Bu Pleurobot.
Pleurobot, Pleurodeles waltl isimli semender ırkına çok benzeyecek şekilde
tasarladığımız bir robottur.
Burada gördüğünüz gibi Pleurobot yürüyebiliyor
ve ileride göreceğiniz gibi aynı zamanda yüzüyor.
Bu robotu neden tasarladığımızı sorabilirsiniz.
Aslında bu robot sinirbilimi için bilimsel bir araç olarak tasarlandı.
Aslında, bu robotu sinirbilimcilerle birlikte tasarladık.
Hayvanların nasıl hareket ettiğini anlamak ve
özellikle omurganın, hareketi nasıl kontrol ettiğini anlamak için tasarlandı.
Biyorobotlarla çalıştıkça
hayvanların hareketlerinden daha çok etkileniyorum.
Bir yunusun yüzmesini, bir kedinin koşmasını veya etrafta zıplamasını
düşünürseniz veya biz insanlar olarak bile
koşarken veya tenis oynarken
şaşırtıcı şeyler yapıyoruz.
Sinir sistemimiz, oldukça karmaşık olan bir kontrol problemini çözüyor.
Neredeyse 200'e yakın kası kusursuz bir şekilde koordine etmek zorunda.
Çünkü, eğer koordinasyon kötü olursa düşer veya kötü bir hareket yapmış oluruz.
Ve benim amacım bunun nasıl çalıştığını anlamak.
Hayvan hareketlerini sağlayan dört ana bileşen vardır
Birinci bileşen hayvanlarda hareketi
kolaylaştıran biyomekaniği kapsayan bedendir
ve bu asla küçümsenmemelidir.
Sonra omurga
ve omurgada bulunan refleksler,
omurgadaki nöral aktivite ve mekanik aktivite arasında
sensorimotor kordinasyon döngüsünü yaratan çoklu refleksler gelir.
Üçüncü bileşen, merkezi desen jeneratörleridir.
Bunlar, omurgalı hayvanların omuriliklerinde bulunan,
sadece çok basit giriş sinyallerini alarak,
koordineli ritmik aktivite desenleri yaratabilen
çok ilginç devrelerdir.
Ve bu giriş sinyalleri,
beynin üst bölümlerindeki motor korteks, beyincik, bazal gangliyon
gibi azalan modülasyondan gelir.
Biz hareket ederken, omurilik tüm
modülasyon aktivitesini yapar.
Fakat asıl ilginç olan, alt seviye bir bileşen,
omurilik ve vücut birlikte hareket probleminin
büyük bir bölümünü zaten çözer.
Muhtemelen, kafası kesildiği halde halen koşabilen
tavuk olayını biliyorsunuzdur.
Bu olay, alt bölümün, omurilik ve vücutla birilikte,
hareketi sağladığını gösterir.
Bunun nasıl çalıştığını anlamak çok karmaşıktır
çünkü her şeyden önce
omurilikteki kayıt aktivitesi çok zordur.
Elektrodların, motor kortekse yerleştirilmesi, omuriliğe
yerleştirilmesinden daha kolaydır çünkü omurga tarafından korunur.
Özellikle insanlarda, bu çok daha zordur.
İkinci bir zorluk da, hareketin, bu dört bileşen
arasında, çok kompleks ve dinamik bir etkileşim olmasıdır.
Zaman içinde, her birinin rolünü bulmak çok zordur.
Pleurobot gibi biyorobotlar ve matematiksel modeller, bize bu noktada
yardımcı olacaktır.
Peki, biyorobotik nedir?
Biyorobotik, insanların hayvanlardan
ilham alarak, dışarı çıkabilen,
servis, araştırma, kurtarma
veya arazi robotları yapmalarını sağlayan, robot araştırmalarının
çok önemli bir dalıdır.
Büyük hedef, hayvanlardan ilham alarak,
robotların halen zorluk yaşadığı ama
hayvanların çok iyi olduğu
merdiven, dağ, orman gibi arazilerle
baş edebilecek robotlar yapmaktır.
Robot mükemmel bir bilimsel araç da olabilir.
Biyomekanik veya hidromekanik alanlarında, robotların
nörobilim için bilimsel araç gibi kullanıldığı çok güzel projeler vardır.
Ve bu tam olarak Pleurobotun varoluş amacıdır.
Biz laboratuvarda, Fransa Bordeaux'dan bir
nörobiyolog olan Jean-Marie Cabelguen gibi nörobiyologlar ile omurilik modelleri
yapmak ve onları robotlar üzerinde doğrulamak istiyoruz.
Basitten başlamak istiyoruz.
Bu durumda, ilkel bir balık olan bofa
gibi basit hayvanlarla başlamak ve sonrasında
daha komplike harekete sahip semender, kedi
ve insan gibi memelilere
doğru gitmek
daha mantıklıcadır.
Ve işte robot, bizim modelimizi doğrulayacak
ilginç bir araç haline geliyor.
Ve aslında Pleurobot, benim için bir hayalin
gerçeğe dönüşmesidir. Bundan yaklaşık 20 yıl önce,
doktoram sırasında, bofa ve semender hareketi üzerine
simülasyon yapıyordum.
Fakat her zaman simülasyonlarımın sadece yaklaşımlar olduğunu biliyordum.
Fiziği; suda, çamurda veya komplike arazide simüle
etmek gibi bunu da bilgisayarda simüle etmek çok zor.
Niye gerçek robot veya gerçek fizik olmasın?
Tüm bu hayvanlar içinde semender en favori olanlarımdan biridir.
Niye diye sorabilirsiniz; çünkü o, evrimsel bakış açısından,
bir amfibi olarak, anahtar bir hayvandır.
Yılan balığı veya balıklardaki
yüzme özelliği; memeliler, kediler
ve insanlardaki dört ayaklı hareket arasında mükemmel bir bağlantı kurar.
Ve aslında modern semender
ilk karasal omurgalıya çok benzer,
bu nedenle adeta yaşayan bir fosildir ve
tüm karasal omurgalıların atası olan
atalarımıza ulaşma şansını verir.
Semender kıvrılarak yüzer
gibi hareket eder ve kafadan kuyruğa kadar olan kas
hareketlerinin dalgasını yayar.
Eğer semenderi yere koyarsanız,
tırıs yürüyüş şekline geçiş yapar.
Bu durumda bacakların güzel
koordineli hareketi ortaya çıkar
ve bu gördüğünüz tam olarak
Pleurobot'un yürüyüş şeklidir.
Şimdi çok şaşırtıcı ve aslında büyüleyici olan şey
tüm bunların, omurilik ve vücut tarafından yapılıyor olmasıdır.
Eğer beyni çıkarılmış, güzel değil fakat
kafası kesilmiş bir semenderin
omuriliğine elektriksel uyarıda bulunursanız,
uyarının alt seviyelerinde yürüme hareketini elde edersiniz.
Biraz daha çok uyarıda bulunursanız, yürüyüşü hızlanır.
Ve bir eşik noktasında,
hayvan otomatik olarak yüzme hareketine geçiş yapar.
Bu inanılmazdır.
Araba sürme hareketinde
olduğu gibi, gaz pedalına basarken de
omuriliğimizin azalan modülasyonuyla,
iki çok farklı yürüyüş şekli arasında geçiş yapmış oluruz.
Ve aslında aynı olay kedilerde de gözlenmiştir.
Eğer kedinin omuriliğini uyarırsanız,
yürüyüş, tırıs ve koşma arasında geçiş yapabilirsiniz.
Veya kuşlarda, uyarının alt seviyelerinde yürüyüş,
üst seviyelerinde kanat çırpma
arasında geçiş yapabilirsiniz.
Ve bu gerçekten omuriliğin çok sofistike
bir hareket kontrolcüsü olduğunu gösterir.
Semenderin hareketini daha detaylı inceledik ve
Almanya'daki Jena Üniversitesinden, Profesör Martin Fischer'in
röntgen makinasını kullanma şansımız oldu.
Bu sayede tüm kemik hareketlerini
detaylı olarak kaydedebildik.
Yaptığımız buydu.
Böylelikle hangi kemiklerin bizim için önemli olduğunu belirledik
ve onların hareketini 3 boyutlu olarak topladık.
Hem karadaki hem de sudaki
tüm hareketleri toplayarak,
gerçek bir hayvanın yapabileceği tüm davranışların
veritabanını oluşturduk.
Bizim görevimiz bu hareketleri kendi robotumuza eklemekti.
Böylece biz doğru yapıyı bulabilmek için; motorları nereye yerleştireceğimizi,
nasıl bağlıyacağımızı ve hareketlerin mümkün olan en iyi
şekilde yapılabilmesi amacıyla, tam bir optimizasyon işlemi yaptık.
Pleurobot işte böyle hayat buldu.
Şimdi gerçek bir hayvana ne kadar yakın olduğuna bakalım.
Burda gördüğünüz şey, gerçek bir hayvan ile
Pleurobot'un neredeyse direkt karşılaştırmasıdır.
Yürüyüş şeklinin, neredeyse birebir tekrarı
olduğunu görebilirsiniz.
Geri gidip yavaşça izlerseniz daha iyi göreceksiniz.
Fakat bundan da iyisi biz yüzebiliyoruz.
Bunun için robotun üstüne giydirdiğimiz bir takım elbisemiz var.
(Gülüşmeler)
Ve sonra biz suya girebiliyoruz ve yüzme şekilllerini tekrarlayabiliyoruz.
Ve burda biz çok mutluyuz çünkü bunu yapmak çok zor.
Etkileşimin fiziği komplekstir.
Robotumuz küçük bir hayvandan çok daha büyüktür.
Bu yüzden, biz aynı fiziksel etkileşimlerden emin olmak için
frekansların değişken ölçeklemesini yapmalıydık.
Fakat sonunda ne kadar yaklaştığımızı ve bizim ne kadar
mutlu olduğumuzu göreceksiniz.
Haydi şimdi omuriliğe gidelim.
Buradaki Jean-Marie Cabelguen ile modellediğimiz
omurilik devreleri.
İlginç olan, semender, aynı yılanımsı balık olan
bofa gibi ilkel bir devreye sahip
ve öyle görünüyor ki
evrim sırasında
yeni sinirsel osilatörler
bacak hareketlerini
yapmak için eklenmişlerdir.
Biz bu sinirsel osilatörlerin nerede olduğunu biliyoruz
fakat bizim yaptığımız; bu birbirinden çok farklı
hareket şekilleri arasında geçişe izin veren sinirsel osilatörlerin
nasıl çiftleştiklerini görmek için matematiksel bir model oluşturmaktı.
Ve biz bunu bir robot üzerinde test ettik.
Ve bu nasıl görüdüğü.
Burada gördüğünüz Pleurobot'un
tamamen omurilik tarafından kontrol edilen
önceki bir versiyonudur.
Bizim yaptığımız tek şey,
normalde beynin üst bölgesinden
gelmesi gereken iki sinyali,
uzaktan kumandayla robota göndermekti.
İlginç olan şey hız, yönelim ve hareket şeklinin tipini,
sinyallerle oynayarak tamamen kontrol edebiliyoruz.
Örneğin,
alt seviyede uyarırsak yürüyüş şeklini elde ederiz
ve bir noktada eğer çok fazla
ve sık uyarırsak yüzme şekline geçiş yapar.
Ve son olarak, omuriliğin bir tarafını diğer tarafa
göre daha fazla uyararak dönüşleri çok güzel yapabiliyoruz.
Beynin üst bölgesinin
her bir kas hareketinden sorumlu olması yerine,
doğanın bu işleri omuriliğe
dağıtmasını çok güzel buluyorum.
Beynin üst bölgesi sadece yüksek seviyeli modülasyonlardan
sorumludur ve kasların koordinasyonu gerçekten omuriliğin işidir.
O zaman şimdi kedinin hareketine ve biomekaniğin önemine gidelim.
Bu, kedinin biomekaniğini
çalıştığımız başka bir projedir ve biz morfolojinin
harekete ne kadar yardım ettiğini görmek istedik.
Özelliklerde, temel olarak bacaklarda,
üç farklı kriter bulduk.
İlki, az çok pantograf yapıya
benzeyen kedi bacağıdır.
Pantograf, üst ve alt segmentleri
daima paralel tutan mekanik bir yapıdır.
Bunun gibi basit bir geometrik sistem, segmentlerin
iç hareketlerini bir parça kontrol eder.
Kedinin bacaklarının ikinci bir özelliği ise hafif olmalarıdır.
Kasların çoğu gövdededir.
Bu iyi bir fikirdir çünkü böylece bacakların ataleti düşük olur
ve hızlıca hareket edebilir.
Kedi bacağının son önemli özelliği çok esnek bir yapıda olmasıdır.
Böylece darbelere ve dış güçlere dayanaklıdır.
Buradaki de çıta yavrusunun tasarımı.
O zaman çıta yavrusunu sahneye davet edelim.
Bu Peter Eckert. Doktorasını bu robot üzerine yapıyor
ve gördüğünüz gibi o küçük sevimli bir robot.
Biraz oyuncağa benziyor
fakat kedi bacaklarının özelliklerini
incelemek için bilimsel bir araç olarak kullanıldı.
Gördüğünüz gibi çok komplike ve hafif
ve ayrıca çok esnek.
Kolayca üzerine basabiliyorsunuz fakat kırılmıyor.
Aslında sadece zıplıyor.
Ve bu çok esnek özellik gerçekten çok önemli.
Pantografın bacağı gibi üç segmentli
bir bacağın özelliklerini de görüyorsunuz.
Şimdi ilginç olan; bu oldukça dinamik yürüyüş şekli, tamamen
açık döngü olarak elde edildi.
Yani sensörler ve komplike döngüler yok.
Ve bu ilginç. Çünkü sadece mekaniğin
bu oldukça hızlı yürüyüş şeklini zaten sabitlediği ve iyi mekaniğin
gerçekten temel olarak hareketi kolaylaştırdığı anlamına geliyor.
Bir ölçüde harekete müdahale de edebiliyoruz.
Bir sonraki videoda göreceksiniz.
Örneğin biraz egzersiz yapabiliriz veya bir basamak inmesini sağlayabiliriz.
Buna rağmen robot düşmeyecek,
ki, bu bizim için şaşırtıcıdır.
Bu küçük bir pertürbasyon.
Robotun hemen düşmesini bekliyordum
çünkü hiç sensör veya hızlı döngü yok.
Fakat hayır, sadece mekanik yürüyüş şeklini
sabitledi ve robot düşmedi.
Belli ki, eğer adımı büyütürseniz ve engeller varsa,
tam kontrol döngülerine ve reflekslere ihtiyacınız var.
Fakat burada önemli olan sadece küçük pertübrasyon için
mekaniğin kuralları doğrudur.
Ve bunun, biyomekanik ve robotikten, nörobilime
gönderilen "vücudun harekete ne ölçüde yardımı
olduğunu küçümseme" mesajının çok önemli olduğunu düşünüyorum.
Şimdi bu, insan hareketiyle nasıl ilişkili?
Açıkça, insan hareketi, kedi ve semender hareketinden çok daha karmaşıktır.
Fakat aynı zamanda, sinir sistemi diğer omurgalılarla çok
benzer yapıdadır.
Ve özellikle omurilik,
insan hareketlerinde anahtar kontrolcüdür.
Bu nedenle, eğer omurilikte bir lezyon varsa
bunun dramatik etkileri olur.
Kişi kısmi veya tam felçli olabilir.
Bu yüzden beyin omurilikle
iletişimi kaybedebilir.
Özellikle hareketi başlatan ve devam ettiren
azalan modülasyonu kaybeder.
Nöral protezlerin amacı
elektiriksel ve kimyasal uyarılar kullanarak
iletişimi tekrar aktif hale getirmektir.
Dünyada, özellikle EPFL'de, tam olarak bu işle uğraşan
ekipler vardır.
Birllikte çalıştığım iş arkadaşlarım
Grégoire Courtine ve Silvestro Micera.
Fakat bunu düzgün yapmak için, omuriliğin nasıl çalıştığını,
vücutla nasıl etkileşimde bulunduğunu
ve beynin omurilikle
nasıl iletişim kurduğunu anlamak çok önemlidir.
Bugün sunumunu yaptığım modellerin, bu hedeflere ulaşmak için
anahtar bir rol üstleneceğini umuyorum.
Teşekkür ederim.
(Alkışlar)
Bruno Giussani: Auke, laboratuvarınızda kirli su içinde
yüzen ve kirlilik seviyesini ölçen
başka robotlar görmüştüm.
Fakat bunun için
konuşmanızda, arama ve kurtarma
amaçlı yan proje olarak bahsettiniz.
Ve onun burnunda bir kamera var.
Auke Ijspeert: Kesinlikle. Böylece robot --
Arama ve kurtarma amaçlı
robot kullanımıyla ilgili projelerimiz var.
Bu robot şimdi sizi görüyor.
Ve asıl büyük hayal; yıkılmış veya sel altında kalmış bir bina
düşünün. Böyle zor durumlar, kurtarma ekipleri ve kurtarma köpekleri
için bile çok tehlikelidir.
Niye bu gibi durumlarda yürüyerek, yüzerek gezebilen, hayatta
kalanları tespit ederek, onlarla iletişimi sağlayabilecek
bir robot göndermeyelim.
BG: Elbette bunun şeklinin kazazedeleri korkutmaması gerekiyor.
AI: Evet, muhtemelen görünüşünü biraz değiştirmemiz gerekiyor.
Çünkü bir kazazede bunun kendini yiyeceğini
düşünüp kalp krizi geçirebilir.
Fakat görünüşünü değiştirip onu daha sağlam yaparak,
çok iyi bir araç yaratabileceğimize eminim.
BG: Çok teşekkür ederim. Size ve takımınıza teşekkürler.