Un robot que corre y nada como una salamandra

El robotista Auke Ijspeert diseña biorobots, máquinas que, siguiendo el modelo de los animales reales, son capaces de desplazarse por terrenos complejos y aparecerían en casa en las páginas de una novela de ciencia ficción. El proceso de creación de estos robots lleva a mejores autómatas que pueden usarse para trabajo de campo, en servicios y en búsqueda y rescate. Sin embargo, estos robots no solo imitan el mundo natural, sino que nos ayudan a comprender mejor nuestra propia biología, descubriendo los secretos antes desconocidos de la médula espinal.

Este es Pleurobot.

Pleurobot es un robot diseñado
para imitar una especie de salamandra

llamada Pleurodeles waltl.

Pleurobot puede caminar,
como ven aquí,

y luego verán
que también puede nadar.

Quizá se pregunten por qué
diseñamos este robot.

Lo diseñamos como herramienta
científica para la neurociencia.

De hecho, lo diseñamos
junto a los neurobiólogos

para entender cómo
se mueven los animales,

y sobre todo cómo la médula espinal
controla la locomoción.

Pero cuanto más trabajo en biorobótica,

más me impresiona realmente
la locomoción animal.

Si lo piensan, un delfín
o un gato que corre o salta,

o incluso nosotros,

cuando corremos o jugamos al tenis,

hacemos cosas asombrosas.

De hecho, el sistema nervioso resuelve
un problema de control muy, muy complejo.

Tiene que coordinar más o menos
200 músculos a la perfección,

porque si la coordinación es mala,
nos caemos o nos movemos mal.

Mi objetivo es entender
cómo funciona esto.

Hay cuatro componentes principales
detrás de la locomoción animal.

El primer componente es el cuerpo,

y, de hecho, nunca se debe subestimar

en qué medida la biomecánica en los
animales ya simplificó la locomoción.

Luego está la médula espinal,

en la médula espinal hay reflejos,

múltiples reflejos que crean un ciclo
de coordinación sensoriomotora

entre la actividad neural de la médula
y la actividad mecánica.

Un tercer componente son los
generadores de patrones centrales.

Son circuitos muy interesantes de
la médula de los vertebrados

que pueden generar, por sí mismos,

patrones rítmicos de actividad,
muy coordinados

y al mismo tiempo reciben solo
señales de entrada muy simples.

Y estas señales de entrada

provenientes de la modulación descendente
desde partes superiores del cerebro,

como la corteza motora,
cerebelo, ganglios basales,

modularán la actividad de la médula

conforme nos desplazamos.

Lo interesante es hasta qué punto
solo un componente de bajo nivel,

la médula espinal, junto con el cuerpo,

ya resuelven una gran parte
del problema de la locomoción.

Quizá ya lo sepan porque
al cortar la cabeza a un pollo,

este puede seguir corriendo un rato.

Eso muestra que con la parte inferior,
la médula y el cuerpo,

ya se resuelve gran parte
de la locomoción.

Pero entender cómo funciona
es algo muy complejo

porque, en primer lugar,

grabar la actividad de
la médula es muy difícil.

Más fácil es implantar
electrodos en la corteza motora

que en la médula espinal, por
estar protegida por las vértebras.

Sobre todo, en humanos,
es muy difícil de hacer.

Segundo, la locomoción se produce
gracias a una interacción muy compleja

y muy dinámica entre
estos cuatro componentes.

Así que es muy difícil averiguar
el papel de cada uno en el tiempo.

Aquí es donde los biorobots como
Pleurobot y los modelos matemáticos

realmente pueden ayudar.

Entonces, ¿qué es la biorobótica?

La biorobótica es un campo muy activo
de investigación en robótica

que quiere inspirarse en los animales

para hacer que los robots
salgan al aire libre,

como robots de servicio,
robots de búsqueda y rescate,

o robots de campo.

El gran objetivo aquí
es inspirarse en los animales

para hacer robots que operen
en terrenos complejos:

escaleras, montañas, bosques,

lugares donde los robots
todavía tienen dificultades

y donde los animales
se desempeñan mucho mejor.

El robot puede ser una gran
herramienta científica también.

Hay proyectos muy buenos
en los que se usan robots,

como herramienta científica en
neurociencia, biomecánica, hidrodinámica.

Este es exactamente
el propósito de Pleurobot.

En mi laboratorio colaboramos
con neurobiólogos

como Jean-Marie Cabelguen,
neurobiólogo en Burdeos, Francia,

y queremos hacer modelos de la médula
y validarlos en robots.

Queremos empezar de forma sencilla.

Es bueno empezar con animales simples

como las lampreas,
que son peces muy primitivos,

y luego, gradualmente pasar
a animales de locomoción más compleja,

como salamandras,

pero también a gatos y humanos,

los mamíferos.

Y aquí un robot se convierte
en una herramienta interesante

para validar nuestros modelos.

Para mí, Pleurobot es
una especie de sueño hecho realidad.

Hace más o menos 20 años
yo ya trabajaba

haciendo simulaciones informáticas del
movimiento de lampreas y salamandras

durante mi doctorado.

Pero siempre supe que mis simulaciones
eran solo aproximaciones.

Como simular la física en el agua,
o en barro o en un suelo complejo,

es muy difícil simularlo
correctamente en la computadora.

¿Por qué no tener un robot real
y una física real?

De todos estos animales,
uno de mis favoritos es la salamandra.

Podrán preguntarse por qué
y es porque, dado que es un anfibio,

es un animal clave desde
un punto de vista evolutivo.

Establece una relación
maravillosa entre nadar,

como vemos en la anguila o el pez,

y la locomoción del cuadrúpedo, como
vemos en mamíferos, gatos y humanos.

De hecho, la salamandra moderna

se parece mucho al primer
vertebrado terrestre,

por lo que es casi un fósil viviente,

lo que nos da acceso
a nuestro antepasado,

el antepasado de todos
los tetrápodos terrestres.

La salamandra nada,

haciendo una marcha
de natación anguiliforme,

para ello propaga una onda viajera de
actividad muscular de la cabeza a la cola.

Y una vez en el suelo,

pasa a un modo de andar al trote.

En este caso, se produce una activación
periódica de las extremidades

muy bien coordinadas

con esta ondulación
estacionaria del cuerpo,

y es exactamente la marcha que
están viendo aquí con el Pleurobot.

Pero muy sorprendente
y, de hecho, es fascinante,

todo esto lo puede generar
simplemente la médula y el cuerpo.

Si tomamos una salamandra sin cerebro,

no es tan agradable pero
se le quita la cabeza,

y le estimulamos la médula
con electricidad,

con un bajo nivel de estimulación
inducirá un modo de andar similar.

Si se estimula un poco más,
la marcha se acelera.

En un momento, hay un umbral,

y automáticamente,
el animal pasa a nadar.

Es increíble.

Sencillamente cambia la marcha,

como si pisar el acelerador

de la modulación descendente
en la médula espinal,

cambiara por completo entre
dos marchas muy diferentes.

De hecho, lo mismo se observa en gatos.

Si uno estimula la médula de un gato,

puede pasar de caminata,
a trote, a galope.

O en las aves, uno puede hacer
que pasen de caminar,

en un nivel bajo de la estimulación,

a batir alas en un nivel
alto de estimulación.

Y esto demuestra
que la médula espinal

controla la locomoción de
forma muy sofisticada.

Por eso estudiamos la locomoción
de la salamandra en más detalle,

y tuvimos acceso a una máquina
de rayos X muy buena

del profesor Martin Fischer de
la Universidad Jena en Alemania.

Gracias a eso, tenemos
una máquina increíble

para grabar el movimiento
de los huesos en gran detalle.

Así hicimos.

En esencia, descubrimos
qué huesos importaban

y recolectamos su movimiento en 3D.

Recolectamos una gran base
de datos de movimientos,

tanto en tierra como en el agua,

para obtener una base completa
de los comportamientos motrices

que puede tener un animal real.

Nuestro trabajo como robotistas
fue replicarlo en nuestro robot.

Mediante un proceso de optimización
encontramos la estructura correcta

para colocar los motores,
para conectarlos,

para poder reproducir esos
movimientos lo mejor posible.

Y así cobró vida el Pleurobot.

Veamos cuánto se asemeja al animal real.

Aquí ven una comparación casi directa

entre la marca del animal real
y la del Pleurobot.

Puede verse que hay casi
una reproducción uno a uno

de la marcha a pie.

Hacia atrás y poco a poco,
se ve aún mejor.

Pero todavía mejor, podemos nadar.

Para eso usamos un traje seco
y recubrimos todo el robot...

(Risas)

y entonces podemos ir al agua
y reproducir la marcha de natación.

Aquí estábamos muy contentos
porque esto es difícil de hacer.

La física de interacción es compleja.

El robot es mucho más grande
que un animal pequeño,

por eso tuvimos que hacer
un escalado dinámico de frecuencias

para asegurarnos de lograr
la misma física de interacción.

Pero al final, logramos
buena compatibilidad,

y estábamos muy, muy felices.

Pasemos a la médula espinal.

Con Jean-Marie Cabelguen

modelamos los circuitos de la médula.

Lo interesante es que la salamandra

conserva un circuito muy primitivo,

muy similar al de la lamprea,

ese pez parecido a una anguila primitiva,

y parece que, durante la evolución,

surgieron nuevos neuroosciladores
para controlar las extremidades,

para lograr la locomoción de las piernas.

Y sabemos dónde están
estos osciladores neurales

pero hicimos un modelo matemático

para ver cómo deberían acoplarse

y lograr esta transición
entre las dos marchas tan diferentes.

Y lo probamos a bordo de un robot.

Y tiene este aspecto.

Aquí vemos una versión
previa del Pleurobot

totalmente controlada por
nuestro modelo de médula espinal

programado a bordo del robot.

Lo único que hacemos

es enviarle al robot
mediante un control remoto

las dos señales descendentes
que debería recibir normalmente

de la parte superior del cerebro.

Y lo interesante es que,
jugando con estas señales,

podemos controlar completamente
velocidad, rumbo y tipo de marcha.

Por ejemplo,

si estimulamos en un nivel bajo,
tenemos el modo caminar,

y, en un momento, si estimulamos mucho,

muy rápidamente pasa al modo nadar.

Y, por último, también podemos
hacer giros muy bien

con solo estimular más un lado
de la médula que el otro.

Y pienso que es realmente hermoso

cómo la naturaleza distribuyó el control

y le dio mucha responsabilidad
a la médula espinal

para que la parte superior del cerebro
no tenga que ocuparse de cada músculo.

Solo tiene que ocuparse de
esta modulación de alto nivel,

y es trabajo de la médula
coordinar cada músculo.

Pasemos ahora a la locomoción del gato
y a la importancia de la biomecánica.

Este es otro proyecto

en el que estudiamos
la biomecánica del gato,

y queríamos ver en qué medida
la morfología ayuda a la locomoción.

Encontramos tres criterios
importantes en las propiedades,

básicamente, de las extremidades.

El primero es que la extremidad del gato

se parece más o menos
a una estructura de pantógrafo.

El pantógrafo es una estructura mecánica

que mantiene el segmento superior y los
segmentos inferiores siempre paralelos.

Es un sistema geométrico sencillo
que coordina un poco

el movimiento interno de los segmentos.

Una segunda propiedad de las
extremidades del gato: son muy livianas.

La mayor parte de los músculos
están en el tronco,

muy buena idea, porque
las extremidades tienen baja inercia

y pueden moverse muy rápidamente.

La última propiedad importante
es el comportamiento tan elástico,

para manejar impactos y fuerzas.

Así diseñamos Cheetah-Cub.

Invitemos a Cheetah-Cub al escenario.

Este es Peter Eckert, que hace
su doctorado sobre este robot,

y como ven, es un pequeño y lindo robot.

Parece un juguete,

pero se usó como herramienta científica

para investigar estas propiedades
de las patas del gato.

Como ven, es muy compatible, muy liviano,

y también muy elástico,

de modo que podemos pisarlo
y no se romperá.

De hecho, saltará.

Esta propiedad de ser tan elástico
también es muy importante.

También se ve un poco las propiedades

de estos tres segmentos de
la pata como un pantógrafo.

Pero lo interesante de
esta marcha bastante dinámica

es que se obtiene
exclusivamente en lazo abierto,

o sea, sin sensores, ni bucles
de retroalimentación complejos.

Y eso es interesante porque significa

que la mecánica ya estabiliza
esta marcha bastante rápida

y que la mecánica realmente buena
ya simplifica la locomoción.

Al punto que incluso se puede
perturbar un poco la locomoción,

como verán en el próximo video,

podemos hacer algo de ejercicio,
pedirle al robot que baje un escalón,

y el robot no se caerá,

lo cual nos sorprendió.

Hay una pequeña protuberancia.

Esperaba que el robot
cayera de inmediato,

porque no hay sensores, ni bucle
de retroalimentación rápida.

Pero no, sencillamente la mecánica
estabilizó la marcha,

y el robot no se cayó.

Obviamente, con escalones más grandes
y con obstáculos,

se necesitan bucles de control total,
reflejos, y todo.

Pero lo importante aquí es que
para perturbaciones pequeñas,

la mecánica es correcta.

Y pienso que este es
un mensaje muy importante

de la biomecánica y la robótica
para la neurociencia:

No hay que subestimar hasta qué punto
el cuerpo ya ayuda a la locomoción.

Ahora, ¿qué relación tiene esto
con la locomoción humana?

Claramente, la locomoción humana es más
compleja que la del gato y la salamandra,

pero al mismo tiempo, el sistema nervioso
de los humanos es muy similar

al de otros vertebrados.

Y, sobre todo, la médula espinal

también es el controlador clave
de la locomoción humana.

Por eso, una lesión en la médula espinal

tiene efectos dramáticos.

La persona puede quedar
parapléjica o tetrapléjica.

Y eso debido a que el cerebro
pierde la comunicación

con la médula.

Especialmente, pierde
esa modulación descendente

para iniciar y modular la locomoción.

Por eso, un gran objetivo
de la neuroprotésica

es poder reactivar esa comunicación

mediante estimulaciones
eléctricas o químicas.

Y hay varios equipos en el mundo
que hacen exactamente eso,

especialmente en la EPFL

mis colegas Grégoire Courtine
y Silvestro Micera,

con quienes colaboro.

Pero para hacerlo correctamente,
es muy importante entender

cómo funciona la médula,

cómo interactúa con el cuerpo,

y cómo se comunica el cuerpo con esta.

Es ahí donde los robots
y los modelos que presenté hoy

espero que jueguen un rol clave

en esos objetivos tan importantes.

Gracias.

(Aplausos)

Bruno Giussani: Auke, he visto
en tu laboratorio otros robots

que nadan en contaminación

y miden la contaminación mientras nadan.

Pero para esto,

mencionaste en tu charla
como efecto secundario,

la búsqueda y el rescate,

y tiene una cámara en la nariz.

Auke Ijspeert: Por supuesto, el robot...

Se desprenden algunos proyectos

en los que quisiéramos usar robots
para inspección de búsqueda y rescate,

por eso este robot ahora los está viendo.

Y el gran sueño es, si uno atraviesa
una situación difícil

como el derrumbe o la inundación
de un edificio,

y es muy peligroso para el equipo
de rescate o incluso para los perros,

por qué no enviar un robot que
pueda arrastrarse, nadar, caminar,

con una cámara a bordo, que inspeccione,
identifique sobrevivientes,

y que quizá haga de enlace de
comunicación con los supervivientes.

BG: Claro, suponiendo que las víctimas
no se asusten por su forma.

AI: Sí, probablemente deberíamos
cambiar la apariencia un poco,

porque supongo que un superviviente
podría morir de un ataque al corazón

por temor a que esto se lo coma.

Pero cambiando la apariencia
y haciéndolo más robusto,

estoy seguro de que podemos
lograr una buena herramienta.

BG: Muchas gracias.
Gracias a todo tu equipo.