Робот, който тича и плува като саламандър

Създателят на роботи Ауке Ишпеерт проектира биороботи - машини по образец на истински животни, които са способни да се справят със сложен терен и биха се чувствали у дома си на страниците на научно-фантастичен роман. Процесът на създаване на тези роботи води до по-добра автоматизация, която може да се използва за работа на открито, обслужване, търсене и спасяване. Но роботите не просто копират природата - те ни помагат да разберем по-добре собствената си биология, разкривайки непознати досега тайни на гръбначния мозък.

Това е Плюробот.

Проектирахме Плюробота точно
да наподобява един вид саламандър

на име Pleurodeles waltl.

Плюроботът може да ходи,
както виждате тук и

както ще видите по-късно,
може и да плува.

Може да попитате
защо проектирахме този робот?

Всъщност, роботът бе проектиран като
научен инструмент по невробиология.

На практика го проектирахме
заедно с невробиолозите,

за да разберем как се движат животните

и най-вече как гръбначният мозък
контролира движението.

Но колкото повече се занимавам
с биороботика,

толкова по-истински ме впечатляват
движенията на животните.

Представeте си плуващ делфин
или котка, която тича или скача наоколо

или дори ние, хората,

по време на джогинг или тенис

правим удивителни неща.

На практика нервната ни система решава
много, много сложна задача за контрола.

Тя трябва съвършено да координира
около 200 мускула,

защото ако координацията е лоша,
ние падаме или правим лошо движение.

Целта ми е да разбера как става това.

Зад движенията на животните
стоят четири главни компонента.

Първият компонент е самото тяло

и никога не трябва да подценяваме

степента, до която биомеханиката
вече е опростила движенията му.

После имаме гръбначния мозък,

в гръбначния мозък откриваме рефлексите,

многобройни рефлекси, които създават
верига за сетивно-двигателна координация

между нервната активност в гръбначния
мозък и механичната дейност.

Третият компонент са централните
генератори на модели.

Те са много интересни вериги в
гръбначния мозък на гръбначните животни,

които сами могат да генерират

много координирани, премерени
модели на активност,

получавайки само
много прости входящи импулси.

И тези входящи импулси,

идващи от низходящата модулация
от по-висшите части на мозъка

като моторния кортекс, малкия мозък,
базалните ганглии

ще модулират активността
на гръбначния мозък,

докато правим движения.

Но интересното е до каква степен
един компонент от по-низш порядък,

гръбначният мозък заедно с тялото,

вече решава голяма част от
двигателната задача.

Това вероятно ви е познато от факта,
че можем да отрежем главата на пиле

и то да продължи да тича още малко,

показвайки, че само долната част,
гръбначният мозък и тялото

вече решават голяма част от движението.

Да разберем как става това е доста сложно,

защото преди всичко

да се запише активността в гръбначния
мозък е много трудно.

Доста по-лесно е да се поставят
електроди в моторния кортекс,

отколкото в гръбначния мозък, защото
той е защитен от прешлените.

Много е трудно, особено при хората.

Друга трудност e, че движението
се предизвиква от много сложно

и много динамично взаимодействие
между тези четири компонента.

Много е трудно да се проследи
ролята на всеки от тях във времето.

Ето къде наистина могат да помогнат
биороботи като Плюробота

и математически модели.

Какво е биороботика?

Биороботиката е много активно поле
на проучвания в роботиката,

в което хората се вдъхновяват
от животните,

за да накарат роботите да излязат навън -

като сервизни роботи или
роботи-търсачи и спасители

или полеви роботи.

Голямата цел тук е да черпим идеи
от животните,

за да създадем роботи,
справящи се със сложен терен -

стълби, планини, гори,

места, където роботите
още имат проблеми

и където животните се справят
много по-добре.

Роботът може да е също и
прекрасен научен инструмент.

Има някои много хубави проекти,
в които се използват роботи като

научни инструменти в невробиологията,
биомеханиката, хидродинамиката.

И точно това е целта на Плюробота.

В лабораторията ми си сътрудничим
с невробиолози

като Жан-Мари Кабелген,
невробиолог в Бордо, Франция

и искаме да създадем образци на гръбначен
мозък, които да утвърдим върху роботи.

Искаме да започнем с нещо просто.

Хубаво е да е с просто устроени животни

като миногите, които са
много примитивни риби

и после постепенно да вървим
към по-сложно движение

като при саламандрите,

а също и при котките и хората,

при бозайниците.

Тук роботът се превръща
в интересен инструмент

за утвърждаване на моделите ни.

Всъщност, за мен Плюроботът е
нещо като сбъдната мечта.

Преди около 20 години
вече работех на компютър и

правех симулации на движението
на миногите и саламандъра

по време на докторантурата си.

Но винаги съм знаел, че симулациите ми
са просто приближения.

Да симулираш физика във вода или
в кал, или на сложен терен -

много е трудно да се симулира вярно
това на компютър.

Защо да нямам истински робот
и реална физика?

Измежду всички животни един от
любимците ми е саламандърът.

Може да попитате защо -
защото е земноводно и

наистина е важен
от еволюционна гледна точка.

Той е чудесна връзка
между плуването

при змиорките или рибите

и движението на четириногите, каквото е
при бозайниците, котките и хората.

Всъщност съвременният саламандър

е много близък до първите
земни гръбначни,

той е едва ли не живо изкопаемо,

което ни свързва с праотците ни,

предшествениците на всички
земни четириноги.

Саламандърът плува

чрез т.нар. плуваща походка на змиорка -

вълна от мускулна активност
се разпространява от главата до опашката.

Ако сложите саламандъра на земята,

той минава към т.нар. подтичваща походка.

В този случай имаме периодично
активиране на крайниците,

които много добре се координират

с вълнообразното движение
на изправеното тяло

и точно тази походка виждате тук
при Плюробота.

Всъщност, изненадващ и удивителен е

фактът, че всичко това може да се генерира
само от гръбначния мозък и тялото.

Т.е. ако вземем саламандър
без церебрална функция -

не е приятно, но махаме главата -

и ако стимулираме с електричество
гръбначния мозък,

леката стимулация ще предизвика
ходеща походка.

Ако стимулираме малко повече,
походката се ускорява.

И в един момент стигаме до прага

и животното автоматично
преминава към плуване.

Това е поразително.

Промяна само на глобалния импулс,

като натискане на педала на газта

на низходящата модулация към
гръбначния мозък,

предизвиква пълно превключване
между две много различни походки.

На практика същото се
наблюдава и при котките.

Ако стимулирате гръбначния мозък
на котка,

може да превключвате между
ходене, подтичване и галоп.

Или при птиците - може да накарате
птица да премине от ходене

при лека стимулация

към пляскане с криле
при силна стимулация.

Това наистина показва,
че гръбначният мозък

е много усъвършенстван контрольор
на движението.

Изучихме по-подробно
движението на саламандъра,

на практика имахме достъп до
много добър видео рентген

при професор Мартин Фишер
от Университета Йена в Германия.

Благодарение на това, наистина
имахме удивителна машина

да записва всички движения
на костите с големи подробности.

Това и направихме.

В общи линии решихме
кои кости са важни за нас

и се сдобихме с движението им в 3D.

Събрахме цяла база данни с движения,

на земята и във водата, за да

се сдобием реално с база данни
с двигателни поведения,

които едно истинско животно
може да има.

После работата ни като създатели на
роботи бе да я копираме в нашия робот.

Направихме пълен оптимизационен процес,
за да намерим вярната структура,

къде да поставим моторите,
как да ги свържем,

така че да могат да повторят
движенията възможно най-добре.

Ето как се роди Плюроботът.

Да видим колко се доближава
до истинското животно.

Тук виждате почти
пряко сравнение

на походките на истинския
саламандър и Плюробота.

Виждате, че имаме сходство
почти едно към едно

в походката.

Ако върнете бавно назад,
ще го видите по-добре.

Но дори още по-добре
се справяме с плуването.

Затова имаме сух костюм,
в който обличаме робота,

(Смях)

после влизаме във водата и
повтаряме плуващите походки.

Тук сме много щастливи,
защото това се постига трудно.

Физиката на взаимодействието
е сложна.

Роботът ни е много по-голям
от малкo животинче,

затова трябваше да направим т.нар.
динамично мащабиране на честотите,

за да сме сигурни, че имаме същата
физика на взаимодействие.

Както виждате, накрая имаме
много близко подобие

и това ни прави много, много щастливи.

Да разгледаме гръбначния мозък.

Това, което направихме тук
с Жан-Мари Кабелген

е да моделираме веригите
на гръбначния мозък.

Интересното е, че саламандърът

е запазил много примитивна верига,

която доста прилича на
тази на миногите,

онези примитивни риби,
подобни на змиорки

и изглежда, че с еволюцията

са прибавени нови невронни
осцилатори да управляват крайниците

и да движат краката.

Ние знаем къде са новите
невронни осцилатори,

но направихме математически модел, за да

видим как трябва да се комбинират,

за да позволят прехода между двете
много различни походки.

Проверихме това върху робот.

Ето как изглежда той.

Тук виждате по-старо поколение
Плюробот,

който изцяло се управлява от
нашия модел гръбначен мозък,

програмиран върху робота.

Единственото, което правим

е да пращаме на робота дистанционно

двата низходящи сигнала, които
той обичайно трябва да получи

от по-висшите части на мозъка.

Интересното е, че играейки си
с тези сигнали,

можем напълно да контролираме
скоростта, посоката и походката.

Например,

когато стимулираме слабо,
предизвикваме ходещата походка

и в един момент, ако стимулираме силно,

много бързо превключваме
към плуваща походка.

И накрая, можем да превключим
много гладко

само като стимулираме повече едната
страна на гръбначния мозък.

Мисля, че е истински красив

начинът, по който природата е
разпределила контрола,

давайки голяма отговорност
на гръбначния мозък,

така че висшата част на мозъка да не
трябва да се тревожи за всеки мускул.

Тя отговаря само за модулацията
на високо ниво

и е работа на гръбначния мозък
да координира всички мускули.

Сега да преминем към движението
при котките и значението на биомеханиката.

Това е друг проект,

в който изучавахме биомеханиката
на котката

и искахме да разберем доколко
морфологията подпомага движението.

И открихме три важни критерия
при свойствата,

основно на крайниците.

Първият е, че един котешки крайник

малко или повече има структурата
на пантограф.

Пантографът е механична структура,

която запазва горния и долните сегменти
винаги успоредни.

Проста геометрична система, която
един вид координира малко

вътрешното движение на сегментите.

Второто свойство на котешките крайници е,
че са много леки.

Повечето мускули са в трупа,

което е добра идея, защото тогава
крайниците имат слаба инертност

и могат да се движат много бързо.

Последното важно свойство е
голямата гъвкавост на котешкия крайник,

за да се справя с въздействия и сили.

Така проектирахме Гепардчето.

Да поканим Гепардчето на сцената.

Питър Екърт прави докторската си
дисертация с този робот

и както виждате, той е сладък малък робот.

Прилича малко на играчка,

но го използвахме като научен инструмент,

за да проучим свойствата на
краката на котката.

Виждате, много е податлив,
много лек,

а също и много гъвкав,

така че лесно можете да го натиснете
без да се счупи.

Всъщност, само ще подскочи.

Голямата гъвкавост като свойство
също е много важна.

Виждате също и свойствата

на тези три сегмента на крака
като пантограф.

Интересното е, че тази
доста динамична походка

се придобива само при отворена верига,

което означава без сензори, без
сложни вериги за обратна връзка.

Интересно е, защото означава,

че само механиката вече е стабилизирала
тази доста бърза походка

и че истински добрата механика вече
съществено опростява движението.

До такава степен, че можем дори
да нарушим малко движението,

както ще видите в следващото видео,

например като правим упражнения, караме
робота да слезе едно стъпало надолу

и роботът няма да падне,

което беше изненада за нас.

Това е малкo смущение.

Очаквах роботът веднага да падне,

защото няма сензори и
бърза верига за обратна връзка.

Но не, механиката сама
стабилизира походката

и роботът не падна.

Очевидно, ако направим по-голяма стъпка
и имаме препятствия,

ни трябват веригите за пълен контрол,
рефлексите и всичко останало.

Но важното тук е, че
при малко смущение,

механиката е наред.

И мисля, че това е много важно послание

от биомеханиката и роботиката
към невробиологията -

не подценявайте степента, в която
тялото вече помага на движението.

Как се отнася това до
движението при хората?

Ясно е, че човешките движения са по-сложни
от тези на котката и саламандъра,

но в същото време нервната система
на хората много прилича

на тази при другите гръбначни.

Специално гръбначният мозък

също е основният контрольор
на движението при хората.

Затова, ако има увреждане на
гръбначния мозък,

то има драматични последствия.

Човек може да се парализира от кръста
надолу или всичките му крайници.

Така е , защото мозъкът
губи комуникацията си

с гръбначния мозък.

По-точно той губи
низходящата модулация

да инициира и модулира движение.

Важна цел на невропротезирането е

да може да възстанови тази комуникация,

използвайки електрически или
химически стимулации.

Има няколко екипа в света,
които правят точно това,

особено в EPFL.

Колегите ми Грегоар Куртин
и Силвестро Мичера,

с които си сътрудничим.

Но за да направим това успешно,
е много важно да разберем

как работи гръбначният мозък,

как си взаимодейства с тялото

и как мозъкът общува
с гръбначния мозък.

Точно тук роботите и моделите,
които представих днес,

надявам се, ще играят важна роля

за постигането на тези много важни цели.

Благодаря ви.

(Аплодисменти)

Б.Джусани: Ауке, виждал съм в
лабораторията ти роботи

да правят неща като плуване в
замърсена среда

и измерване на замърсяването,
докато плуват.

Но за този

ти спомена в беседата си
като страничен проект

търсене и спасяване

и той има камера на носа си.

Ауке Ишпеерт: Точно така. Роботът...

Имаме странични проекти,

в които искаме да използваме
роботите за търсене и спасяване,

затова този робот сега те вижда.

Голямата ни мечта е при трудна ситуация,

като рухнала сграда или
наводнена сграда,

когато е много опасно за спасителен екип
и дори за кучета-спасители,

защо да не изпратим робот, който
може да пълзи, плува, ходи

с камера в себе си, за да проучи
и идентифицира оцелелите и

по възможност да създаде
комуникационна връзка с оцелелия.

БД: Разбира се, ако оцелелите не се
изплашат от формата на това.

АИ: Да, може би трябва да променим
малко външния вид,

защотo, опасявам се, оцелелият
може да умре от инфаркт

само от тревога, че това
ще го изяде.

Но с промяна на външния вид
и като го направим по-здрав,

сигурен съм, можем да го превърнем
в добър инструмент.

БД: Благодаря ти много.
На теб и на твоя екип.