Ez itt a Pleurobot.
A Pleurobot egy robot, melyet egy szalamandrafajta,
a Pleurodeles waltl élethű imitálására terveztünk.
A Pleurobot tud sétálni, amint itt látható,
és ahogy később látni fogják, úszni is.
Megkérdezhetik, miért terveztük ezt a robotot?
Nos, az idegtudomány számára, tudományos eszköznek szántuk.
Neurobiológusokkal együtt terveztük,
hogy megértsük, miként mozognak az állatok,
és különösen, hogy a gerincvelő miként irányítja e mozgást.
Minél többet dolgozom a biorobotika területén,
annál inkább lenyűgöz az állatok mozgása.
Gondoljunk csak egy úszó delfinre, egy futó, ugráló macskára,
vagy egy kocogó,
vagy teniszező emberre -
valamennyien bámulatos dolgokat tesznek.
Az idegrendszer egy igen-igen komplex problémát old meg:
tökéletesen összehangolja mintegy 200 izom mozgását,
Ha ugyanis a koordináció rossz, akkor elesünk, vagy helytelenül mozgunk.
A célom megérteni, hogy ez miként működik.
Az állatok mozgása mögött négy fő komponens áll.
Az első komponens egyszerűen a test.
Sosem szabad alábecsülni,
hogy a biomechanika mennyire leegyszerűsíti a mozgást az állatoknál.
Aztán következik a gerincvelő,
melyben a reflexek találhatók.
Többféle reflex van, melyek szenzomotoros koordinációs hurkot alkotnak
a gerincvelői idegi aktivitása és a mechanikus tevékenység között.
A harmadik komponenst a központi mintagenerátorok jelentik.
Ezek a gerincesek gerincvelőjében lévő, nagyon érdekes áramkörök,
melyek képesek önállóan,
rendkívül összehangolt, ritmikus mozgásmintákat létrehozni,
rendkívül egyszerű bemeneti jelek alapján.
Ezek a bemeneti jelek
az alászálló idegpályán érkeznek az agy felsőbb részeiből -
a motoros kéregből,, kisagyból, agyalapi idegsejtekből -
melyek mind szabályozzák a gerincvelő tevékenységét,
miközben mozgást végzünk.
Igen érdekes, hogy egy olyan alacsony szintű komponens,
mint a gerincvelő, a testtel együtt,
milyen mértékben képes megoldani a mozgás problémáját.
Valószínűleg ismerik azt a tényt, hogyha a csirke fejét levágják,
még képes futni egy darabig,
bizonyítva, hogy az alsó rész, a gerincvelő és a test
végzi a mozgás nagy részét.
Most már látjuk, hogy ez igen bonyolult működésmód,
mert mindenekelőtt
igen nehéz a mozgás követése a gerincvelőben.
Sokkal egyszerűbb a motoros kéregbe elektródákat beültetni,
mint a gerinccsigolya által védett gerincvelőbe.
Különösen embereknél nagyon nehéz.
A második nehézség, hogy a mozgás a négy összetevő
igen bonyolult és dinamikus kölcsönhatásának az eredménye.
Igen nehéz kideríteni, hogy melyiknek, mikor, mi a szerepe a folyamatban.
Ez az, amiben a biorobotok, mint a Pleurobot és a matematikai modellek
igazán segíteni tudnak.
Mi a biorobotika tehát?
A biorobotika egy igen aktív robotikai kutatási terület,
ahol az emberek az állatoktól merítenek ötleteket
kültéri robotok,,
mint például szervizrobotok, kutató- és mentőrobotok,
vagy terepi robotok építéséhez.
A fő cél, hogy ötleteket szerezzünk az állatoktól,
hogy a komplex terepre - lépcsők, hegyek, erdők -
alkalmas robotokat alkossunk.
Ezeken a helyeken a robotok még nehézségekkel küzdenek,
és az állatok jobban boldogulnak.
A robot egy csodálatos tudományos eszköz is lehet.
Van néhány remek projekt, ahol robotokat használnak:
tudományos eszközökként az idegtudomány, biomechanika vagy hidrodinamika területén.
A Pleurobot célja is pontosan ez.
A laboratóriumomban neurobiológusokkal működünk együtt.
Például Jean-Marie Cabelguen Bordeaux-i kutatóval közösen
gerincvelő modelleket készítünk, és robotokon teszteljük őket.
Egyszerű lépésekkel kezdjük.
Jó dolog egyszerű állatokkal kezdeni
mint az ingola, ami egy primitív halfajta,
aztán lépésenként haladni az összetettebb mozgások felé,
amilyen a szalamandráké,
vagy a macskáké, embereké,
az emlősöké.
Ilyenkor a robot egy érdekes eszközzé válik,
mely a modelljeinket validálja.
Nekem valójában a Pleurobot egy álom megvalósulása.
Körülbelül 20 éve már készítettem számítógépes szimulációt
ingolák és szalamandrák mozgásáról
a doktori dolgozatom keretében.
Ám mindig tudtam, hogy a szimulációim csak közelítések.
Például a víz, sár vagy bonyolult terep tulajdonságait
nagyon nehéz megfelelően szimulálni számítógépen.
Miért ne lenne igazi robot igazi feltételekkel?
Ezek közül az állatok közül az egyik kedvencem a szalamandra.
Hogy miért? Azért, mert kétéltű.
Evolúciós szempontból igazán kulcsfontosságú állat.
Csodálatos kapcsot teremt az úszás,
amely halaknál és angolnáknál fordul elő,
és a négylábúak - mint az emlősök, a macskák és az emberek - mozgása között.
Valójában a mai szalamandra
igen közel van az első szárazföldi gerincesekhez,
így majdnem egy élő kövület,
ami kapcsolatot teremt az ősünkkel,
és egyben az összes négylábú, szárazföldi élőlény ősével.
Tehát a szalamandra ún. "anguilliform"
testtartásban úszik,
azaz hullámzó izommozgást hoz létre a fejétől a farkáig.
Ha egy szalamandrát a földre helyezünk,
sétáló-ügető testtartásra vált.
Ebben az esetben a végtagok periodikusan aktiválódnak,
s e mozgás remekül összehangolt
a test álló hullámzásával,
és pontosan ezt a testtartást látják most a Pleuroboton.
Nagyon meglepő és lenyűgöző a tény,
hogy mindezt kizárólag a gerincvelő és a test hozza létre.
Tehát ha egy agy nélküli,
- nem valami szép, de a fejétől megfosztott szalamandra -
gerincvelőjét elektromosan ingereljük,
az alacsony szintű inger sétáló járást indukál.
Az inger fokozásával a járás gyorsul,
és van egy pont, egy küszöbérték,
ahol az állat automatikusan úszásra vált.
Ez lenyűgöző.
Pusztán a hajtóerő változtatása -
mintha a gázpedált nyomnánk -
a leszálló idegpályán,
teljes váltást idéz elő a két különböző mozgásforma között.
Valójában ugyanezt figyelték meg macskáknál.
Ha egy macska gerincvelőjét stimuláljuk,
váltani tudunk a séta, ügetés és vágta között.
Madaraknál az alacsony ingerrel a séta,
erősebb ingerrel pedig
szárnycsapkodás között válthatunk.
Ez azt mutatja, hogy a gerincvelő
egy igen kifinomult mozgásszervi vezérlő.
Miközben a szalamandrák mozgását részletesebben megfigyeltük,
lehetőségünk volt egy röntgensugaras videofelvevőt használni,
Martin Fischer professzor jóvoltából a német Jena University-ről.
Ennek köszönhetően bámulatos eszközhöz jutottunk,
hogy igen részletesen rögzítsük a csontok mozgását.
Pontosan ezt tettük.
Kitaláltuk, hogy mely csontok fontosak számunkra,
és 3D-ben összegyűjtöttük a mozgásukat.
Egy teljes adatbázisnyi mozgást gyűjtöttünk,
szárazföldön és vízen egyaránt.
Így létrehoztunk egy adattárat
egy valóságos állat motoros mozgásformáiról.
Robotkutatóként ezeknek az utánzása volt a feladatunk.
Egy teljes optimalizálást végeztünk hogy megtaláljuk a jó struktúrát.
Hova kell tenni, hogy kell összekötni a motorokat,
hogy minél jobban visszaadjuk a mozgásokat.
Így kelt életre a Pleurobot.
Nézzük, mennyire hasonlít egy valódi állathoz!
Itt egy összehasonlítást látunk
a valódi állat és a Pleurobot sétáló mozgása között.
Láthatjuk, hogy majdnem egy az egyben pontos mása
a sétáló járásnak.
Ha visszafelé és lassan lépkedünk, még inkább látható.
Még jobban látható az úszásnál.
Ehhez vízhatlan ruhát tettünk a robot köré,
(Nevetés)
majd vízbe helyeztük, és visszajátszottuk az úszó mozgást.
Ekkor nagyon boldogok voltunk, mert ezt nehéz kivitelezni.
A kölcsönhatás fizikája bonyolult.
A robotunk jóval nagyobb, mint egy kis állat,
így ún. dinamikus frekvencialéptetést használtunk,
hogy biztosan ugyanazt a hatást érjük el.
Végül látszik, hogy nagy hasonlóságot értünk el
és nagyon örültünk ennek.
Tehát nézzük a gerincvelőt.
Itt Jean-Marie Cabelguen-nel
a gerincvelő idegpályáit modelleztük.
Érdekes, hogy a szalamandra
megőrzött egy nagyon egyszerű áramkört,
amely nagyon hasonló az ingolában,
ebben az a primitív, angolnaszerű halban találthoz.
Úgy tűnik, az evolúció során
új idegi reflexívek fejlődtek ki a végtagok irányítására,
a lábak mozgatására.
Tudjuk, hol vannak ezek az idegközpontok,
és készítettünk egy matematikai modellt arról,
hogyan kell összekötni őket,
hogy az átmenet lehetővé váljon a két különböző járás között.
Aztán teszteltük a robot vezérlésén.
Íme, így néz ki.
Amit itt látnak, egy korábbi Pleurobot-verzió,
amit teljesen a mi programozott
gerincvelő modellünk irányít.
Csupán annyit teszünk,
hogy táviránytón keresztül küldjük
a két leszálló ingert, amit normál esetben
az agy felső részéből kapna.
Érdekes, hogy ezekkel az ingerekkel játszva
teljesen irányítható a járás sebessége, iránya és típusa.
Például,
egy alacsony szintű inger sétáló mozgást eredményez
és egy ponton, ha erősebb az inger,
hirtelen úszásra vált át.
Még az fordulás is kivitelezhető,
ha a gerincvelő egyik oldalát jobban ingereljük.
Azt gondolom, igazán szép,
ahogy a természet szétosztotta az irányítást
és jó adag felelősséget adott a gerincvelőnek.
Tehát az agy felső részének nem kell aggódnia minden izom miatt.
Elég az inger erősségéért aggódnia,
az összes izom irányítása a gerincvelő dolga.
Most nézzük a macska mozgását és a biomechanika fontosságát.
Egy másik munkánkban,
melyben a macska biomechanikáját tanulmányoztuk,
látni akartuk, hogyan segíti a morfológia a mozgást.
Három fontos kritériumot találtunk a végtagok
tulajdonságai között.
Az első, hogy a macska végtagja
többé-kevésbé egy pantográf-szerű struktúra.
A pantográf egy mechanikai szerkezet,
melyben a felső és alsó rész mindig párhuzamos marad.
Tehát egy ilyen, egyszerű geometriai rendszer koordinálja
a szegmensek belső mozgását.
A végtagok másik tulajdonsága, hogy könnyűek.
Az izmok többsége a törzsön van,
ami jó elrendezés, mert így a végtagok tehetetlensége kicsi,
és gyorsan mozgathatók.
Az utolsó fontos tulajdonságuk: a nagy rugalmasság,
mely a hatásokat és erőket kezeli.
Így terveztük meg a Cheetah-Cub-ot [Pumakölyköt].
Hívjuk a színpadra.
Ő Peter Eckert, aki doktori tanulmányokat folytat erről a robotról,
amint látható, ez egy aranyos kis robot.
Olyan, mint egy játék,
de valójában tudományos eszközként használják,
a macskaláb tulajdonságainak tanulmányozásához.
Látható, hogy nagyon alkalmazkodó,
könnyű, és igen rugalmas,
tehát könnyen lenyomható, és nem törik el.
Sőt, szinte felugrik.
Ez a nagyfokú rugalmasság is igen fontos.
Ezeket a tulajdonságokat szintén
láthattuk a pantográf három szegmensén is.
Érdekes, hogy ezt az igen dinamikus járási módot,
egy tisztán nyílt hurok hozza létre,
szenzorok, vagy bonyolult visszacsatolások nélkül.
Azért érdekes, mert ez azt jelenti,
hogy csupán a mechanika már stabilizálta ezt a gyors járást,
és ez a kiváló mechanika leegyszerűsíti a mozgást.
A következő felvételen azt látjuk,
mi történik, ha kis zavar kerül a mozgásba.
Egy gyakorlat során a robot egy lépcsőn megy le,
mégsem esik el,
ami meglepetés volt számunkra.
Ez egy kismértékű zavarás volt.
Azt vártam, hogy a robot azonnal elesik,
mert nincs szenzor, vagy visszacsatolás.
De tévedtem: a mechanika stabilizálta a járást,
és a robot nem esett el.
Nyilvánvalóan, ha a lépcsőfok nagyobb, vagy akadályok vannak,
szükség van a teljes hurokra, reflexekre és minden egyébre.
Ami itt fontos, hogy kis zavar esetén
a mechanika elegendő.
Azt gondolom, ez egy fontos üzenet
a biomechanika és robotika részéről az idegtudománynak,
hogy ne becsüljük le, milyen mértékben segíti a test a mozgást.
Hogyan kapcsolódik ez az emberi mozgáshoz?
Világos, hogy az emberi mozgás komplexebb, mint a macskáé vagy szalamandráé,
de ugyanakkor az emberi idegrendszer nagyon hasonló
más gerincesekéhez.
A gerincvelő különösképp
egy kulcsfontosságú vezérlőszerv az emberekben is.
Ezért a gerincvelő sérülése
drasztikus hatással jár.
Két, vagy akár mind a négy végtag lebénulását is okozhatja.
Ennek oka, hogy az agy elveszti a kapcsolatot
a gerincvelővel.
Különösen a leszálló modulációt veszti el,
ami a mozgást elindítja vagy módosítja.
A beültetett protézisek fő célja
e kommunikáció újraélesztése
elektromos vagy kémiai ingerlés használatával.
Számos kutatócsoport a világon, melyek pontosan ezt csinálják,
különösen az EPFL-en.
A kollégáim, Grégoire Courtine és Silvestro Micera,
akikkel együtt dolgozom.
Ahhoz, hogy ezt helyesen csináljuk, fontos megérteni,
hogy működik a gerincvelő,
hogyan lép interakcióba a testtel,
és az agy hogyan kommunikál a gerincvelővel.
Ez az, ahol a bemutatott robotok és modellek
remélhetően kulcsszerepet játszanak majd,
és segítenek e fontos célok elérésében.
Köszönöm.
(Taps)
Bruno Giussani: Auke, a laborban más robotokat is láttam,
melyek például szennyezett vízben úsznak,
és közben mérik a szennyezést.
Ám ennek
a mellékprojektként említett
kereső- és mentőrobotnak
van egy kamera az orrán,
Auke Iljspeert: Igen, így van.
Van néhány spin-off projektünk,
melyben keresésre és felderítésre akarjuk használni a robotokat,
tehát ez a robot most lát téged.
Nagy álmom, hogy egy nehéz helyzetben,
mint egy összeomlott vagy elárasztott épület,
ami nagyon veszélyes egy mentőcsapat vagy akár kutyák számára,
inkább egy robotot küldjünk oda, körbejárni, körbeúszni,
kamerával felszerelve, hogy felderítse és azonosítsa a túlélőket,
és kapcsolatot létesítsen velük.
BG: Természetesen, feltéve, hogy a túlélők nem ijednek meg a formájától.
AI: Igen, valószínűleg meg kell változtatnunk némileg a külsejét,
mert a túlélők szívrohamot kapnak attól,
hogy megeszi őket.
De a megjelenését megváltoztatva, és robusztusabbá téve,
biztos vagyok benne, hogy jó eszközzé alakíthatjuk.
Nagyon köszönöm neked és a csapatodnak.