Vi-l prezint pe Pleurobot.
Pleurobot e un robot ce imită cu precizie o specie de salamandre
numită Tritonul iberian.
Pleurobot poate să meargă, după cum puteți vedea,
iar mai târziu veți vedea că poate să și înoate.
Poate vă întrebați: de ce am proiectat acest robot?
A fost proiectat pentru a servi ca instrument științific în neuroștiințe.
Într-adevăr, l-am proiectat împreună cu neurobiologi
pentru a înțelege modul în care animalele se mișcă
și mai ales modul în care măduva spinării controlează locomoția.
Pe măsură ce lucrez în biorobotică,
sunt tot mai impresionat de locomoția animalelor.
Dacă ne gândim la modul în care înoată un delfin, cum aleargă sau sare o pisică,
sau chiar la noi, oamenii,
atunci când alergăm sau jucăm tenis,
înțelegem că sunt niște lucruri extraordinare.
De fapt, sistemul nostru nervos rezolvă o problemă de control extrem de complexă.
Trebuie să coordoneze perfect 200 de mușchi,
iar dacă coordonarea e defectuoasă, vom cădea sau nu ne vom mișca bine.
Scopul meu este să înțeleg cum funcționează această coordonare.
Există patru componente principale ce explică locomoția animalelor.
Prima componentă este doar corpul;
și nu trebuie niciodată să subestimăm
în ce măsură biomecanica simplifică locomoția animalelor.
Apoi urmează măduva spinării,
iar în măduva spinării se află reflexele,
mai multe reflexe care creează o coordinare senzorialo-motorie
între activitatea neuronală din măduva spinării și activitatea mecanică.
O a treia componentă e sistemul central de generare al mișcărilor.
Sunt niște circuite foarte interesante în măduva spinării la animalele vertebrate
care pot genera automat
activități ritmice foarte coordonate
receptând doar niște semnale de intrare foarte simple.
Iar aceste semnale de intrare
provin din modulații descendente din părțile superioare ale creierului,
cum ar fi cortexul motor, cerebelul, ganglionii bazali,
ce vor modula activitatea măduvei spinării
în timp ce facem o mișcare.
Ceea ce e interesant e măsura în care această simplă componentă,
măduva spinării, împreună cu corpul,
rezolvă o parte mare din problema locomotorie.
Probabil știți asta și din exemplul găinii cu capul tăiat
care va mai alerga o vreme,
demonstrând că doar partea inferioară, măduva spinării și corpul
rezolvă o mare parte din problema locomotorie.
E complicat să înțelegem cum funcționează
pentru că trebuie să analizăm activitatea din măduvă, și aste e foarte dificil.
E mult mai simplu să plasezi electrozi în cortexul motor
decât în măduvă, deoarece e protejată de coloana vertebrală.
Mai ales la oameni.
O a doua dificultate e că locomoția se datorează unei interacțiuni
foarte complexe și dinamice dintre aceste patru componente.
Deci e foarte greu de precizat care e rolul fiecăruia.
Aici robotul Pleurobot și modelele matematice
sunt cele care ne pot ajuta.
Deci ce e biorobotica?
Biorobotica e un câmp de cercetare foarte activ în robotică
unde oamenii se inspiră de la animale
pentru a proiecta roboți pentru exterior,
cum ar fi roboții care prestează servicii, de căutare și salvare
sau roboții de câmp.
Scopul principal e să ne inspirăm de la animale
pentru a crea roboți pentru terenuri complexe:
scări, munți, păduri,
locuri unde roboții întâmpină încă dificultăți
și unde animalele se descurcă mai bine.
Robotul poate fi un instrument științific extraordinar.
Sunt câteva proiecte în care se folosesc roboți,
ca instrumente științifice pentru neuroștiință, biomecanică
sau hidrodinamică.
Exact aceasta e și scopul lui Pleurobot.
În laborator colaborăm cu neurobiologi,
unul dintre ei e Jean-Marie Cabelguen, din Bordeaux, Franța,
pentru a crea modele de măduvă a spinării pe care să le folosim pe roboți.
Și am început cu ceva simplu.
E bine să începem cu animale simple
cum e chișcarul de râu, o specie foarte primitivă
apoi treptat să trecem la sisteme de locomoția mai complexe,
cum vedem la salamandre, dar și la pisici și la oameni,
adică la mamifere.
Astfel, robotul devine un instrument interesant
de validare a modelelor noastre.
Pentru mine, Pleurobot e ca un vis devenit realitate.
Acum aproximativ 20 de ani, lucram la calculator
făcând simulări ale locomoției chișcarului de râu și salamandrei
în timpul doctoratului.
Însă știam bine că simulările erau doar aproximații.
Simularea mișcărilor în apă, în nămol, sau terenuri complexe
sunt foarte greu de realizat pe calculator.
Dar de ce să nu avem un robot adevărat și cu mișcări reale?
Dintre toate animalele, una dintre preferatele mele e salamandra.
Dacă vă întrebați de ce, asta pentru că e un amfibian,
este un animal esențial din punct de vedere al evoluției.
Creează o conexiune extraordinară între înot,
după cum vedem la țipari sau la pești,
și locomoția patrupedă pe care o vedem la mamifere, la pisici și la oameni.
Într-adevăr, salamandra modernă
e foarte asemănătoare primelor vertebrate terestre,
deci, e de-a dreptul o fosilă vie
ce ne permite accesul la predecesorii noștri,
predecesorul tuturor patrupedelor terestre.
Deci, salamandra înoată
și face asta prin ceea ce numim noi înot specific anghilelor,
ce propagă o mișcare unduitoare a mușchilor de la cap spre coadă.
Și dacă punem salamandra jos pe pământ,
va avea un mers agale.
În acest caz vorbim de o activare periodică a picioarelor
foarte frumos coordonată
într-o ondulație permanentă a corpului.
și exact aceasta este mersul pe care-l vedeți acum la Pleurobot.
Un lucru care este cu adevărat surprinzător și fascinant,
e că toate acestea pot fi generate doar de măduva spinării și corp.
Astfel, dacă luați o salamandră decapitată —
nu e un lucru drăguț dar dacă îi tăiați capul —
și îi stimulați electric măduva spinării,
la o stimulare ușoară, aceasta va merge agale,
iar dacă stimulați un pic mai tare, mersul se va accelera.
La un moment dat, se află un prag,
și în mod automat animalul va începe să înoate.
Este extraordinar.
Doar schimbând modul de stimulare,
ca și cum ai apăsa pe o pedală de accelerație,
provoacă o modulație descendentă pe măduva spinării,
făcând ca salamandra să își schimbe modul de deplasare în mod radical.
De fapt, același lucru s-a observat și la feline.
Dacă stimulezi măduva spinării unei feline,
va face trecerea între mers, alergare și galop.
Și la păsări. Poți face ca o pasăre să schimbe între mers,
la un nivel slab de stimulare,
sau să dea din aripi la o stimulare mai puternică.
Și aceasta dovedește că măduva spinării
e un coordonator al locomoției foarte sofisticat.
Deci, am studiat locomoția salamandrei în detalii,
având acces la un aparat de radiografii foarte performant
al profesorului Martin Fischer de la Jena University din Germania.
Și datorită lui am avut un dispozitiv extraordinar
cu care am înregistrat mișcările oaselor în mare detaliu.
Exact asta am și făcut.
Am încercat să ne dăm seama ce oase sunt importante pentru noi
și am analizat mișcarea lor în format 3D.
Am făcut o adevărată bază de date cu mișcări
atât pe uscat, cât și în apă,
pentru a avea o bază de date cu modul de mișcare
al unui animal real.
Munca noastră a fost să replicăm aceste mișcări pentru roboții noștri.
Am depus o muncă titanică pentru a găsi structura potrivită,
unde să plasăm motoarele, cum anume să le conectăm,
pentru a putea imita acele mișcări pe cât de bine posibil.
Și așa a luat viață Pleurobot.
Să analizăm acum cât de bine imită animalul real.
Ceea ce vedeți aici e aproape o comparație directă
între mersul animalului real și mersul lui Pluerobot.
Puteți observa că am obținut aproape același mers cu al salamandrei.
Dacă redăm cu încetinitorul se poate vedea și mai bine.
Dar și mai bine decât atât, am imitat înotul.
Pentru asta am îmbrăcat robotul cu un costumul de baie...
(Râsete)
apoi intrăm în apă pentru a înota.
Suntem foarte fericiți pentru că acesta e un lucru foarte dificil de realizat.
Fizica interacțiunilor e complexă.
Robotul e mult mai mare decât un animal,
astfel că a trebuit să facem scalarea dinamică a frecvențelor
pentru a ne asigura că avem aceeași interacțiune.
Și se poate vedea că imită destul de bine
și suntem foarte, foarte mândri de asta.
Deci, să revenim la măduva spinării.
Împreună cu Jean-Marie Cabelguen
am modelat circuitele din măduva spinării.
E interesant faptul că salamandra
a păstrat un circuit foarte primitiv,
care e foarte asemănător cu ceea ce găsim la chișcar,
acest pește primitiv asemănător cu un țipar,
și se pare că în timpul evoluției,
noi oscilatoare neuronale s-au adăugat pentru a controla mișcarea picioarelor.
Știm bine unde se află aceste oscilatoare neuronale,
însă am făcut un model matematic
pentru a vedea cum trebuie cuplate
pentru a permite tranziția între cele două tipuri de mers.
Și le-am testat pe robot.
Și uite cum arată.
Ceea ce vedeți e versiunea anterioară a lui Pleurobot
care e controlat în totalitate de modelul nostru de măduvă a spinării
programat pe robot.
Și singurul lucru pe care-l facem
e să transmitem robotulul cu ajutorul unei telecomande
cele două semnale pe care ar trebui în mod normal să le primească
din partea superioară a creierului.
Dacă ne jucăm cu aceste semnale
putem controla viteza, direcția de deplasare și tipul de mers.
De exemplu,
dacă stimulăm puțin, obținem mersul normal,
și la un moment dat, dacă stimulăm mai mult,
mersul se va schimba rapid în înot.
În final, putem de asemenea să schimbăm direcția
prin stimularea unei părți a măduvei mai mult decât cealaltă.
Și consider că acesta e un lucru grozav.
Faptul că natura a distribuit controlul
și a dat întreaga responsabilitate măduvei spinării
astfel încât creierului să nu controleze fiecare mușchi.
Trebuie doar să se ocupe de modulația de nivel înalt,
iar măduva spinării e cea care va coordona toți mușchii.
Acum să ne întoarcem la locomoția felinelor și la importanța biomecanicii.
Acesta e un alt proiect
în care am studiat biomecanica felinelor
și am vrut să vedem în ce măsură morfologia ajută locomoția.
Am descoperit trei criterii importante ale membrelor.
Primul criteriu e că membrele unei feline
arată asemănător cu o structură de tip pantograf.
Pantograful este o structură mecanică
care ține segmentul superior și segmentele inferioare întotdeauna paralele.
Un sistem geometric simplu ce coordonează
mișcarea internă a segmentelor.
A doua proprietatea a membrelor felinelor e că sunt extrem de ușoare.
Majoritatea mușchilor se află în trunchi
ceea ce e ideal, deoarece membrele au inerție mică
și pot fi mișcate cu rapiditate.
Ultima caracteristică foarte importantă e caracterul extrem de elastic
pentru a face față impactului și forței.
Astfel am proiectat „Puiul de ghepard”.
Haideți să invităm „Puiul de ghepard” pe scenă.
El e Peter Eckert, și el își face doctoratul pe tema acestui robot.
După cum vedeți, e un robot mic și drăguț.
Arată ca o jucărie,
însă a fost folosit ca instrument științific
pentru a cerceta caracteristicile picioarelor felinelor.
Vedeți, e foarte maleabil, foarte ușor,
de asemenea, și foarte elastic.
Poate fi apăsat cu ușurință și nu se va rupe.
De fapt, va sări.
Această caracteristică a elasticității este foarte importantă.
Puteți vedea aceste caracteristici
ale acestor trei segmente ale picioarelor de tip pantograf.
E foarte interesant faptul că acest mers destul de dinamic
e obținut printr-un circuit deschis,
adică fără senzori, fără circuite de feed-back.
Acest lucru e interesant pentru că înseamnă că doar mecanica
a stabilizat acest mers rapid
și că mecanica cu adevărat bună simplifică esențialmente locomoția.
Putem chiar să deranjăm puțin locomoția,
după cum veți vedea în clipul următor,
unde punem robotul să facă un exercițiu, de exemplu să coboare o treaptă,
și robotul nu va cădea,
ceea ce a fost o surpriză pentru noi.
Este o ușoară perturbare.
Mă așteptam ca robotul să se împiedice imediat,
pentru că nu are senzori sau circuite de feedback.
Însă nu, mecanica în sine a stabilizat mersul,
iar robotul nu a căzut.
Evident, dacă treptele sunt mai mari, și dacă dai de obstacole,
vei avea nevoie de un întreg sistem de control și de reflexe.
Ceea ce e important e că doar pentru o mică perturbare,
mecanica funcționează perfect.
Cred că aceasta e un mesaj foarte important
din partea biomecanicii și a roboticii către neuroștiințe,
care ne spune să nu subestimăm gradul în care corpul deja ajută locomoția.
Cum se aseamănă toate acestea de locomoția umană?
Evident, locomoția umană e mai complexă decât locomoția pisicii sau a salamandrei,
însă sistemul nervos al oamenilor este foarte asemănător
cu cel al altor vertebrate.
În special măduva spinării
e regulatorul principal și pentru locomoția umană.
Din acest motiv, dacă există o leziune pe măduva spinării,
aceasta are efecte dramatice.
Persoana poate deveni paraplegică sau tetraplegică.
Aceasta pentru că creierul pierde comunicarea
cu măduva spinării.
În special acea modulație descendentă
ce inițiază și modulează locomoția.
Un mare țel al neuroprotezelor
e acela de a fi capabile să reactiveze această comunicare
folosind stimulări electrice sau chimice.
Sunt mai multe echipe în lume care fac exact acest lucru,
în special la EPFL.
Colegii mei, Grégoire Courtine și Silvestro Micera,
cu care colaborez.
Dar pentru a face asta corect e foarte important să înțelegem
cum funcționează măduva spinării,
cum interacționează cu corpul,
și cum comunică creierul cu măduva spinării.
Și aici roboții și modelele pe care vi le-am prezentat astăzi
vor juca sper un rol cheie
în atingerea acestor țeluri foarte importante.
Mulțumesc.
(Aplauze)
Bruno Giussani: Auke, am văzut în laboratorul tău și alți roboți
care înotă în ape poluate
și măsoară gradul de poluare în timp ce înoată.
Dar pentru aceasta,
ai menționat în discursul tău, ca e un proiect secundar
pentru căutare și salvare,
și are o cameră video montată pe nas.
Auke Ijspeert: Absolut. Acest robot --
Avem câteva proiecte secundare
în care am dori să folosim roboți pentru acțiuni de căutare și salvare,
iar acest robot te poate vedea acum.
Și visul cel mare este ca în cazul unei situație dificile
cum ar fi prăbușirea unei clădiri sau o clădire inundată,
și e prea periculos să intre echipa de salvare sau chiar și câinii,
de ce să nu trimitem un robot care se poate târî, înota sau merge,
cu o cameră video pentru a inspecta terenul și a identifica supraviețuitorii
și, poate, de a comunica cu supraviețuitorii.
BG: Desigur, dacă supraviețuitorii nu se vor speria de forma robotului.
Al: Da, probabil că ar trebui să-i schimbăm înfățișarea puțin,
pentru că presupun că supraviețuitorii ar putea face atac de cord
dacă sunt speriați de un robot ce pare că îți caută de mâncare.
Însă dacă îi schimbăm înfățișarea
sunt sigur că poate fi un instrument foarte util.
BG: Vă mulțumesc foarte mult.