבה,
מהר מאוד זה משתנה לצורת השחיה.
ולבסוף, אנחנו יכולים גם לעשות פניות מאוד יפה
רק על ידי גירוי צד אחד של חוט השדרה יותר מאשר האחר.
ואני חושב שזה באמת יפהפה
איך הטבע חילק את השליטה
כדי באמת לתת הרבה אחריות לחוט השדרה
כך שהחלק העליון של המוח לא צריך לדאוג בנוגע לכל שריר.
הוא רק צריך לדאוג בנוגע לתנודות ברמות גבוהות,
וזו באמת העבודה של חוט השדרה לתאם את כל השרירים.
אז עכשיו בואו נעבור לתנועת חתולים והחשיבות של ביו מכאניקה.
אז זה פרוייקט נוסף
שם חקרנו ביו מכאניקה של חתולים,
ורצינו לראות כמה המורפולוגיה עוזרת לתנועה.
וגילינו שלושה קריטריונים חשובים בתכונות,
בעיקרון, של הגפיים.
הראשונה היא שגפיים של חתולים
פחות או יותר נראים כמו מבנה של פנטוגרף.
אז פנטוגרף הוא מבנה מכאני
ששומר על החלק העליון והחלקים הנמוכים תמיד מקבילים.
אז מערכת גאומטרית פשוטה שסוג של מתאמת מעט
את התנועה הפנימית של הסגמנטים.
תכונה שניה של גפיי חתולים היא שהם מאוד קלים.
רוב השרירים הם בגוף,
שזה רעיון טוב, מפני שאז לגפיים יש אינרציה נמוכה
ויכולות לנוע במהירות גבוהה.
התכונה החשובה האחרונה היא התהנהגות המאוד אלסטית של גפי החתול,
כדי להתמודד עם פגיעות וכוחות.
וכך תכננו את גור הצ'יטה.
אז בואו נזמין את גור הצ'יטה לבמה.
אז זה פיטר אקהרט, שעושה את הדוקטורט שלו על הרובוט הזה,
כמו שאתם רואים, זה רובוט קטן וחמוד.
זה נראה מעט כמו צעצוע,
אבל הוא באמת היה בשימוש ככלי מדעי
כדי לחקור את התכונות האלו של רגלי החתול.
אז אתם רואים, זה מאוד מותאם, מאוד קל משקל,
וגם מאוד אלסטי,
אז אתם יכולים ללחוץ עליו בקלות והוא לא ישבר.
הוא פשוט יקפוץ, למעשה.
והתכונה המאוד אלסטית היא גם מאוד חשובה.
ואתם גם רואים מעט את התכונות האלו
של שלושת המקטעים האלו של הרגל כפנטוגרף.
עכשיו, מה שמעניין זה שצורת הצעד הדי דינמית
מושגת פשוט בלולאה פתוחה,
מה שאומר ללא חיישנים, ללא לולאות משוב מורכבות.
וזה מעניין, מפני שזה אומר
שרק המכניקה כבר מייצבת את הצעד הדי מהיר הזה,
והמכניקה הטובה באמת הזו כבר בעיקרון מפשטת תנועה.
לרמה שאנחנו יכולים אפילו להפריע לתנועה,
כמו שאתם תראו בסרטון הבא,
בו אנחנו יכולים לדוגמה לעשות תרגיל בו הרובוט יורד במדרגות,
והרובוט לא יפול,
מה שהיה הפתעה גדולה בשבילנו.
זו הפרעה קטנה.
ציפיתי שהרובוט שלי יפול מייד,
מפני שאין חיישנים, אין לולאת משוב מהירה.
אבל לא, רק המכאניקה מיצצבת את הצעד,
והרובוט לא נופל.
בברור, אם אתם עושים את הצעד גדול יותר, ואם יש לכם מכשולים,
אתם צריכים את לולאת השליטה המלאה וריפלקסים והכל.
אבל מה שחשוב פה זה שרק להפרעות קטנות,
המכאניקה היא נכונה.
ואני חושב שזה מסר מאוד חשוב
מהביו מכאניקה והרובוטים למדעי המוח,
שאומר להעריך לאיזו רמה הגוף כבר עוזר לתנועה.
עכשיו, איך זה מתקשר לתנועה אנושית?
בברור, תנועה אנושית היא יותר מורכבת מתנועה של חתולים וסלמנדרות,
אבל באותו זמן, מערכת העצבים של אנשים היא מאוד דומה
לזו של בעלי חוליות אחרים.
ובעיקר חוט השדרה
זה גם הבקר העיקרי של תנועה בבני אדם.
לכן, אם יש פגיעה בחוט השדרה,
יש לזה השפעות דרמטיות.
האדם יכול להפוך למשותק ברגליים או בידיים.
זה בגלל שהמוח מאבד את התקשורת
עם חוט השדרה.
בעיקר, הוא מאבד את המודולציה היורדת
כדי להתחיל ולנטר את התנועה.
אז מטרה גדולה של תותבות ניורולוגיות
זה להיות מסוגלים להפעיל מחדש את התקשורת
בשימוש בגירויים חשמליים וכימיים.
ויש מספר צוותים בעולם שעושים בדיוק את זה,
בעיקר ב EPFL.
הקולגות שלי גרגורי קורטין וסילבסטרו מיסרה,
איתם שיתפתי פעולה.
אבל כדי לעשות את זה נכון, זה מאוד חשוב להבין
איך חוט השדרה עובד,
איך הוא מתקשר עם הגוף,
ואיך המוח מתקשר עם חוט השדרה.
שם הרובוט והמודלים שהצגתי היום
בתקווה ישחקו תפקיד חשוב
כלפי המטרות המאוד חשובות האלו.
תודה לכם.
(מחיאות כפיים)
ברונו גיאוסיאני: אאוקה, ראיתי במעבדה שלך רובוטים אחרים
שעושים דברים כמו לשחות בזיהום
ולמדוד את הזיהום בעודם שוחים.
אבל לזה,
הזכרת בהרצאה שלך, כמו פרוייקט צידי,
חיפוש והצלה,
ויש לו מצלמה על האף.
אאוקה איג'ספירט: בהחלט. אז הרובוט --
יש לנו כמה פרוייקטים צידיים
שם היינו רוצים להתשתמש ברובוטים כדי לעשות בדיקות חיפוש והצלה,
אז הרובוט הזה רואה אתכם עכשיו.
והחלום הגדול הוא, אם יש לכם מצב קשה
כמו בניין שקרס או בניין שמוצף,
וזה מאוד מסוכן לצוות הצלה או אפילו לכלבי הצלה,
למה לא לשלוח רובוט שיכול לזחול באזור, לשחות, ללכת,
עם מצלמה עליו כדי לעשות בחינה וזיהוי של ניצולים
ואולי ליצור קשר תקשורת עם הניצולים.
ב.ג: כמובן, בהנחה שהניצולים לא יפחדו מהצורה של זה.
א.א: כן, היינו צריכים כנראה לשנות את הנראות די הרבה,
מפני שפה אני מנחש שניצול אולי ימות מהתקף לב
פשוט מלהיות מודאג שזה יאכל אותו.
אבל על ידי שינוי הנראות ולעשות אותו יותר עמיד,
אני בטוח שנוכל ליצור כלי טוב ממנו.
בג: תודה רבה לך. תודה לך ולצוות.