Questo è Pleurobot.
Pleurobot è stato progettato per imitare una specie di salamandra
detta Pleurodeles waltl.
Pleurobot cammina, come potete vedere,
e come vedremo dopo, sa anche nuotare.
Vi chiederete perché l'abbiamo progettato?
In realtà è stato progettato come strumento per le neuroscienze.
Infatti abbiamo lavorato con dei neurobiologi
per capire come si muovono gli animali
e specialmente come la spina dorsale controlla i movimenti.
Ma più lavoro in biorobotica,
più la locomozione degli animali mi stupisce.
Se pensate ad un delfino che nuota o ad un gatto che corre o salta,
o persino a noi umani,
quando corriamo o giochiamo a tennis,
facciamo cose straordinarie.
Il nostro sistema nervoso risolve un problema di controllo molto complesso.
Deve coordinare perfettamente più o meno 200 muscoli,
e se la coordinazione non è buona cadiamo o ci spostiamo male.
Il mio obiettivo è capire come tutto questo funziona.
Sono quattro le componenti principali della locomozione animale.
La prima componente è soltanto il corpo,
e non dovremmo mai sottovalutare
fino a che punto la biomeccanica semplifichi già la locomozione animale.
Poi c'è la spina dorsale,
e lì troviamo i riflessi,
riflessi multipli che creano un circuito coordinativo sensorimotorio
tra l'attività neurale nella spina dorsale e l'attività meccanica.
Infine ci sono i generatori centrali di configurazione.
Sono circuiti molto interessanti nella spina dorsale dei vertebrati
che possono generare da soli
configurazioni ritmiche di attività molto coordinate
ricevendo solo input molto semplici.
E questi input
provenienti dalla modulazione discendente da parti più alte del cervello,
come la corteccia motoria, il cervelletto, il ganglio basale
regolano tutti l'attività della spina dorsale
mentre ci muoviamo.
La cosa interessante è come una componente di basso livello,
la spina dorsale, assieme al corpo,
risolvono già una gran parte della locomozione.
Forse lo sapete per il fatto che se si taglia la testa ad un pollo
questo può correre per un po',
dimostrando che la parte inferiore, spina dorsale e corpo,
risolve gran parte della locomozione.
Ora, capire come ciò avviene è molto complesso,
perché prima di tutto,
registrare l'attività nella spina dorsale è molto difficile.
È più facile impiantare elettrodi nella corteccia motoria
che nella spina dorsale, perché è protetta dalle vertebre.
Specialmente negli umani.
Una seconda difficoltà è che il movimento è dovuto ad una interazione
molto complessa e dinamica tra queste quattro componenti.
Quindi è molto difficile scoprire che ruolo abbia ognuna nel tempo.
È qui che i biorobot come Pleurobot e modelli matematici
possono davvero aiutare.
Allora cos'è la biorobotica?
È un campo molto attivo della ricerca in robotica
in cui si vuole prendere ispirazione dagli animali
per fare robot che vadano all'esterno,
come robot di servizio o robot di ricerca e soccorso
o robot sul campo.
L'obiettivo qui è prendere ispirazione dagli animali
per fare robot che se la cavino su terreni difficili --
scale, montagne, foreste,
luoghi in cui i robot fanno ancora fatica
e in cui gli animali riescono molto meglio.
Il robot può anche essere uno strumento scientifico fantastico.
Ci sono progetti molto belli in cui i robot sono usati,
come strumento per le neuroscienze, per la biomeccanica o per l'idrodinamica.
E questo è esattamente lo scopo di Pleurobot.
Quindi nel mio laboratorio si collabora con neurobiologi
come Jean-Marie Cabulguen, un neurobiologo a Bordeaux in Francia,
e vogliamo fare modelli di spina dorsale e convalidarli sui robot.
E per iniziare in modo semplice
è meglio iniziare con animali semplici
come le lamprede, pesci molto primitivi,
per poi passare a una locomozione più complessa,
come nelle salamandre,
ma anche nei gatti e negli umani,
nei mammiferi.
E qui un robot diventa uno strumento interessante
per convalidare i nostri modelli.
E in effetti, per me, Pleurobot è un sogno diventato realtà.
Circa 20 anni fa stavo già lavorando su un computer
su simulazioni di locomozione delle lamprede e delle salamandre
durante il mio dottorato.
Ma ho sempre saputo che le mie simulazioni erano solo approssimazioni.
Come simulare la fisica in acqua o con fango o terreni difficili,
è molto difficile simularli correttamente al computer.
Perché non un robot e una fisica veri?
Quindi tra tutti questi animali, uno dei miei preferiti è la salamandra.
Vi chiederete perché. Il motivo è che in quanto anfibio,
è un animale chiave da un punto di vista evoluzionistico.
È un collegamento fantastico tra il nuoto,
come nelle anguille o nei pesci,
e la locomozione dei quadrupedi, come i mammiferi, i gatti e gli umani.
In effetti, la salamandra moderna
è molto simile al primo vertebrato terrestre,
è quasi un fossile vivente,
che ci dà accesso ai nostri antenati,
antenati di tutti i tetrapodi terrestri.
Quindi la salamandra nuota
con un'andatura natatoria detta anguilliforme,
e propagano un'ondata di attività muscolare da testa a coda.
E se si mette la salamandra a terra,
si converte all'andatura detta al passo e trotto.
In questo caso, c'è un'attivazione periodica degli arti
che si coordinano con armonia
con quest'ondulazione del corpo ad onda statica,
ed è esattamente l'andatura che state vedendo ora su Pleurobot.
Una cosa veramente sorprendente e affascinante
è che tutto questo può essere generato solo dalla spina dorsale e dal corpo.
Quindi se si prende un animale decerebrato -
non è bello ma se si rimuove la testa -
e se si stimola elettricamente la spina dorsale,
ad una bassa stimolazione verrà indotta una sorta di andatura.
Se si stimola un po' di più, l'andatura accelera.
E ad un certo punto c'è un limite,
e automaticamente, l'animale inizia a nuotare.
È fantastico.
Si cambia la trasmissione,
come se premendo l'acceleratore
della modulazione discendente alla spina dorsale,
ci fosse un cambio completo tra due andature molto diverse.
In realtà, la stessa cosa è stata osservata nei gatti.
Stimolando la spina dorsale di un gatto,
si può cambiare tra passo, trotto e galoppo.
O negli uccelli, si può cambiare tra camminare,
ad una bassa stimolazione,
e sbattere le ali ad un'alta stimolazione.
Questo dimostra che la spina dorsale
controlla la locomozione in modo molto sofisticato.
Abbiamo studiato il movimento della salamandra nei dettagli,
abbiamo avuto accesso ad una macchina a raggi X
del Prof. Martin Fischer dell'Università di Jena in Germania.
E grazie a quella, abbiamo una macchina fantastica
per registrare tutti i movimenti ossei in dettaglio.
Ecco cos'abbiamo fatto.
In pratica abbiamo scoperto quali ossa erano importanti per noi
e registrato il loro movimento in 3D.
Abbiamo raccolto un intero database di movimenti,
sia su terra che in acqua,
per raccogliere un database di comportamenti motori
che un animale può fare.
Il nostro lavoro di robotici è stato replicarli nel nostro robot.
È stato fatto un processo di ottimizzazione per trovare la struttura giusta,
dove posizionare i motori, come connetterli tra di loro,
per poter ripetere i movimenti il meglio possibile.
Ed è così che è nato Pleurobot.
Vediamo quanto è simile all'animale vero.
Quello che vedete è quasi un paragone diretto
tra la camminata dell'animale e Pleurobot.
Potete vedere che c'è una ripetizione quasi identica
della camminata.
Andando indietro al rallentatore si vede anche meglio.
Ma ancora meglio è il nuoto.
Abbiamo una muta che mettiamo addosso al robot --
(Risate)
possiamo andare in acqua e riprodurre l'andatura natatoria.
Qui siamo stati molto contenti, perché questo era difficile da fare.
La fisica dell'interazione è complessa.
Il nostro robot è molto più grande di un piccolo animale,
perciò siamo ricorsi all'ingrandimento dinamico delle frequenze
per ottenere la stessa fisica delle interazioni.
Ma alla fine vedete una buona corrispondenza,
ed eravamo davvero contenti.
Passiamo alla spina dorsale.
Quello che abbiamo fatto con Jean-Marie Cabelguen
è stato modellare i circuiti della colonna.
La cosa interessante è che la salamandra
ha un circuito molto primitivo,
molto simile a quello della lampreda,
questo pesce primitivo simile all'anguilla,
e sembra in evoluzione,
abbiamo aggiunto oscillatori neurali per controllare gli arti,
per il movimento delle zampe.
E sappiamo dove si trovano questi oscillatori
ma noi abbiamo fatto un modello matematico
per vedere come accoppiarli
per permettere il passaggio tra due andature molto diverse.
E l'abbiamo testato su un robot.
Ecco il risultato.
Quello che vedete è una versione precedente di Pleurobot
completamente controllata dal nostro modello di spina dorsale
programmata sul robot.
L'unica cosa che facciamo
è mandare al robot tramite un telecomando
i due segnali discendenti che di solito riceve
dalla parte superiore del cervello.
La cosa interessante è che, giocando con questi segnali,
possiamo controllare velocità, direzione e tipo di andatura.
Per esempio,
Quando lo stimolo è a livello inferiore, otteniamo una camminata,
e ad un certo punto, se stimoliamo molto,
cambia rapidamente nell'andatura natatoria.
Infine, possiamo anche girare molto bene
solo stimolando di più un lato della spina dorsale rispetto all'altro.
Penso sia bellissimo
come la natura abbia distribuito il controllo
per dare davvero molta responsabilità alla spina dorsale
così che la parte superiore del cervello non si deve preoccupare di ogni muscolo.
Si deve solo preoccupare della modulazione ad alto livello,
ed è la spina dorsale a dover coordinare tutti i muscoli.
Passiamo alla locomozione dei gatti e all'importanza della biomeccanica.
Questo è un altro progetto
in cui abbiamo studiato la biomeccanica dei gatti,
per vedere quanto la morfologia aiuti la locomozione.
Abbiamo trovato tre criteri importanti nelle proprietà,
in pratica, degli arti.
Il primo è che l'arto di un gatto
ha una struttura più o meno simile al pantografo.
Un pantografo è una struttura meccanica
che mantiene il segmento superiore sempre parallelo a quello inferiore.
Quindi un semplice sistema geometrico che coordina un po'
i movimenti interni dei segmenti.
La seconda proptità degli arti è che sono molto leggeri.
La maggior parte dei muscoli è nel busto,
che è una buona idea, così gli arti hanno una bassa inerzia
e possono muoversi rapidamente.
L'ultima importante proprietà è questa grande elasticità dell'arto,
per sopportare urti e forze.
È così che abbiamo progettato Cheetah-Cub.
Invitiamo Cheeta-Cub sul palco.
Questo è Peter Eckert, che fa il dottorato su questo robot,
e come vedete è un grazioso robottino.
Sembra un giocattolo,
ma è stato usato come strumento scientifico
per studiare queste proprietà delle gambe dei gatti.
Vedete, è molto adattabile, molto leggero,
e anche molto elastico,
lo sì può facilmente schiacciare e non si rompe.
In effetti, fa solo un salto.
E questa proprietà così elastica è anche molto importante.
E si vedono anche un po' le proprietà
di questi tre segmenti delle gambe come pantografo.
Ora, l'interessante è che quest'andatura così dinamica
è ottenuta semplicemente a circuito aperto
cioè senza sensori, senza complessi circuiti di feedback.
Ed è interessante perché significa
che solo la meccanica stabilizza già quest'andatura rapida,
e che la meccanica veramente buona semplifica la locomozione già alla base.
Al punto che possiamo persino disturbare un po' la locomozione,
come vedremo nel prossimo video,
dove per esempio possiamo fare esercizi in cui il robot scende uno scalino,
senza che il robot cada,
che per noi è stata una sorpresa.
Questo è un piccolo turbamento.
Mi aspettavo che il robot si ribaltasse immediatamente,
perché non ci sono sensori, o circuiti di feedback veloce.
Ma no, la sola meccanica ha stabilizzato l'andatura,
e il robot non si ribalta.
Ovviamente, se si fa un passo più lungo, e in presenza di ostacoli,
c'è bisogno di ogni circuito di controllo e dei riflessi, eccetera.
Ma la cosa importante è che solo per un piccolo turbamento
la meccanica è corretta.
Penso che sia un messaggio molto importante
da biomeccanica e robotica a neuroscienza,
che dice di non sottovalutare quanto il corpo aiuti già la locomozione.
Ora, cosa c'entra questo con la locomozione umana?
La locomozione umana è più complessa di quella dei gatti e delle salamandre,
ma allo stesso tempo il sistema nervoso umano è molto simile
a quello degli altri vertebrati.
Specialmente la spina dorsale
è la chiave per il controllo della locomozione umana.
Ecco perché se c'è una lesione della spina dorsale
le conseguenze sono drammatiche.
La persona può diventare paraplegica o tetraplegica.
Questo perché il cervello perde la comunicazione
con la spina dorsale.
In particolare, perde questa modulazione discendente
per indurre e modulare la locomozione.
Quindi un obiettivo della neuroprotesi
è riuscire a riattivare quella comunicazione
usando stimolazioni elettriche o chimiche.
Ci sono vari team nel mondo che fanno proprio questo,
specialmente a EPFL.
Il miei colleghi Grégoire Courtine e Silvestro Micera,
con i quali collaboro.
Ma per farlo come si deve, è molto importante capire
come funziona la spina dorsale,
come interagisce con il corpo,
e come il cervello comunica con la spina dorsale.
Questo è dove i robot e i modelli che ho presentato oggi
giocheranno forse un ruolo chiave
verso questo obiettivo molto importante.
Grazie.
(Applausi)
Bruno Giussani: Auke, ho visto altri robot nel tuo laboratorio
che fanno cose come nuotare nell'inquinamento
misurando l'inquinamento mentre nuotano.
Ma questo qui,
l'hai detto nella presentazione, come progetto parallelo,
ricerca e soccorso,
ha una videocamera sul naso.
Auke Ijspeert: Certo. Dunque il robot --
abbiamo dei progetti spin-off
in cui vorremmo usare i robot per fare ispezioni di ricerca e soccorso --
ora questo robot ti vede.
E il sogno è, se c'è una situazione difficile
come un edificio crollato o un edificio inondato,
molto pericolosa per una squadra di soccorso o persino per i cani,
perché non mandare un robot che può strisciare, nuotare, camminare
con una videocamera per fare ispezioni e identifica resopravvissuti
e magari comunicazre con il sopravvissuto.
BG: Certo, supponendo che i sopravvissuti non si spaventino della sua forma.
AI: Sì, forse dovremmo cambiarne un po' l'aspetto,
perché penso che il sopravvissuto potrebbe morire di infarto
solo pensando che si possa nutrire di lui.
Ma cambiando l'apparenza e rendendolo più robusto,
sono sicuro che si possa farne un buono strumento.
BG: Grazie mille. Grazie a te a al tuo team.