A robot, ami fut és úszik, mint egy szalamandra

Auke Iljspeert biorobotokat tervez valódi állatok modellezése alapján, melyek képesek komplex terep kezelésére, és olyanok, mintha egy sci-fi regény lapjairól léptek volna elő. Ezeknek a robotoknak a megteremtése jobb robotokhoz vezet, melyek terepmunkák, szolgáltatások, keresés és mentés területén használhatók majd. Ám ezek a robotok nem csak imitálják a természetet, hanem segítenek jobban megérteni saját biológiánkat, felfedve a gerincvelő eddig ismeretlen titkait.

Ez itt a Pleurobot.

A Pleurobot egy robot,
melyet egy szalamandrafajta,

a Pleurodeles waltl
élethű imitálására terveztünk.

A Pleurobot tud sétálni,
amint itt látható,

és ahogy később látni fogják, úszni is.

Megkérdezhetik,
miért terveztük ezt a robotot?

Nos, az idegtudomány számára,
tudományos eszköznek szántuk.

Neurobiológusokkal együtt terveztük,

hogy megértsük,
miként mozognak az állatok,

és különösen, hogy a gerincvelő
miként irányítja e mozgást.

Minél többet dolgozom
a biorobotika területén,

annál inkább lenyűgöz az állatok mozgása.

Gondoljunk csak egy úszó delfinre,
egy futó, ugráló macskára,

vagy egy kocogó,

vagy teniszező emberre -

valamennyien bámulatos dolgokat tesznek.

Az idegrendszer egy igen-igen
komplex problémát old meg:

tökéletesen összehangolja
mintegy 200 izom mozgását,

Ha ugyanis a koordináció rossz,
akkor elesünk, vagy helytelenül mozgunk.

A célom megérteni, hogy ez miként működik.

Az állatok mozgása mögött
négy fő komponens áll.

Az első komponens egyszerűen a test.

Sosem szabad alábecsülni,

hogy a biomechanika mennyire
leegyszerűsíti a mozgást az állatoknál.

Aztán következik a gerincvelő,

melyben a reflexek találhatók.

Többféle reflex van, melyek szenzomotoros
koordinációs hurkot alkotnak

a gerincvelői idegi aktivitása
és a mechanikus tevékenység között.

A harmadik komponenst
a központi mintagenerátorok jelentik.

Ezek a gerincesek gerincvelőjében lévő,
nagyon érdekes áramkörök,

melyek képesek önállóan,

rendkívül összehangolt,
ritmikus mozgásmintákat létrehozni,

rendkívül egyszerű bemeneti jelek alapján.

Ezek a bemeneti jelek

az alászálló idegpályán érkeznek
az agy felsőbb részeiből -

a motoros kéregből,,
kisagyból, agyalapi idegsejtekből -

melyek mind szabályozzák
a gerincvelő tevékenységét,

miközben mozgást végzünk.

Igen érdekes, hogy egy olyan
alacsony szintű komponens,

mint a gerincvelő, a testtel együtt,

milyen mértékben képes
megoldani a mozgás problémáját.

Valószínűleg ismerik azt a tényt,
hogyha a csirke fejét levágják,

még képes futni egy darabig,

bizonyítva, hogy az alsó rész,
a gerincvelő és a test

végzi a mozgás nagy részét.

Most már látjuk, hogy ez
igen bonyolult működésmód,

mert mindenekelőtt

igen nehéz a mozgás
követése a gerincvelőben.

Sokkal egyszerűbb a motoros
kéregbe elektródákat beültetni,

mint a gerinccsigolya
által védett gerincvelőbe.

Különösen embereknél nagyon nehéz.

A második nehézség,
hogy a mozgás a négy összetevő

igen bonyolult és dinamikus
kölcsönhatásának az eredménye.

Igen nehéz kideríteni, hogy melyiknek,
mikor, mi a szerepe a folyamatban.

Ez az, amiben a biorobotok, mint a
Pleurobot és a matematikai modellek

igazán segíteni tudnak.

Mi a biorobotika tehát?

A biorobotika egy igen aktív
robotikai kutatási terület,

ahol az emberek az állatoktól
merítenek ötleteket

kültéri robotok,,

mint például szervizrobotok,
kutató- és mentőrobotok,

vagy terepi robotok építéséhez.

A fő cél, hogy ötleteket
szerezzünk az állatoktól,

hogy a komplex terepre
- lépcsők, hegyek, erdők -

alkalmas robotokat alkossunk.

Ezeken a helyeken a robotok
még nehézségekkel küzdenek,

és az állatok jobban boldogulnak.

A robot egy csodálatos
tudományos eszköz is lehet.

Van néhány remek projekt,
ahol robotokat használnak:

tudományos eszközökként az idegtudomány,
biomechanika vagy hidrodinamika területén.

A Pleurobot célja is pontosan ez.

A laboratóriumomban
neurobiológusokkal működünk együtt.

Például Jean-Marie Cabelguen
Bordeaux-i kutatóval közösen

gerincvelő modelleket készítünk,
és robotokon teszteljük őket.

Egyszerű lépésekkel kezdjük.

Jó dolog egyszerű állatokkal kezdeni

mint az ingola, ami egy primitív halfajta,

aztán lépésenként haladni
az összetettebb mozgások felé,

amilyen a szalamandráké,

vagy a macskáké, embereké,

az emlősöké.

Ilyenkor a robot egy érdekes
eszközzé válik,

mely a modelljeinket validálja.

Nekem valójában a Pleurobot
egy álom megvalósulása.

Körülbelül 20 éve már készítettem
számítógépes szimulációt

ingolák és szalamandrák mozgásáról

a doktori dolgozatom keretében.

Ám mindig tudtam, hogy a szimulációim
csak közelítések.

Például a víz, sár vagy
bonyolult terep tulajdonságait

nagyon nehéz megfelelően
szimulálni számítógépen.

Miért ne lenne igazi
robot igazi feltételekkel?

Ezek közül az állatok közül
az egyik kedvencem a szalamandra.

Hogy miért? Azért, mert kétéltű.

Evolúciós szempontból
igazán kulcsfontosságú állat.

Csodálatos kapcsot teremt az úszás,

amely halaknál és angolnáknál fordul elő,

és a négylábúak - mint az emlősök,
a macskák és az emberek - mozgása között.

Valójában a mai szalamandra

igen közel van az első
szárazföldi gerincesekhez,

így majdnem egy élő kövület,

ami kapcsolatot teremt az ősünkkel,

és egyben az összes négylábú,
szárazföldi élőlény ősével.

Tehát a szalamandra ún. "anguilliform"

testtartásban úszik,

azaz hullámzó izommozgást
hoz létre a fejétől a farkáig.

Ha egy szalamandrát a földre helyezünk,

sétáló-ügető testtartásra vált.

Ebben az esetben a végtagok
periodikusan aktiválódnak,

s e mozgás remekül összehangolt

a test álló hullámzásával,

és pontosan ezt a testtartást
látják most a Pleuroboton.

Nagyon meglepő és lenyűgöző a tény,

hogy mindezt kizárólag a gerincvelő
és a test hozza létre.

Tehát ha egy agy nélküli,

- nem valami szép, de a fejétől
megfosztott szalamandra -

gerincvelőjét elektromosan ingereljük,

az alacsony szintű inger
sétáló járást indukál.

Az inger fokozásával a járás gyorsul,

és van egy pont, egy küszöbérték,

ahol az állat automatikusan úszásra vált.

Ez lenyűgöző.

Pusztán a hajtóerő változtatása -

mintha a gázpedált nyomnánk -

a leszálló idegpályán,

teljes váltást idéz elő a két
különböző mozgásforma között.

Valójában ugyanezt
figyelték meg macskáknál.

Ha egy macska gerincvelőjét stimuláljuk,

váltani tudunk a séta,
ügetés és vágta között.

Madaraknál az alacsony ingerrel a séta,

erősebb ingerrel pedig

szárnycsapkodás között válthatunk.

Ez azt mutatja, hogy a gerincvelő

egy igen kifinomult mozgásszervi vezérlő.

Miközben a szalamandrák
mozgását részletesebben megfigyeltük,

lehetőségünk volt egy röntgensugaras
videofelvevőt használni,

Martin Fischer professzor jóvoltából
a német Jena University-ről.

Ennek köszönhetően
bámulatos eszközhöz jutottunk,

hogy igen részletesen rögzítsük
a csontok mozgását.

Pontosan ezt tettük.

Kitaláltuk, hogy mely csontok
fontosak számunkra,

és 3D-ben összegyűjtöttük a mozgásukat.

Egy teljes adatbázisnyi
mozgást gyűjtöttünk,

szárazföldön és vízen egyaránt.

Így létrehoztunk egy adattárat

egy valóságos állat
motoros mozgásformáiról.

Robotkutatóként ezeknek
az utánzása volt a feladatunk.

Egy teljes optimalizálást végeztünk
hogy megtaláljuk a jó struktúrát.

Hova kell tenni, hogy kell
összekötni a motorokat,

hogy minél jobban
visszaadjuk a mozgásokat.

Így kelt életre a Pleurobot.

Nézzük, mennyire hasonlít
egy valódi állathoz!

Itt egy összehasonlítást látunk

a valódi állat és a Pleurobot
sétáló mozgása között.

Láthatjuk, hogy majdnem
egy az egyben pontos mása

a sétáló járásnak.

Ha visszafelé és lassan lépkedünk,
még inkább látható.

Még jobban látható az úszásnál.

Ehhez vízhatlan ruhát
tettünk a robot köré,

(Nevetés)

majd vízbe helyeztük,
és visszajátszottuk az úszó mozgást.

Ekkor nagyon boldogok voltunk,
mert ezt nehéz kivitelezni.

A kölcsönhatás fizikája bonyolult.

A robotunk jóval nagyobb,
mint egy kis állat,

így ún. dinamikus frekvencialéptetést
használtunk,

hogy biztosan ugyanazt a hatást érjük el.

Végül látszik, hogy nagy
hasonlóságot értünk el

és nagyon örültünk ennek.

Tehát nézzük a gerincvelőt.

Itt Jean-Marie Cabelguen-nel

a gerincvelő idegpályáit modelleztük.

Érdekes, hogy a szalamandra

megőrzött egy nagyon egyszerű áramkört,

amely nagyon hasonló az ingolában,

ebben az a primitív,
angolnaszerű halban találthoz.

Úgy tűnik, az evolúció során

új idegi reflexívek fejlődtek ki
a végtagok irányítására,

a lábak mozgatására.

Tudjuk, hol vannak ezek az idegközpontok,

és készítettünk
egy matematikai modellt arról,

hogyan kell összekötni őket,

hogy az átmenet lehetővé váljon
a két különböző járás között.

Aztán teszteltük a robot vezérlésén.

Íme, így néz ki.

Amit itt látnak, egy korábbi
Pleurobot-verzió,

amit teljesen a mi programozott

gerincvelő modellünk irányít.

Csupán annyit teszünk,

hogy táviránytón keresztül küldjük

a két leszálló ingert, amit normál esetben

az agy felső részéből kapna.

Érdekes, hogy ezekkel
az ingerekkel játszva

teljesen irányítható a járás
sebessége, iránya és típusa.

Például,

egy alacsony szintű inger
sétáló mozgást eredményez

és egy ponton, ha erősebb az inger,

hirtelen úszásra vált át.

Még az fordulás is kivitelezhető,

ha a gerincvelő egyik oldalát
jobban ingereljük.

Azt gondolom, igazán szép,

ahogy a természet szétosztotta
az irányítást

és jó adag felelősséget
adott a gerincvelőnek.

Tehát az agy felső részének nem kell
aggódnia minden izom miatt.

Elég az inger erősségéért aggódnia,

az összes izom irányítása
a gerincvelő dolga.

Most nézzük a macska mozgását
és a biomechanika fontosságát.

Egy másik munkánkban,

melyben a macska biomechanikáját
tanulmányoztuk,

látni akartuk, hogyan segíti
a morfológia a mozgást.

Három fontos kritériumot
találtunk a végtagok

tulajdonságai között.

Az első, hogy a macska végtagja

többé-kevésbé egy
pantográf-szerű struktúra.

A pantográf egy mechanikai szerkezet,

melyben a felső és alsó rész mindig
párhuzamos marad.

Tehát egy ilyen, egyszerű
geometriai rendszer koordinálja

a szegmensek belső mozgását.

A végtagok másik tulajdonsága,
hogy könnyűek.

Az izmok többsége a törzsön van,

ami jó elrendezés, mert így
a végtagok tehetetlensége kicsi,

és gyorsan mozgathatók.

Az utolsó fontos tulajdonságuk:
a nagy rugalmasság,

mely a hatásokat és erőket kezeli.

Így terveztük meg a Cheetah-Cub-ot
[Pumakölyköt].

Hívjuk a színpadra.

Ő Peter Eckert, aki doktori tanulmányokat
folytat erről a robotról,

amint látható, ez egy aranyos kis robot.

Olyan, mint egy játék,

de valójában tudományos
eszközként használják,

a macskaláb tulajdonságainak
tanulmányozásához.

Látható, hogy nagyon alkalmazkodó,

könnyű, és igen rugalmas,

tehát könnyen lenyomható, és nem törik el.

Sőt, szinte felugrik.

Ez a nagyfokú rugalmasság is
igen fontos.

Ezeket a tulajdonságokat szintén

láthattuk a pantográf három szegmensén is.

Érdekes, hogy ezt az igen
dinamikus járási módot,

egy tisztán nyílt hurok hozza létre,

szenzorok, vagy bonyolult
visszacsatolások nélkül.

Azért érdekes, mert ez azt jelenti,

hogy csupán a mechanika
már stabilizálta ezt a gyors járást,

és ez a kiváló mechanika
leegyszerűsíti a mozgást.

A következő felvételen azt látjuk,

mi történik, ha kis zavar
kerül a mozgásba.

Egy gyakorlat során a robot
egy lépcsőn megy le,

mégsem esik el,

ami meglepetés volt számunkra.

Ez egy kismértékű zavarás volt.

Azt vártam, hogy a robot azonnal elesik,

mert nincs szenzor, vagy visszacsatolás.

De tévedtem: a mechanika
stabilizálta a járást,

és a robot nem esett el.

Nyilvánvalóan, ha a lépcsőfok nagyobb,
vagy akadályok vannak,

szükség van a teljes hurokra,
reflexekre és minden egyébre.

Ami itt fontos, hogy kis zavar esetén

a mechanika elegendő.

Azt gondolom, ez egy fontos üzenet

a biomechanika és robotika
részéről az idegtudománynak,

hogy ne becsüljük le, milyen mértékben
segíti a test a mozgást.

Hogyan kapcsolódik ez az emberi mozgáshoz?

Világos, hogy az emberi mozgás komplexebb,
mint a macskáé vagy szalamandráé,

de ugyanakkor az emberi idegrendszer
nagyon hasonló

más gerincesekéhez.

A gerincvelő különösképp

egy kulcsfontosságú
vezérlőszerv az emberekben is.

Ezért a gerincvelő sérülése

drasztikus hatással jár.

Két, vagy akár mind a négy végtag
lebénulását is okozhatja.

Ennek oka, hogy az agy
elveszti a kapcsolatot

a gerincvelővel.

Különösen a leszálló modulációt veszti el,

ami a mozgást elindítja vagy módosítja.

A beültetett protézisek fő célja

e kommunikáció újraélesztése

elektromos vagy kémiai ingerlés
használatával.

Számos kutatócsoport a világon,
melyek pontosan ezt csinálják,

különösen az EPFL-en.

A kollégáim, Grégoire Courtine
és Silvestro Micera,

akikkel együtt dolgozom.

Ahhoz, hogy ezt helyesen csináljuk,
fontos megérteni,

hogy működik a gerincvelő,

hogyan lép interakcióba a testtel,

és az agy hogyan kommunikál
a gerincvelővel.

Ez az, ahol a bemutatott
robotok és modellek

remélhetően kulcsszerepet játszanak majd,

és segítenek e fontos célok elérésében.

Köszönöm.

(Taps)

Bruno Giussani: Auke,
a laborban más robotokat is láttam,

melyek például szennyezett vízben úsznak,

és közben mérik a szennyezést.

Ám ennek

a mellékprojektként említett

kereső- és mentőrobotnak

van egy kamera az orrán,

Auke Iljspeert: Igen, így van.

Van néhány spin-off projektünk,

melyben keresésre és felderítésre
akarjuk használni a robotokat,

tehát ez a robot most lát téged.

Nagy álmom, hogy egy nehéz helyzetben,

mint egy összeomlott
vagy elárasztott épület,

ami nagyon veszélyes egy
mentőcsapat vagy akár kutyák számára,

inkább egy robotot küldjünk oda,
körbejárni, körbeúszni,

kamerával felszerelve,
hogy felderítse és azonosítsa a túlélőket,

és kapcsolatot létesítsen velük.

BG: Természetesen, feltéve, hogy a túlélők
nem ijednek meg a formájától.

AI: Igen, valószínűleg meg kell
változtatnunk némileg a külsejét,

mert a túlélők szívrohamot kapnak attól,

hogy megeszi őket.

De a megjelenését megváltoztatva,
és robusztusabbá téve,

biztos vagyok benne,
hogy jó eszközzé alakíthatjuk.

Nagyon köszönöm neked és a csapatodnak.