Dit is Pleurorobot.
Pleurobot is ontworpen om te lijken op een salamander soort
genaamd Pleurodeles waltl.
Pleurobot kan lopen,
en zoals je zult zien, kan hij ook zwemmen.
Waarom hebben we deze robot ontworpen?
Hij is bedoeld als instrument voor neurowetenschappelijk onderzoek.
We hebben hem ontworpen samen met neurobiologen,
om te begrijpen hoe dieren bewegen
en hoe het ruggenmerg beweging controleert.
Hoe meer ik in biorobotica werk
hoe meer ik onder de indruk ben van beweging van dieren.
Denk aan een zwemmende dolfijn, of een kat die rent en springt,
Of zelfs aan ons, mensen,
als we hardlopen of tennissen.
We doen verbazingwekkende dingen.
Ons zenuwstelsel lost feitelijk een ingewikkeld probleem op.
Het moet ongeveer 200 spieren foutloos aansturen,
want slechte coördinatie betekent omvallen of slechte voortbeweging.
Mijn doel is om te snappen hoe dit werkt.
Vier hoofdonderdelen maken voortbeweging van dieren mogelijk.
Het eerste onderdeel is het lichaam zelf,
en we mogen niet onderschatten
in hoeverre biomechanica beweging in dieren al versimpelt.
Ten tweede heb je het ruggenmerg.
In het ruggenmerg vind je reflexen.
Meerdere reflexen samen vormen een sensorisch-motorische koppeling
tussen neurale activiteit in het merg en mechanische activiteit.
De derde component zijn centrale patroongeneratoren.
Dit zijn zeer interessante circuits in het ruggenmerg van gewervelde dieren.
Ze genereren, uit zichzelf, gecoördineerde ritmische activiteit
op basis van heel simpele inputsignalen.
Deze inputsignalen zijn afkomstig van hogere hersengebieden
zoals de motorcortex, het cerebellum, en de basale ganglia.
Deze beïnvloeden activiteit in het ruggenmerg tijdens voortbeweging.
Het is interessant in hoeverre de lagere onderdelen,
het ruggenmerg en het lichaam,
het voortbewegingsprobleem al grotendeels oplossen.
Je weet vast, dat een kip zonder kop nog een tijdje kan rondrennen.
Dit laat zien dat dit onderste deel, het ruggenmerg en het lichaam,
een groot deel van voortbeweging verzorgt.
Dit begrijpen is erg ingewikkeld.
Allereerst is het meten van de activiteit in het ruggenmerg erg moeilijk.
Het is makkelijker om elektrodes te plaatsen in de motorcortex.
Want het ruggenmerg wordt beschermd door wervels.
Zeker in mensen is dat heel moeilijk.
Een tweede moeilijkheid is dat beweging ontstaat
uit complexe, dynamische interactie tussen de vier componenten.
Uitvinden wat elke component doet is niet makkelijk.
Hier kunnen biorobots, zoals Pleurobot, en wiskundige modellen helpen.
Biorobotica is een zeer actief onderzoeksgebied binnen robotica
waar mensen zich laten inspireren door dieren
om robots te maken die naar buiten gaan,
zoals servicerobots, reddingsrobots of terreinrobots.
Het doel is om op dieren geïnspireerde robots te maken voor lastig terrein:
trappen, bergen of bossen,
plekken waar robots nog moeite hebben en waar dieren veel beter in zijn.
Robots spelen ook een belangrijke rol in onderzoek.
Er zijn mooie projecten waarin robots gebruikt worden
in de neurowetenschap, biomechanica of hydrodynamiek.
Dat is ook precies het doel van Pleurobot.
In mijn onderzoeksgroep werken we samen met neurobiologen
zoals Jean-Marie Cabelguen, een neurobioloog uit Bordeaux, Frankrijk.
We willen het ruggenmerg modelleren en de modellen valideren op robots.
We wilden simpel beginnen,
met simpele dieren zoals lampreien.
Een soort primitieve vissen.
Daarna kwamen dieren met complexere voortbeweging,
zoals salamanders, maar ook katten en mensen, zoogdieren.
Dan wordt een robot een belangrijk instrument
om onze modellen te valideren.
Voor mij is Pleurobot een uitgekomen droom.
Zo'n 20 jaar geleden werkte ik al op een computer
aan simulaties van lamprei- en salamandervoortbeweging,
tijdens mijn promotieonderzoek.
Maar mijn simulaties waren slechts een benadering.
Het simuleren van de krachten van water, modder en complexe ondergronden
was erg moeilijk om goed te doen met de computer.
Waarom geen echte robot met echte krachten?
Van al deze dieren is de salamander mijn favoriet.
Waarom?
Omdat amfibieën vanuit een evolutionair oogpunt erg belangrijk zijn.
Het is een prachtige link tussen zwemmen,
zoals je ziet in alen of vissen,
en viervoetige voortbeweging, zoals je ziet in zoogdieren.
Eigenlijk is de moderne salamander nauw verwant aan de eerste gewervelden.
Het is bijna een levend fossiel.
Dit geeft ons toegang tot onze voorouders.
De voorouders van alle viervoeters.
De zwemwijze van de salamander noemen we anguilliforme zwembeweging,
dus de spieractiviteit beweegt in een gelijkmatige golf van kop naar staart.
Als je een salamander op de grond plaatst,
dan verandert zijn bewegingspatroon naar draf.
Je ziet periodieke activering van de verschillende ledematen,
mooi gecoördineerd met die staande golf die door het lichaam beweegt.
Dat is precies het bewegingspatroon dat je hier ziet bij Pleurobot.
Heel verrassend en fascinerend
is dat deze beweging gegenereerd wordt door alleen het ruggenmerg en lichaam.
Als je een decerebrate salamander neemt --
met de kop verwijderd--
dan kun je het ruggenmerg elektrisch stimuleren.
Bij een laag stimulatieniveau ontstaat loopachtige voortbeweging.
Als je sterker stimuleert versnelt het patroon
en bij een bepaalde grens wisselt het dier automatisch naar zwemmen.
Dit is geweldig.
Verander de aandrijving,
alsof je het gaspedaal indrukt
van de afdalende omvorming naar het ruggenmerg,
veroorzaakt een complete wissel tussen twee zeer verschillende gangen.
Hetzelfde is gezien in katten.
Als je het ruggenmerg stimuleert wisselt de kat tussen stap, draf en galop.
En ook vogels wisselen
van lopen, bij lage stimulatie, naar klapwieken, bij hoge stimulatie.
Dit laat zien dat het ruggenmerg
een geavanceerde regelaar is van beweging.
We bestudeerden salamanders in meer detail,
met behulp van een röntgencamerasysteem
van professor Martin Fischer van de Jena Universiteit uit Duitsland.
Door deze geweldige machine
konden we heel gedetailleerd de beweging van de botten vastleggen.
Dat hebben we gedaan.
We identificeerden de belangrijke botten
en registreerden de bewegingen in 3D.
We verzamelden allerlei bewegingen --
zowel op land als in het water --
in een database van motorisch gedrag dat een echt dier kan vertonen.
Onze taak als robotici was om dit na te maken in onze robot.
In een heel optimalisatieproces zochten we naar de juiste structuur,
de plaats van de motoren en hun onderlinge verbinding,
om deze bewegingen na te bootsen.
Dit is hoe Pleurobot tot leven kwam.
Laten we kijken hoe goed dat gelukt is.
Je ziet een vrijwel zuivere vergelijking tussen het echte dier en de Pleurobot.
Het is bijna een één op één- herhaling van de gang.
Achteruit en vertraagd afgespeeld zie je het nog beter.
Maar nog beter: hij kan ook zwemmen.
Daarvoor gebruiken we een waterdicht pak waar we de robot mee inpakken.
(Gelach)
Daarmee kan hij het water in om de zwemwijze na te bootsen.
Dit was moeilijk om te doen.
De interactie tussen de krachten is complex.
Onze robot is veel groter dan het kleine dier,
dus we moesten de schaal van de frequenties aanpassen
om juiste interactie-krachten te generen.
Maar het is een goede overeenkomst.
Hier waren we erg blij mee.
Laten we het hebben over het ruggenmerg.
Samen met Jean-Marie Cabelguen hebben we de ruggenmergcircuits gemodelleerd.
De salamander heeft interessant genoeg een erg primitief neuraalcircuit.
Dit circuit lijkt op dat van de lampreien,
de primitieve, aalachtige vissen.
Het lijkt erop dat tijdens de evolutie
nieuwe oscillatoren zijn toegevoegd om de poten aan te sturen,
dus voor beenmotoriek.
We wisten de locatie van deze oscillatoren
maar hebben een wiskundig model gebruikt
om te zien hoe we ze moesten verbinden
zodat we de twee soorten voortbeweging konden afwisselen.
We hebben dit getest in een robot.
Het zag er zo uit.
Dit is een voorloper van de Pleurobot.
Hij wordt compleet gestuurd door zijn interne ruggenmerg-model.
Het enige wat wij doen
is via een afstandbediening de twee signalen sturen
die normaal vanuit de hersenen het ruggenmerg bereiken.
Het interessante is dat we met behulp van deze signalen
snelheid, richting en type voortbeweging helemaal kunnen controleren.
Bij een laag stimulatieniveau loopt de robot,
en bij hoge stimulatie zien we een snelle wisseling naar zwemmen.
En we kunnen heel mooi draaien
door één kant van het ruggenmerg meer te stimuleren.
Ik vind het prachtig
hoe de natuur de controle heeft verdeeld
en het ruggenmerg grote verantwoordelijkheid heeft gegeven.
Zo hoeven de hersenen niet elke spier aan te sturen,
maar houden ze zich alleen bezig met de hogere modulatie.
Het ruggenmerg zorgt voor de aansturing van individuele spieren.
Laten we kijken naar de kat en de rol van biomechanica.
Dit is een ander project over de biomechanica van katten.
We wilden zien hoezeer lichaamsvorm voortbeweging ondersteunt.
We vonden drie belangrijke eigenschappen van de ledematen.
De eerste is dat de ledematen van de kat
een pantograafachtige structuur hebben.
Een pantograaf is een mechanische structuur
waarvan het bovenste en onderste segment altijd parallel aan elkaar blijven.
Dus een simpel geometisch systeem dat de beweging van de segmenten coördineert.
Een tweede eigenschap van kattenpoten is dat ze weinig wegen.
De meeste spieren zitten in de romp.
Hierdoor hebben de poten een lage inertie en kunnen snel bewegen.
De laatste belangrijke eigenschap is dat katten poten erg elastisch zijn
waardoor ze bestand zijn tegen schokken.
Zo hebben we Cheetah-Cub ontworpen.
Laten we hem uitnodigen op het podium.
Dit is Peter Eckert,
zijn promotieonderzoek gaat over deze robot.
Zoals je ziet is het een kleine robot.
Hij ziet eruit als een speelgoed,
maar hij wordt gebruikt als instrument
om eigenschappen van de kat te onderzoeken
Hij is erg licht en elastisch.
Je kunt hem gemakkelijk indrukken zonder hem te breken.
Hierdoor springt hij.
Deze elastische eigenschap is bijzonder belangrijk.
Je ziet nu ook de eigenschap van de pootsegmenten als pantograaf.
Het interessante is dat deze dynamische tred
puur ontstaat in een 'open loop',
dus zonder sensoren en zonder complexe terugkoppeling.
Dat is fascinerend, omdat het betekent
dat puur de mechaniek van het lichaam deze snelle voortbeweging kan stabiliseren
en dat goede mechaniek bewegingsaansturing erg versimpelt.
Zodanig goed dat we voortbeweging een beetje kunnen verstoren.
Dat zie je in het volgende filmpje.
Hierin stapt de robot van een verhoging.
De robot valt niet om.
Dat verbaasde ons.
Het is een kleine verstoring.
Ik verwachte dat de robot direct om zou vallen,
omdat hij geen sensoren heeft en geen terugkoppeling.
Maar de mechaniek stabiliseert de beweging en de robot valt niet om.
Als je de stap groter maakt of als je obstakels introduceert,
dan heb je natuurlijk terugkoppeling van informatie nodig en reflexen enz.
Maar belangrijk is dat voor een kleine verstoring de mechaniek genoeg is.
Dit is een belangrijke boodschap
van biomechanica en robotica aan de neurowetenschappen.
Onderschat de rol van het lichaam niet.
Wat heeft dit te maken met het menselijk voortbewegen?
Natuurlijk is onze gang ingewikkelder dan die van een kat of salamander,
maar het zenuwstelsel van mensen lijkt erg op dat van andere gewervelden.
Ook bij ons is het ruggenmerg de primaire regelaar van voortbeweging.
Daarom heeft beschadiging van het ruggenmerg dramatische gevolgen.
Er kan een gedeeltelijke of volledige verlamming ontstaan.
De hersenen verliezen namelijk hun communicatie met het ruggenmerg
in de vorm van de afdalende banen die voortbeweging initiëren en moduleren.
Een belangrijk doel van neurale protheses
is om deze communicatie te reactiveren
met hulp van elektrische of chemische stimulatie.
Er zijn verschillende teams die precies dat doen.
Bijvoorbeeld aan de EPFL,
mijn collega's Grégoire Courtine en Silvestro Micera,
met wie ik samenwerk.
Om dit goed te doen is het belangrijk te begrijpen hoe het ruggenmerg werkt,
hoe het communiceert met het lichaam,
en hoe de hersenen communiceren met het ruggenmerg.
De robots en modellen die ik vandaag heb gepresenteerd
gaan hopelijk een belangrijke rol spelen
bij het realiseren van deze belangrijke doelen.
Dankjewel.
(Applaus)
Bruno Giussani: Auke, ik heb in jouw lab nog andere robots gezien
die de vervuiling van het water meten waarin ze zwemmen.
Voor deze robot hier heb je het gehad over hulp bij reddingsacties.
Ik zie dat hij een camera draagt.
Auke Ijspeert: Absoluut!
We hebben een aantal spin-off projecten
waarin we proberen robots te ontwerpen voor reddingsacties.
Deze robot kan je zien.
De droom is om robots in te zetten in gevaarlijke situaties,
zoals een ingestort of overstroomd gebouw.
Te gevaarlijk voor een reddingsteam of zelfs voor honden.
Daar kunnen robots rondkruipen of zwemmen,
met een camera om te inspecteren en overlevenden te vinden.
en om communicatie met overlevenden mogelijk te maken.
BG: Ervan uitgaand dat de overlevenden hier niet van schrikken.
AI: Ja, we moeten het uiterlijk nog een beetje aanpassen,
anders krijgt de overlevende nog een hartaanval
van het idee dat de robot hem komt opeten.
Maar met een ander uiterlijk en wat robuster
kan het een goed gereedschap worden.
BG: Heel erg bedankt Auke en je team.