Đây là Pleurobot.
Pleurobot là một loại người máy được thiết kế để mô phỏng loài kì nhông
gọi là "kì đà Pleurodeles"
Như bạn thấy đó, Pleurobot có thể đi được,
Nó cũng bơi được, bạn sẽ thấy ngay sau đây.
Có thể bạn sẽ hỏi, tại sao lại tạo ra con robot này ?
Thực tế, con robot này là một công cụ khoa học của khoa thần kinh học
Các nhà thần kinh học đã cùng chúng tôi tạo ra nó
để hiểu rõ về sự di chuyển của động vật
đặc biệt là cách cột sống kiểm soát sự vận động của cơ thể
Càng làm việc với robot sinh học,
tôi càng ấn tượng về sự vận động của động vật.
Nếu bạn nghĩ đến một con cá heo đang bơi hay một con mèo đang chạy nhảy
hoặc thậm chí chúng ta, con người
khi chúng ta chạy bộ hoặc chơi tennis,
chúng ta làm nhiều điều kinh ngạc.
Thực tế,
hệ thần kinh chúng ta phải giải quyết một vấn đề điều khiển cực kì phức tạp
Nó phải phối hợp hoàn hảo với trên dưới 200 cơ,
vì nếu phối họp không tốt ta sẽ mất thăng bằng và khó vận động được
Và mục tiêu của tôi là hiểu rõ nó diễn ra như thế nào
Có 4 bộ phận chính cấu thành sự vận động của động vật
bộ phận thứ nhất là thân mình
Thực ra, chúng ta không nên đánh giá thấp
mức độ các cơ chế sinh học làm đơn giản hóa sự vận động của động vật
Sau đó là cột sống
và trong cột sống có sự phản xạ
Nhiều phản xạ tạo nên vòng lặp phối hợp vận động cảm giác
giữa cử động của thần kinh cột sống và cử động cơ học
Bộ phận thứ ba là các trung tâm tạo mẫu
Đây là những mạch điện rất thú vị có trong cột sống của động vật có xương sống
có thể tự tạo ra
các mẫu cử động rất nhịp nhàng theo nhịp (phách)
trong khi chỉ cần tiếp nhận tín hiệu đầu vào rất đơn giản
Và những tín hiệu này
đến từ sự điều tiết từ những phần cao hơn của bộ não,
giống như là võ não vận động, tiểu não, hạch nền,
tất cả sẽ điều biến sự cử động của cột sống
khi chúng ta vận động.
Nhưng, điều thú vị chính là mức độ chỉ một bộ phận thấp hơn
như cột sống và cơ thể,
đã gỡ rối một phần lớn trong vấn đề vận động.
Có lẽ bạn sẽ biết qua thực tế khi bạn chặt đầu một con gà,
nó vẫn còn chạy được một lúc
điều đó cho thấy phần thấp hơn như cột sống và cơ thể
đã gỡ rối một phần lớn vấn đề vận động
Bây giờ, rất khó để hiểu nó diễn ra như thế nào
bởi vì trước hết,
sẽ rất là khó để ghi lại các cử động trong cột sống
Cấy các điện cực vào vỏ não vận động sẽ dễ dàng hơn
so với cấy vào cột sống, bởi vì nó được bảo vệ bởi đốt sống
Đặc biệt, rất khó làm trên con người.
Phần khó khăn thứ hai,
chính là sự vận động, do tính chất phức tạp của nó
và sự tương tác năng động giữa 4 bộ phận này
Vì thế sẽ rất khó để tìm ra vai trò của mỗi bộ phận này
Đây là nơi các robot sinh học như Pleurobot và các mô hình toán học
có thể thật sự hữu ích
Vậy robot sinh học là gì?
Robot sinh học là một lĩnh vực mới trong nghiên cứu robot
Nơi mọi người muốn lấy cảm hứng từ các loại động vật
để chế tạo ra các robot có thể đi lại ngoài trời
như các robot dịch vụ và những robot tìm kiếm và cứu hộ
hoặc các robot trinh sát
Và mục tiêu lớn ở đây là lấy cảm hứng từ những con vật
để làm ra các robot có thể xử lí địa hình phức tạp
như cầu thang, đồi núi, rừng,
nhưng nơi mà robot vẫn còn những khó khăn
và nơi mà động vật có thể làm tốt hơn.
Robot có thể là một công cụ khoa học tuyệt vời
Robot có thể được dùng trong một vài dự án
như là một công cụ khoa học
của ngành thần kinh học,
y sinh và thủy động lực học
Và đây chính là mục đích sự ra đời pleurobot.
Vì vậy, chúng tôi đã
hợp tác với các nhà thần kinh học
như Jean-Marie Cabelguen, nhà thần kinh học ở Bordeaux, Pháp,
chúng tôi muốn làm ra những mẫu cột sống
và áp dụng chúng trên robot.
Chúng ta muốn khởi đầu đơn giản.
Vì vậy rất tốt để bắt đầu ở các động vật đơn giản
như Cá mút đá, một loài cá rất thô sơ
rồi dần tiến đến sự vận động phức tạp hơn
như ở loài kì nhông
và thậm chí là mèo, con người
các loài động vật có vú.
Và ở đây, robot đã trở thành một công cụ thú vị
để hợp thức hóa các mô hình của chúng tôi.
Theo tôi, Pleurobot thực sự là một ước mơ trở thành sự thật .
Giống như khoảng 20 năm trước, lúc tôi đang làm việc trên máy tính,
mô phỏng vận động của cá chình và kì nhông.
trong quá trình học lên tiến sĩ.
Nhưng tôi luôn biết những mô phỏng của tôi chỉ xấp xỉ gần đúng
như mô phỏng vật lí trong nước, hoặc với bùn đất, địa hình phức tạp,
rất khó để mô phỏng chính xác trên máy tính
Sao không dùng robot thật hay vật lý thật ?
Cho nên kì đà là loài yêu thích của tôi trong các loài kể trên
Bạn có lẽ sẽ thắc mắc tại sao. Bởi vì nó là một loài động vật lưỡng cư,
Từ phía quan điểm tiến hóa, nó thật sự là một loài chủ chốt.
Nó tạo nên liên kết tuyệt vời giữa bơi lội
Có thể thấy ở cá hoặc lươn,
và sự vận động trên bốn chân ở các loài có vú như mèo và con người.
Thực tế, loài kì nhông hiện đại
rất gần với loài có xương sống trên cạn đầu tiên
Nó gần như là một hóa thạch sống
giúp ta tiếp cận với tổ tiên chúng ta
cũng như tổ tiên các loài động vật bốn chân trên mặt đất.
Loài kì nhông bơi
theo kiểu con lươn,
nó uốn lượn sóng, rất đẹp
bởi hoạt động của cơ từ đầu đến đuôi
Và nếu bạn đặt con kì nhông trên mặt đất,
nó sẽ chuyển sang kiểu đi nước kiệu
Tạo ra sự kích hoạt theo chu kì của các chi
được phối hợp rất nhịp nhàng
với sự gợn sóng sóng đứng của cơ thể.
và đây chính là dáng đi bạn đang thấy ở Pleurobot.
Bây giờ, một điều thật sự đáng ngạc nhiên và hấp dẫn chính là
sự thật tất cả sự gợn sóng trên có thể tạo ra bởi cột sống và cơ thể.
Vậy, nếu bạn lấy một con kì nhông không não
có vẻ không hay chút nào...
chặt đầu nó đi
Và kích điện cột sống của nó
ở một mức thấp sẽ khiến nó có kiểu đi như là đi bộ vậy.
Kích điện thêm chút nữa, bước đi sẽ tăng tốc lên.
Một lúc nào đó, sẽ đạt đến ngưỡng
con vật này tự động chuyển sang bơi.
Thật là kì diệu.
Chỉ thay đổi xu hướng chung,
như thể bạn đang ấn chân ga tăng tốc
sự chuyển tiếp đi xuống cột sống của bạn
Tạo nên một sự chuyển đổi hoàn toàn giữa hai kiểu đi khác nhau.
Thực tế, có thể thấy điều tương tự này trên loài mèo.
Nếu bạn kích thích cột sống của mèo,
bạn có thể làm cho nó đi bộ, nước kiệu hoặc phi.
Hoặc ở chim, bạn có thể làm cho nó đi bộ,
ở mức kích thích thấp
và làm nó vỗ cánh được ở mức cao hơn.
Điều này thật sự cho thấy cột sống
là một hệ thống điều khiển vận động rất phức tạp
Chúng tôi nghiên cứu kĩ hơn sự vận động loài kì nhông
Chúng tôi đã thật sự tiếp cận với một máy x-quang rất đẹp
từ tiến sĩ Martin Fischer, tại ĐH Jena, Đức.
Và nhờ đó, chúng tôi đã có được một cỗ máy kinh ngạc
có thể ghi lại tất cả chuyển động của xương rất chi tiết.
Đó là điều chúng tôi đã làm
Vậy cơ bản chúng tôi đã tìm được loại xương quan trọng
và thu thập chuyển động của chúng dưới dạng 3D.
Việc chúng tôi làm là thu thập cả cơ dữ liệu những chuyển động
cả trên mặt đất và dưới nước
để có thể thật sự thu thập hết cơ sở dữ liệu các chuyển động
của một con vật thật sự.
Công việc của những kĩ sư chúng tôi là phỏng lại nó trên robot.
Chúng tôi đã hoàn thành
cả một quá trình tối ưu hóa để tìm ra một kết cấu đúng
tìm ra nơi để gắn các động cơ vào, cách để nối chúng với nhau,
để có thể làm lại các chuyển động này giống nhất có thể.
Và đây là cách Pleurobot được ra đời.
Vậy hãy xem nó giống với động vật thật như thế nào.
Cái bạn đang thấy đây là một sự so sánh trực tiếp
giữa cách đi bộ của một động vật thật và pleurobot.
Bạn có thể thấy đoạn phát lại, gần như khớp nhau
cách đi bô.
Đi lùi chậm về phía sau bạn sẽ thấy rõ hơn.
Nhưng sẽ thậm chí tốt hơn, nếu chúng tôi bơi được.
Như thế chúng tôi mới có bồ độ lặn để mặc cho robot được.
(tiếng cười)
Sau đó, chúng tôi đi xuống nước và bắt đầu làm lại các kiểu bơi.
Khi đó chúng tôi rất vui vì khá khó để thực hiện điều này.
Sự tương tác vật lý phức tạp.
Robot chúng tôi lớn hơn so với con vật nhỏ đó.
Vì thế chúng tôi phải làm cái gọi là tỷ lệ năng động tần suất
để chắc chắn có được sự tương tác vật lí tương tự.
Bạn thấy đó, cuối cùng chúng tôi có sự rất tương xứng.
Và chúng tôi rât rất vui với điều này.
Vậy, bây giờ chúng ta hãy tiến đến cột sống.
Việc chúng tôi làm với Jean-Marie Cabelguen
là bắt chước theo mẫu các mạch điện cột sống.
Điều thú vị là loài kì nhông
giữ một mạch điện rất nguyên thủy
giống với cái chúng tôi đã tìm thấy ở cá chình,
ở loài cá nguyên thủy giống lươn này,
và nó giống trong suốt sự tiến hóa,
Các nơ ron giao động được gắn vào để điều khiển các chi,
thực hiện sự vận động chân.
Chúng tôi biết các nơ ron này nằm ở đâu,
chúng tôi đã tạo ra một mô hình toán học
để biết nên kết hợp chúng như thế nào
nhằm tạo ra sự chuyển tiếp giữa hai kiểu đi rất khác nhau.
Chúng tôi đã thử trên bo mạch của robot.
Và nó diễn ra như thế này đây.
Cái mà thấy ở đây là một phiên bản cũ của Pleurobot
được hoàn toàn điều khiển bởi mẫu cột sống của chúng tôi
được lập trình trên bo mạch của robot.
Và việc duy nhất chung tôi làm
là gửi đến robot qua bộ điều khiển từ xa
hai tín hiệu giảm dần nó thường nên nhận được
từ phần trên của bộ não.
Điều thú vị là, khi thay đổi các tín hiệu này
chúng tôi hoàn toàn có thể điều khiển tốc độ, hướng và kiểu đi.
Vị dụ,
khi chúng tôi khích thích ở mức thấp, chúng tôi có dáng đi bộ,
và một lúc nào đó, nếu chúng tôi kích nhiều hơn
nó sẽ chuyển sang dáng bơi rất nhanh.
Chúng tôi có thể làm cho nó xoay tròn rất đẹp,
bằng cách kích thích một phía của cột sống nhiều hơn phía còn lại.
Tôi nghĩ nó đẹp thật sự,
cách thiên nhiên đã phân phối sự kiểm soát
để thật sự cho cột sống nhiều trách nhiệm,
vì thế phần trên của bộ nào không cần phải quan tâm gì đến mỗi cơ bắp.
Nó chỉ phải quan tâm đến sự điều biến mức độ cao này.
Thật sự, đây là công việc của cột sống để điều phối tất cả các cơ.
Bây giờ ta chuyển sang sự vận động của mèo mà tầm quan trọng của y sinh.
Đây là một dự án khác,
nơi chúng tôi nghiên cứu cơ chế sinh học của mèo.
Chúng tôi muốn biết hình thái học giúp đỡ sự vận động nhiều như thế nào.
Và chúng tôi đã tìm ra ba tiêu chí quan trọng trong những đặc điểm của chi.
Đặc điểm thứ nhất,
chi mèo gần giống với kết cấu khung hình thoi
Cấu trúc khung truyền dẫn này là một cấu trúc cơ học
giữ các phân mảnh cao hơn và thấp hơn luôn luôn song song.
Vậy một hệ thống hình học khá đơn giản điều phối một ít
sự chuyển động bên trong các phân mảnh.
Một đặc điểm thứ hai là các chi mèo rất nhẹ.
Hầu hết các cơ nằm ở phần thân,
đây là một ý tưởng tốt, bởi vì các chi mèo có quán tính thấp
và có thể được di chuyển rất nhanh.
Đặc điểm quan trọng cuối cùng, chi mèo có tính rất đàn hồi
nhằm để điều phối các tác động và lực.
Và đây là cách chúng tôi thiết kế Cheetah-Cub
Vậy hãy mời Cheetah-Cub lên sân khấu nào.
Đây là Peter Heckert, người được cấp bằng tiến sĩ nhờ tạo ra con robot này.
Bạn thấy đấy, đây là một robot nhỏ dễ thương
Nhìn khá giống một món đồ chơi,
nhưng thật sự nó được sử dụng như một công cụ khoa học,
để nghiên cứu các đặc điểm của chân mèo.
Bạn thấy, nó rất mềm mỏng, nhẹ,
và cũng rất đàn hồi,
vì thế bạn có thể đè nó xuống dễ dàng mà không sợ làm gãy.
Thực tế, nó chỉ sẽ nhảy lên.
Và tính chất đàn hồi này cũng rất quan trọng.
Bạn cũng thấy đặc điểm
của ba phân mảnh của chân như là một khung hình thoi.
Điều thú vị ở đây chính là dáng đi năng động này
hoàn toàn có được trong vòng lặp mở,
nghĩa là không có các cảm biến và những vòng lặp phản hồi phức tạp.
Và nó thú vị, bởi nó có nghĩa rằng
các cơ chế đã làm ổn định dáng đi khá nhanh chóng này.
Về cơ bản, các cơ chế thực sự tốt này đã làm đơn giản hóa sự vận động.
Đến một mức chúng tôi có thể thậm chí làm xáo trộn vận động một chút,
như bạn sẽ thấy ở đoạn video tới,
Ví dụ như đoạn mà chúng tôi đưa ra một số bài tập cho robot đi xuống bật cấp,
và robot sẽ không bị ngã xuống,
điều này làm chúng tôi ngạc nhiên.
Đấy là một sự xáo trộn nhỏ.
Tôi nghĩ rằng con robot sẽ ngã xuống lập tức,
vì không có bộ cảm biến, và vòng lặp phản hồi nhanh.
Không, chỉ các cơ chế đã giữ dáng đi ổn định,
và con robot không bị ngã xuống.
Rõ ràng là nếu bạn làm cho bước đi lớn hơn và có chướng ngại vật,
bạn cần có các vòng lặp điều khiển đầy đủ, các phản xạ và mọi thứ.
Nhưng điều quan trọng ở đây là với một xáo trộn nhỏ,
các cơ chế vẫn chính xác.
Tôi nghĩ đây là một thông điệp rất quan trọng,
từ các cơ chế sinh học và ngành robot đến khoa thần kinh học,
thông điệp nói rằng, đừng đánh giá thấp cơ thể đã giúp đỡ sự vận động đến mức nào.
Vậy nó liên quan đến sự vận động con người như thế nào ?
Rõ ràng, sự vận động của con người là phức tạp hơn so với mèo và kì nhông,
nhưng đồng thời, hệ thần kinh con người lại rất tương tự
với các loài có xương sống khác.
Và đặc biệt là cột sống,
cũng là một bộ điều khiển vận động chính ở con người.
Vì thế nếu có sự liên kết của xương sống,
sẽ tạo ra những ảnh hưởng lớn.
Con người này có thể trở thành liệt nửa người hoặc tứ chi.
Bởi vì bộ não đã mất sự liên lạc với cột sống.
Đặc biệt nó mất đi sự biến điệu xuống dần
nhằm bắt đầu và điều biến sự vận động.
Mục tiêu chính của neuroprosthetics
là có thể kích hoạt lại sự liên lạc đó
bằng cách kích thích điện hoặc bằng hóa chất.
Có nhiều đội nghiên cứu trên thế giới đã thật sự làm việc đó,
đặc biệt là ở Viện EPFL.
Đồng nghiệp của tôi, Grégoire Courtine và Silvestro Micera,
những người mà tôi đã cùng hợp tác.
Nhưng để làm đúng việc này, rất quan trọng để hiểu rõ
cách hoạt động của cột sống,
nó tương tác với cơ thể như thế nào,
và cách bộ não liên lạc với cột sống.
Đó là lý do tại sao các robot và mô hình mà tôi thuyết trình
hị vọng sẽ đóng một vai trò chủ chốt
đối với những mục tiêu quan trọng này.
Cám ơn !
(vỗ tay)
Bruno Giussani: Auke, tôi thấy trong phòng thí nghiệm cậu có các con robot khác
làm những thứ như là bơi trong sự nơi ô nhiễm
và đo mức độ ô nhiễm khi bơi.
Nhưng với con này,
cậu đã đề cập trong cuộc nói chuyện, như là một dự án phụ,
tìm kiếm và cứu hộ,
và nó có camera trên mũi.
Auke Ijspeert: Dĩ nhiên rồi. Con robot này --
chúng tôi có một số dự án phụ
nơi mà chúng tôi muốn dùng robot cho việc tìm kiếm, điều tra và cứu hộ.
Bây giờ, nó đang nhìn bạn đấy.
Và một ước mơ lớn là... nếu bạn đang ở một tình huống khó khăn,
như ở trong một tòa nhà bị sụp đổ, hay một tòa nhà bị lũ,
đây thật sự nguy hiểm đối với đội cứu hộ và thậm chí là với chó cứu hộ,
vậy sao không gửi vào robot có thể bò quanh, bơi và đi được ?
Với một camera onboard cho việc kiểm tra
và phát hiện người sông sót
có thể tạo ra sự liên lạc với người còn sống.
BG: Dĩ nhiên rồi, giả sử người đó không sợ hình dáng này của nó
AI: Vâng, có lẽ chúng ta nên thay đổi một chút diện mạo của nó.
Bởi vì tôi đoán rằng người này sẽ chết vì đau tim mất,
chỉ sợ rằng thứ này sẽ ăn thịt bạn mất.
Nhưng bằng cách thay đổi diện mạo và làm cho nó mạnh mẽ hơn,
chắc chắn nó sẽ trở thành một công cụ tốt.
BG: Cám ơn các cậu nhiều lắm, và cả đội cậu nữa.