Un robot che corre e nuota come una salamandra

Auke Ijspert progetta biorobots, macchine modellate su animali reali in grado di gestire terreni difficili e che potrebbero apparire tra le pagine di un romanzo di fantascienza. Il processo di creazione di questi robot porterebbe ad automi migliori da usare per il lavoro nei campi, per il servizio e per ricerca e soccorso. Ma questi robot non imitano soltanto il mondo naturale: ci aiutano a capire meglio la nostra biologia, rivelando segreti sconosciuti della spina dorsale.

Questo è Pleurobot.

Pleurobot è stato progettato per imitare
una specie di salamandra

detta Pleurodeles waltl.

Pleurobot cammina, come potete vedere,

e come vedremo dopo, sa anche nuotare.

Vi chiederete
perché l'abbiamo progettato?

In realtà è stato progettato
come strumento per le neuroscienze.

Infatti abbiamo lavorato
con dei neurobiologi

per capire come si muovono gli animali

e specialmente come la spina dorsale
controlla i movimenti.

Ma più lavoro in biorobotica,

più la locomozione degli animali
mi stupisce.

Se pensate ad un delfino che nuota
o ad un gatto che corre o salta,

o persino a noi umani,

quando corriamo o giochiamo a tennis,

facciamo cose straordinarie.

Il nostro sistema nervoso risolve
un problema di controllo molto complesso.

Deve coordinare perfettamente
più o meno 200 muscoli,

e se la coordinazione non è buona
cadiamo o ci spostiamo male.

Il mio obiettivo è capire
come tutto questo funziona.

Sono quattro le componenti principali
della locomozione animale.

La prima componente è soltanto il corpo,

e non dovremmo mai sottovalutare

fino a che punto la biomeccanica
semplifichi già la locomozione animale.

Poi c'è la spina dorsale,

e lì troviamo i riflessi,

riflessi multipli che creano
un circuito coordinativo sensorimotorio

tra l'attività neurale nella spina dorsale
e l'attività meccanica.

Infine ci sono
i generatori centrali di configurazione.

Sono circuiti molto interessanti
nella spina dorsale dei vertebrati

che possono generare da soli

configurazioni ritmiche di attività
molto coordinate

ricevendo solo input
molto semplici.

E questi input

provenienti dalla modulazione discendente
da parti più alte del cervello,

come la corteccia motoria,
il cervelletto, il ganglio basale

regolano tutti l'attività
della spina dorsale

mentre ci muoviamo.

La cosa interessante è come
una componente di basso livello,

la spina dorsale, assieme al corpo,

risolvono già una gran parte
della locomozione.

Forse lo sapete per il fatto
che se si taglia la testa ad un pollo

questo può correre per un po',

dimostrando che la parte inferiore,
spina dorsale e corpo,

risolve gran parte della locomozione.

Ora, capire come ciò avviene
è molto complesso,

perché prima di tutto,

registrare l'attività nella spina dorsale
è molto difficile.

È più facile impiantare elettrodi
nella corteccia motoria

che nella spina dorsale,
perché è protetta dalle vertebre.

Specialmente negli umani.

Una seconda difficoltà è che il movimento
è dovuto ad una interazione

molto complessa e dinamica
tra queste quattro componenti.

Quindi è molto difficile scoprire
che ruolo abbia ognuna nel tempo.

È qui che i biorobot come Pleurobot
e modelli matematici

possono davvero aiutare.

Allora cos'è la biorobotica?

È un campo molto attivo
della ricerca in robotica

in cui si vuole
prendere ispirazione dagli animali

per fare robot che vadano all'esterno,

come robot di servizio
o robot di ricerca e soccorso

o robot sul campo.

L'obiettivo qui
è prendere ispirazione dagli animali

per fare robot che se la cavino
su terreni difficili --

scale, montagne, foreste,

luoghi in cui i robot
fanno ancora fatica

e in cui gli animali
riescono molto meglio.

Il robot può anche essere
uno strumento scientifico fantastico.

Ci sono progetti molto belli
in cui i robot sono usati,

come strumento per le neuroscienze,
per la biomeccanica o per l'idrodinamica.

E questo è esattamente
lo scopo di Pleurobot.

Quindi nel mio laboratorio si collabora
con neurobiologi

come Jean-Marie Cabulguen,
un neurobiologo a Bordeaux in Francia,

e vogliamo fare modelli di spina dorsale
e convalidarli sui robot.

E per iniziare in modo semplice

è meglio iniziare con animali semplici

come le lamprede,
pesci molto primitivi,

per poi passare
a una locomozione più complessa,

come nelle salamandre,

ma anche nei gatti e negli umani,

nei mammiferi.

E qui un robot diventa
uno strumento interessante

per convalidare i nostri modelli.

E in effetti, per me, Pleurobot
è un sogno diventato realtà.

Circa 20 anni fa
stavo già lavorando su un computer

su simulazioni di locomozione
delle lamprede e delle salamandre

durante il mio dottorato.

Ma ho sempre saputo che le mie simulazioni
erano solo approssimazioni.

Come simulare la fisica in acqua
o con fango o terreni difficili,

è molto difficile simularli
correttamente al computer.

Perché non un robot
e una fisica veri?

Quindi tra tutti questi animali,
uno dei miei preferiti è la salamandra.

Vi chiederete perché.
Il motivo è che in quanto anfibio,

è un animale chiave
da un punto di vista evoluzionistico.

È un collegamento fantastico
tra il nuoto,

come nelle anguille o nei pesci,

e la locomozione dei quadrupedi,
come i mammiferi, i gatti e gli umani.

In effetti, la salamandra moderna

è molto simile al primo
vertebrato terrestre,

è quasi un fossile vivente,

che ci dà accesso ai nostri antenati,

antenati di tutti i tetrapodi terrestri.

Quindi la salamandra nuota

con un'andatura natatoria
detta anguilliforme,

e propagano un'ondata
di attività muscolare da testa a coda.

E se si mette
la salamandra a terra,

si converte all'andatura
detta al passo e trotto.

In questo caso, c'è un'attivazione
periodica degli arti

che si coordinano con armonia

con quest'ondulazione del corpo
ad onda statica,

ed è esattamente l'andatura
che state vedendo ora su Pleurobot.

Una cosa veramente sorprendente
e affascinante

è che tutto questo può essere generato
solo dalla spina dorsale e dal corpo.

Quindi se si prende
un animale decerebrato -

non è bello
ma se si rimuove la testa -

e se si stimola
elettricamente la spina dorsale,

ad una bassa stimolazione
verrà indotta una sorta di andatura.

Se si stimola un po' di più,
l'andatura accelera.

E ad un certo punto c'è un limite,

e automaticamente,
l'animale inizia a nuotare.

È fantastico.

Si cambia la trasmissione,

come se premendo l'acceleratore

della modulazione discendente
alla spina dorsale,

ci fosse un cambio completo
tra due andature molto diverse.

In realtà, la stessa cosa
è stata osservata nei gatti.

Stimolando la spina dorsale di un gatto,

si può cambiare
tra passo, trotto e galoppo.

O negli uccelli, si può cambiare
tra camminare,

ad una bassa stimolazione,

e sbattere le ali
ad un'alta stimolazione.

Questo dimostra che la spina dorsale

controlla la locomozione
in modo molto sofisticato.

Abbiamo studiato il movimento
della salamandra nei dettagli,

abbiamo avuto accesso
ad una macchina a raggi X

del Prof. Martin Fischer
dell'Università di Jena in Germania.

E grazie a quella,
abbiamo una macchina fantastica

per registrare tutti i movimenti ossei
in dettaglio.

Ecco cos'abbiamo fatto.

In pratica abbiamo scoperto
quali ossa erano importanti per noi

e registrato il loro movimento in 3D.

Abbiamo raccolto
un intero database di movimenti,

sia su terra che in acqua,

per raccogliere un database
di comportamenti motori

che un animale può fare.

Il nostro lavoro di robotici
è stato replicarli nel nostro robot.

È stato fatto un processo di ottimizzazione
per trovare la struttura giusta,

dove posizionare i motori,
come connetterli tra di loro,

per poter ripetere
i movimenti il meglio possibile.

Ed è così che è nato Pleurobot.

Vediamo quanto è simile
all'animale vero.

Quello che vedete
è quasi un paragone diretto

tra la camminata
dell'animale e Pleurobot.

Potete vedere che c'è
una ripetizione quasi identica

della camminata.

Andando indietro al rallentatore
si vede anche meglio.

Ma ancora meglio è il nuoto.

Abbiamo una muta
che mettiamo addosso al robot --

(Risate)

possiamo andare in acqua
e riprodurre l'andatura natatoria.

Qui siamo stati molto contenti,
perché questo era difficile da fare.

La fisica dell'interazione è complessa.

Il nostro robot è molto più grande
di un piccolo animale,

perciò siamo ricorsi
all'ingrandimento dinamico delle frequenze

per ottenere
la stessa fisica delle interazioni.

Ma alla fine vedete
una buona corrispondenza,

ed eravamo davvero contenti.

Passiamo alla spina dorsale.

Quello che abbiamo fatto
con Jean-Marie Cabelguen

è stato modellare i circuiti della colonna.

La cosa interessante
è che la salamandra

ha un circuito molto primitivo,

molto simile
a quello della lampreda,

questo pesce primitivo
simile all'anguilla,

e sembra in evoluzione,

abbiamo aggiunto oscillatori neurali
per controllare gli arti,

per il movimento delle zampe.

E sappiamo dove si trovano
questi oscillatori

ma noi abbiamo fatto
un modello matematico

per vedere come accoppiarli

per permettere il passaggio
tra due andature molto diverse.

E l'abbiamo testato su un robot.

Ecco il risultato.

Quello che vedete
è una versione precedente di Pleurobot

completamente controllata
dal nostro modello di spina dorsale

programmata sul robot.

L'unica cosa che facciamo

è mandare al robot
tramite un telecomando

i due segnali discendenti
che di solito riceve

dalla parte superiore del cervello.

La cosa interessante è che,
giocando con questi segnali,

possiamo controllare
velocità, direzione e tipo di andatura.

Per esempio,

Quando lo stimolo è a livello inferiore,
otteniamo una camminata,

e ad un certo punto, se stimoliamo molto,

cambia rapidamente
nell'andatura natatoria.

Infine, possiamo anche
girare molto bene

solo stimolando di più un lato
della spina dorsale rispetto all'altro.

Penso sia bellissimo

come la natura
abbia distribuito il controllo

per dare davvero molta responsabilità
alla spina dorsale

così che la parte superiore del cervello
non si deve preoccupare di ogni muscolo.

Si deve solo preoccupare
della modulazione ad alto livello,

ed è la spina dorsale
a dover coordinare tutti i muscoli.

Passiamo alla locomozione dei gatti
e all'importanza della biomeccanica.

Questo è un altro progetto

in cui abbiamo studiato
la biomeccanica dei gatti,

per vedere quanto
la morfologia aiuti la locomozione.

Abbiamo trovato tre criteri
importanti nelle proprietà,

in pratica, degli arti.

Il primo è che l'arto di un gatto

ha una struttura più o meno
simile al pantografo.

Un pantografo è una struttura meccanica

che mantiene il segmento superiore
sempre parallelo a quello inferiore.

Quindi un semplice sistema geometrico
che coordina un po'

i movimenti interni dei segmenti.

La seconda proptità degli arti
è che sono molto leggeri.

La maggior parte dei muscoli
è nel busto,

che è una buona idea,
così gli arti hanno una bassa inerzia

e possono muoversi rapidamente.

L'ultima importante proprietà
è questa grande elasticità dell'arto,

per sopportare urti e forze.

È così che abbiamo progettato Cheetah-Cub.

Invitiamo Cheeta-Cub sul palco.

Questo è Peter Eckert,
che fa il dottorato su questo robot,

e come vedete è un grazioso robottino.

Sembra un giocattolo,

ma è stato usato
come strumento scientifico

per studiare queste proprietà
delle gambe dei gatti.

Vedete, è molto adattabile,
molto leggero,

e anche molto elastico,

lo sì può facilmente schiacciare
e non si rompe.

In effetti, fa solo un salto.

E questa proprietà così elastica
è anche molto importante.

E si vedono anche un po' le proprietà

di questi tre segmenti
delle gambe come pantografo.

Ora, l'interessante è
che quest'andatura così dinamica

è ottenuta semplicemente
a circuito aperto

cioè senza sensori,
senza complessi circuiti di feedback.

Ed è interessante perché significa

che solo la meccanica
stabilizza già quest'andatura rapida,

e che la meccanica veramente buona
semplifica la locomozione già alla base.

Al punto che possiamo persino
disturbare un po' la locomozione,

come vedremo nel prossimo video,

dove per esempio possiamo fare esercizi
in cui il robot scende uno scalino,

senza che il robot cada,

che per noi è stata una sorpresa.

Questo è un piccolo turbamento.

Mi aspettavo che il robot
si ribaltasse immediatamente,

perché non ci sono sensori,
o circuiti di feedback veloce.

Ma no, la sola meccanica
ha stabilizzato l'andatura,

e il robot non si ribalta.

Ovviamente, se si fa un passo più lungo,
e in presenza di ostacoli,

c'è bisogno di ogni circuito di controllo
e dei riflessi, eccetera.

Ma la cosa importante è
che solo per un piccolo turbamento

la meccanica è corretta.

Penso che sia
un messaggio molto importante

da biomeccanica e robotica
a neuroscienza,

che dice di non sottovalutare quanto
il corpo aiuti già la locomozione.

Ora, cosa c'entra questo
con la locomozione umana?

La locomozione umana è più complessa
di quella dei gatti e delle salamandre,

ma allo stesso tempo il sistema nervoso
umano è molto simile

a quello degli altri vertebrati.

Specialmente la spina dorsale

è la chiave per il controllo
della locomozione umana.

Ecco perché se c'è una lesione
della spina dorsale

le conseguenze sono drammatiche.

La persona può diventare
paraplegica o tetraplegica.

Questo perché il cervello
perde la comunicazione

con la spina dorsale.

In particolare, perde questa
modulazione discendente

per indurre e modulare la locomozione.

Quindi un obiettivo della neuroprotesi

è riuscire a riattivare
quella comunicazione

usando stimolazioni elettriche o chimiche.

Ci sono vari team
nel mondo che fanno proprio questo,

specialmente a EPFL.

Il miei colleghi Grégoire Courtine
e Silvestro Micera,

con i quali collaboro.

Ma per farlo come si deve,
è molto importante capire

come funziona la spina dorsale,

come interagisce con il corpo,

e come il cervello
comunica con la spina dorsale.

Questo è dove i robot
e i modelli che ho presentato oggi

giocheranno forse un ruolo chiave

verso questo obiettivo molto importante.

Grazie.

(Applausi)

Bruno Giussani: Auke, ho visto
altri robot nel tuo laboratorio

che fanno cose come nuotare
nell'inquinamento

misurando l'inquinamento mentre nuotano.

Ma questo qui,

l'hai detto nella presentazione,
come progetto parallelo,

ricerca e soccorso,

ha una videocamera sul naso.

Auke Ijspeert: Certo. Dunque il robot --

abbiamo dei progetti spin-off

in cui vorremmo usare i robot
per fare ispezioni di ricerca e soccorso --

ora questo robot ti vede.

E il sogno è,
se c'è una situazione difficile

come un edificio crollato
o un edificio inondato,

molto pericolosa per una squadra di soccorso
o persino per i cani,

perché non mandare un robot
che può strisciare, nuotare, camminare

con una videocamera per fare
ispezioni e identifica resopravvissuti

e magari comunicazre
con il sopravvissuto.

BG: Certo, supponendo che i sopravvissuti
non si spaventino della sua forma.

AI: Sì, forse dovremmo cambiarne
un po' l'aspetto,

perché penso che il sopravvissuto
potrebbe morire di infarto

solo pensando
che si possa nutrire di lui.

Ma cambiando l'apparenza
e rendendolo più robusto,

sono sicuro che si possa
farne un buono strumento.

BG: Grazie mille.
Grazie a te a al tuo team.