Pleurobot: een robot die rent en zwemt als een salamander

Robotontwerper Auke Ijspeert ontwerpt biorobots: op dieren geïnspireerde robots die kunnen voortbewegen over complex terrein en die zo uit een science fiction-wereld lijken te zijn ontsnapt. Het ontwikkelen van deze robots levert betere apparaten op die kunnen worden ingezet voor werk op moeilijk bereikbare plekken, bijvoorbeeld tijdens reddingsacties. Maar deze robots zijn niet alleen een nabootsing van de natuur, ze helpen ons ook de biologie beter te begrijpen, doordat ze nieuwe inzichten verschaffen in de rol die het ruggenmerg speelt bij voortbeweging.

Dit is Pleurorobot.

Pleurobot is ontworpen
om te lijken op een salamander soort

genaamd Pleurodeles waltl.

Pleurobot kan lopen,

en zoals je zult zien,
kan hij ook zwemmen.

Waarom hebben we deze robot ontworpen?

Hij is bedoeld als instrument
voor neurowetenschappelijk onderzoek.

We hebben hem ontworpen
samen met neurobiologen,

om te begrijpen hoe dieren bewegen

en hoe het ruggenmerg
beweging controleert.

Hoe meer ik in biorobotica werk

hoe meer ik onder de indruk ben
van beweging van dieren.

Denk aan een zwemmende dolfijn,
of een kat die rent en springt,

Of zelfs aan ons, mensen,

als we hardlopen of tennissen.

We doen verbazingwekkende dingen.

Ons zenuwstelsel lost feitelijk
een ingewikkeld probleem op.

Het moet ongeveer 200 spieren
foutloos aansturen,

want slechte coördinatie betekent
omvallen of slechte voortbeweging.

Mijn doel is om te snappen hoe dit werkt.

Vier hoofdonderdelen maken
voortbeweging van dieren mogelijk.

Het eerste onderdeel is het lichaam zelf,

en we mogen niet onderschatten

in hoeverre biomechanica
beweging in dieren al versimpelt.

Ten tweede heb je het ruggenmerg.

In het ruggenmerg vind je reflexen.

Meerdere reflexen samen vormen
een sensorisch-motorische koppeling

tussen neurale activiteit in het merg
en mechanische activiteit.

De derde component zijn
centrale patroongeneratoren.

Dit zijn zeer interessante circuits
in het ruggenmerg van gewervelde dieren.

Ze genereren, uit zichzelf,
gecoördineerde ritmische activiteit

op basis van heel simpele inputsignalen.

Deze inputsignalen zijn afkomstig
van hogere hersengebieden

zoals de motorcortex, het cerebellum,
en de basale ganglia.

Deze beïnvloeden activiteit in het
ruggenmerg tijdens voortbeweging.

Het is interessant in hoeverre
de lagere onderdelen,

het ruggenmerg en het lichaam,

het voortbewegingsprobleem
al grotendeels oplossen.

Je weet vast, dat een kip zonder kop
nog een tijdje kan rondrennen.

Dit laat zien dat dit onderste deel,
het ruggenmerg en het lichaam,

een groot deel van voortbeweging verzorgt.

Dit begrijpen is erg ingewikkeld.

Allereerst is het meten van de activiteit
in het ruggenmerg erg moeilijk.

Het is makkelijker om elektrodes
te plaatsen in de motorcortex.

Want het ruggenmerg wordt
beschermd door wervels.

Zeker in mensen is dat heel moeilijk.

Een tweede moeilijkheid is
dat beweging ontstaat

uit complexe, dynamische
interactie tussen de vier componenten.

Uitvinden wat elke component doet
is niet makkelijk.

Hier kunnen biorobots, zoals Pleurobot,
en wiskundige modellen helpen.

Biorobotica is een zeer actief
onderzoeksgebied binnen robotica

waar mensen zich
laten inspireren door dieren

om robots te maken die naar buiten gaan,

zoals servicerobots,
reddingsrobots of terreinrobots.

Het doel is om op dieren geïnspireerde
robots te maken voor lastig terrein:

trappen, bergen of bossen,

plekken waar robots nog moeite hebben
en waar dieren veel beter in zijn.

Robots spelen ook een
belangrijke rol in onderzoek.

Er zijn mooie projecten
waarin robots gebruikt worden

in de neurowetenschap,
biomechanica of hydrodynamiek.

Dat is ook precies het doel van Pleurobot.

In mijn onderzoeksgroep
werken we samen met neurobiologen

zoals Jean-Marie Cabelguen,
een neurobioloog uit Bordeaux, Frankrijk.

We willen het ruggenmerg modelleren
en de modellen valideren op robots.

We wilden simpel beginnen,

met simpele dieren zoals lampreien.

Een soort primitieve vissen.

Daarna kwamen dieren
met complexere voortbeweging,

zoals salamanders, maar ook katten
en mensen, zoogdieren.

Dan wordt een robot
een belangrijk instrument

om onze modellen te valideren.

Voor mij is Pleurobot
een uitgekomen droom.

Zo'n 20 jaar geleden
werkte ik al op een computer

aan simulaties van lamprei-
en salamandervoortbeweging,

tijdens mijn promotieonderzoek.

Maar mijn simulaties
waren slechts een benadering.

Het simuleren van de krachten van
water, modder en complexe ondergronden

was erg moeilijk om goed te doen
met de computer.

Waarom geen echte robot
met echte krachten?

Van al deze dieren
is de salamander mijn favoriet.

Waarom?

Omdat amfibieën vanuit een
evolutionair oogpunt erg belangrijk zijn.

Het is een prachtige link
tussen zwemmen,

zoals je ziet in alen of vissen,

en viervoetige voortbeweging,
zoals je ziet in zoogdieren.

Eigenlijk is de moderne salamander
nauw verwant aan de eerste gewervelden.

Het is bijna een levend fossiel.

Dit geeft ons toegang tot onze voorouders.

De voorouders van alle viervoeters.

De zwemwijze van de salamander
noemen we anguilliforme zwembeweging,

dus de spieractiviteit beweegt in
een gelijkmatige golf van kop naar staart.

Als je een salamander op de grond plaatst,

dan verandert zijn bewegingspatroon
naar draf.

Je ziet periodieke activering
van de verschillende ledematen,

mooi gecoördineerd met die staande golf
die door het lichaam beweegt.

Dat is precies het bewegingspatroon
dat je hier ziet bij Pleurobot.

Heel verrassend en fascinerend

is dat deze beweging gegenereerd wordt
door alleen het ruggenmerg en lichaam.

Als je een decerebrate salamander neemt --

met de kop verwijderd--

dan kun je het ruggenmerg
elektrisch stimuleren.

Bij een laag stimulatieniveau
ontstaat loopachtige voortbeweging.

Als je sterker stimuleert
versnelt het patroon

en bij een bepaalde grens wisselt het dier
automatisch naar zwemmen.

Dit is geweldig.

Verander de aandrijving,

alsof je het gaspedaal indrukt

van de afdalende omvorming
naar het ruggenmerg,

veroorzaakt een complete wissel
tussen twee zeer verschillende gangen.

Hetzelfde is gezien in katten.

Als je het ruggenmerg stimuleert
wisselt de kat tussen stap, draf en galop.

En ook vogels wisselen

van lopen, bij lage stimulatie,
naar klapwieken, bij hoge stimulatie.

Dit laat zien dat het ruggenmerg

een geavanceerde regelaar is van beweging.

We bestudeerden salamanders
in meer detail,

met behulp van een röntgencamerasysteem

van professor Martin Fischer
van de Jena Universiteit uit Duitsland.

Door deze geweldige machine

konden we heel gedetailleerd
de beweging van de botten vastleggen.

Dat hebben we gedaan.

We identificeerden de belangrijke botten

en registreerden de bewegingen in 3D.

We verzamelden allerlei bewegingen --

zowel op land als in het water --

in een database van motorisch gedrag
dat een echt dier kan vertonen.

Onze taak als robotici was
om dit na te maken in onze robot.

In een heel optimalisatieproces
zochten we naar de juiste structuur,

de plaats van de motoren
en hun onderlinge verbinding,

om deze bewegingen na te bootsen.

Dit is hoe Pleurobot tot leven kwam.

Laten we kijken hoe goed dat gelukt is.

Je ziet een vrijwel zuivere vergelijking
tussen het echte dier en de Pleurobot.

Het is bijna een één op één-
herhaling van de gang.

Achteruit en vertraagd afgespeeld
zie je het nog beter.

Maar nog beter:
hij kan ook zwemmen.

Daarvoor gebruiken we een waterdicht pak
waar we de robot mee inpakken.

(Gelach)

Daarmee kan hij het water in
om de zwemwijze na te bootsen.

Dit was moeilijk om te doen.

De interactie tussen
de krachten is complex.

Onze robot is veel groter
dan het kleine dier,

dus we moesten de schaal
van de frequenties aanpassen

om juiste interactie-krachten te generen.

Maar het is een goede overeenkomst.

Hier waren we erg blij mee.

Laten we het hebben over het ruggenmerg.

Samen met Jean-Marie Cabelguen hebben we
de ruggenmergcircuits gemodelleerd.

De salamander heeft interessant genoeg
een erg primitief neuraalcircuit.

Dit circuit lijkt op dat van de lampreien,

de primitieve, aalachtige vissen.

Het lijkt erop dat tijdens de evolutie

nieuwe oscillatoren zijn toegevoegd
om de poten aan te sturen,

dus voor beenmotoriek.

We wisten de locatie van deze oscillatoren

maar hebben een wiskundig model gebruikt

om te zien hoe we ze moesten verbinden

zodat we de twee soorten voortbeweging
konden afwisselen.

We hebben dit getest in een robot.

Het zag er zo uit.

Dit is een voorloper van de Pleurobot.

Hij wordt compleet gestuurd
door zijn interne ruggenmerg-model.

Het enige wat wij doen

is via een afstandbediening
de twee signalen sturen

die normaal vanuit de hersenen
het ruggenmerg bereiken.

Het interessante is dat we
met behulp van deze signalen

snelheid, richting en type voortbeweging
helemaal kunnen controleren.

Bij een laag stimulatieniveau
loopt de robot,

en bij hoge stimulatie zien we
een snelle wisseling naar zwemmen.

En we kunnen heel mooi draaien

door één kant van het ruggenmerg
meer te stimuleren.

Ik vind het prachtig

hoe de natuur de controle heeft verdeeld

en het ruggenmerg
grote verantwoordelijkheid heeft gegeven.

Zo hoeven de hersenen
niet elke spier aan te sturen,

maar houden ze zich alleen bezig
met de hogere modulatie.

Het ruggenmerg zorgt voor
de aansturing van individuele spieren.

Laten we kijken naar de kat
en de rol van biomechanica.

Dit is een ander project over
de biomechanica van katten.

We wilden zien hoezeer lichaamsvorm
voortbeweging ondersteunt.

We vonden drie belangrijke eigenschappen
van de ledematen.

De eerste is dat de ledematen van de kat

een pantograafachtige structuur hebben.

Een pantograaf
is een mechanische structuur

waarvan het bovenste en onderste segment
altijd parallel aan elkaar blijven.

Dus een simpel geometisch systeem dat
de beweging van de segmenten coördineert.

Een tweede eigenschap van kattenpoten
is dat ze weinig wegen.

De meeste spieren zitten in de romp.

Hierdoor hebben de poten
een lage inertie en kunnen snel bewegen.

De laatste belangrijke eigenschap is
dat katten poten erg elastisch zijn

waardoor ze bestand zijn tegen schokken.

Zo hebben we Cheetah-Cub ontworpen.

Laten we hem uitnodigen op het podium.

Dit is Peter Eckert,

zijn promotieonderzoek
gaat over deze robot.

Zoals je ziet is het een kleine robot.

Hij ziet eruit als een speelgoed,

maar hij wordt gebruikt als instrument

om eigenschappen van de kat te onderzoeken

Hij is erg licht en elastisch.

Je kunt hem gemakkelijk indrukken
zonder hem te breken.

Hierdoor springt hij.

Deze elastische eigenschap
is bijzonder belangrijk.

Je ziet nu ook de eigenschap van
de pootsegmenten als pantograaf.

Het interessante is
dat deze dynamische tred

puur ontstaat in een 'open loop',

dus zonder sensoren en
zonder complexe terugkoppeling.

Dat is fascinerend, omdat het betekent

dat puur de mechaniek van het lichaam
deze snelle voortbeweging kan stabiliseren

en dat goede mechaniek
bewegingsaansturing erg versimpelt.

Zodanig goed dat we voortbeweging
een beetje kunnen verstoren.

Dat zie je in het volgende filmpje.

Hierin stapt de robot van een verhoging.

De robot valt niet om.

Dat verbaasde ons.

Het is een kleine verstoring.

Ik verwachte dat de robot direct
om zou vallen,

omdat hij geen sensoren heeft
en geen terugkoppeling.

Maar de mechaniek stabiliseert de beweging
en de robot valt niet om.

Als je de stap groter maakt
of als je obstakels introduceert,

dan heb je natuurlijk terugkoppeling
van informatie nodig en reflexen enz.

Maar belangrijk is dat voor een
kleine verstoring de mechaniek genoeg is.

Dit is een belangrijke boodschap

van biomechanica en robotica
aan de neurowetenschappen.

Onderschat de rol van het lichaam niet.

Wat heeft dit te maken met
het menselijk voortbewegen?

Natuurlijk is onze gang ingewikkelder
dan die van een kat of salamander,

maar het zenuwstelsel van mensen
lijkt erg op dat van andere gewervelden.

Ook bij ons is het ruggenmerg
de primaire regelaar van voortbeweging.

Daarom heeft beschadiging van
het ruggenmerg dramatische gevolgen.

Er kan een gedeeltelijke of
volledige verlamming ontstaan.

De hersenen verliezen namelijk
hun communicatie met het ruggenmerg

in de vorm van de afdalende banen
die voortbeweging initiëren en moduleren.

Een belangrijk doel van neurale protheses

is om deze communicatie te reactiveren

met hulp van elektrische
of chemische stimulatie.

Er zijn verschillende teams
die precies dat doen.

Bijvoorbeeld aan de EPFL,

mijn collega's Grégoire Courtine
en Silvestro Micera,

met wie ik samenwerk.

Om dit goed te doen is het belangrijk
te begrijpen hoe het ruggenmerg werkt,

hoe het communiceert met het lichaam,

en hoe de hersenen
communiceren met het ruggenmerg.

De robots en modellen
die ik vandaag heb gepresenteerd

gaan hopelijk een belangrijke rol spelen

bij het realiseren
van deze belangrijke doelen.

Dankjewel.

(Applaus)

Bruno Giussani: Auke, ik heb in jouw lab
nog andere robots gezien

die de vervuiling van het water meten
waarin ze zwemmen.

Voor deze robot hier heb je het gehad
over hulp bij reddingsacties.

Ik zie dat hij een camera draagt.

Auke Ijspeert: Absoluut!

We hebben een aantal spin-off projecten

waarin we proberen robots te ontwerpen
voor reddingsacties.

Deze robot kan je zien.

De droom is om robots in te zetten
in gevaarlijke situaties,

zoals een ingestort of overstroomd gebouw.

Te gevaarlijk voor een reddingsteam
of zelfs voor honden.

Daar kunnen robots rondkruipen of zwemmen,

met een camera om te inspecteren
en overlevenden te vinden.

en om communicatie met overlevenden
mogelijk te maken.

BG: Ervan uitgaand dat de overlevenden
hier niet van schrikken.

AI: Ja, we moeten het uiterlijk
nog een beetje aanpassen,

anders krijgt de overlevende
nog een hartaanval

van het idee dat de robot hem komt opeten.

Maar met een ander uiterlijk
en wat robuster

kan het een goed gereedschap worden.

BG: Heel erg bedankt Auke en je team.