Robot, który pływa i biega jak traszka

Robotyk Auke Ijspeert projektuje bioroboty, czyli maszyny wzorowane na zwierzętach, które są zdolne do radzenia sobie z trudnym terenem i z powodzeniem mogłyby pojawiać się na kartach powieści science-fiction. Proces tworzenia takich robotów prowadzi do ulepszania maszyn używanych do prac polowych, domowych czy ratowniczych. Roboty te nie tylko imitują naturę, ale też pomagają nam lepiej zrozumieć naszą biologię, ujawniając nieznane wcześniej sekrety rdzenia kręgowego.

Oto Pleurobot.

Został zaprojektowany

na wzór gatunku zwanego traszką Waltla.

Pleurobot potrafi chodzić

i, jak zobaczycie później, także pływać.

Może was zastanawiać,
po co go stworzyliśmy.

Został skonstruowany
jako narzędzie naukowe w neuronauce

we współpracy z neurobiologami,

żeby zrozumieć poruszanie się zwierząt,

a szczególnie, jak rdzeń kręgowy
kontroluje poruszanie się.

Im dłużej zajmuję się biorobotyką,

tym bardziej jestem
pod wrażeniem lokomocji zwierząt.

Jeśli pomyślicie o pływającym delfinie,
biegnącym lub skaczącym kocie

albo nawet o nas, ludziach,

kiedy biegamy lub gramy w tenisa,

zauważycie, że robimy niezwykłe rzeczy.

Nasz układ nerwowy rozwiązuje
skomplikowany problem kontroli ruchu.

Musi perfekcyjnie koordynować
pracę około 200 mięśni,

bo inaczej upadamy lub źle się poruszamy.

Moim celem jest zrozumieć, jak to działa.

Zwierzęca lokomocja składa się
z czterech głównych komponentów.

Pierwszym jest ciało.

Nigdy nie powinniśmy lekceważyć tego,

w jakim stopniu biomechanika
uprościła już lokomocję zwierząt.

Następny jest rdzeń kręgowy,

w którym znajdziemy liczne odruchy

tworzące sensomotoryczną pętlę koordynacji

między aktywnością neuronową
w rdzeniu kręgowym,

a aktywnością mechaniczną.

Trzecim komponentem są
centralne generatory wzorców.

To bardzo interesujące
obiegi w rdzeniu kręgowym,

które potrafią same generować

bardzo skoordynowane
rytmicznie wzorce aktywności,

odbierając jedynie
bardzo proste sygnały wejściowe.

Te sygnały pochodzące

z modulacji zstępującej
w górnych partiach mózgu,

jak kora ruchowa,
móżdżek czy jądra podstawne,

modulują aktywność rdzenia kręgowego,

kiedy się poruszamy.

Interesujące jest, w jakim stopniu
podstawowe komponenty,

rdzeń kręgowy z ciałem,

rozwiązują znaczną część
problemu lokomocji.

Kiedy odetnie się głowę kurze,

a ona będzie biegać jeszcze przez moment,

widać, że podstawowe komponenty,
czyli rdzeń kręgowy i ciało,

odpowiadają za znaczną część lokomocji.

Nie łatwo zrozumieć, jak to działa,

bo po pierwsze

rejestrowanie aktywności
rdzenia kręgowego jest bardzo trudne.

Znacznie łatwiej jest wszczepić
elektrody w korę ruchową

niż w rdzeń kręgowy chroniony przez kręgi.

Szczególnie trudno to zrobić u ludzi.

Druga trudność jest taka,
że lokomocja działa dzięki bardzo złożonej

i dynamicznej interakcji między
wszystkimi czterema komponentami.

Bardzo trudno jest ustalić,
jaką mają rolę w czasie.

Bioroboty, takie jak Pleurobot,
oraz modele matematyczne

mogą być wtedy bardzo pomocne.

Co to jest biorobotyka?

Jest to bardzo aktywna
dziedzina badań w zakresie robotyki,

w której ludzie chcą czerpać
inspirację od zwierząt,

żeby posłać roboty w teren,

jak roboty poszukiwawcze

czy do prac polowych.

Głównym celem jest
czerpanie inspiracji od zwierząt,

żeby stworzyć roboty
do prac w trudnych miejscach,

jak schody, góry, las,

gdzie wciąż mają one trudności,

a zwierzęta radzą sobie znacznie lepiej.

Robot może być również
wspaniałym narzędziem naukowym.

Istnieją ciekawe projekty,
wykorzystujące roboty

jako narzędzia naukowe w neuronauce,
biomechanice czy hydrodynamice.

Właśnie po to powstał Pleurobot.

W moim laboratorium
współpracujemy z neurobiologami,

jak Jean-Marie Cabelguen
z Bordeaux we Francji,

tworząc i testując na robotach
modele rdzenia kręgowego.

Chcemy zacząć od prostych rzeczy.

Dlatego zaczynamy od prostych zwierząt,

jak minogi, które są bardzo
prymitywnymi rybami,

a potem stopniowo przechodzimy
do bardziej złożonej lokomocji,

jak u traszki,

ale też u ssaków,

jak kota i człowieka,

Robot staje się interesującym narzędziem

w sprawdzaniu naszych modeli.

Pleurobot jest dla mnie
spełnieniem marzeń.

Mniej więcej 20 lat temu
tworzyłem już na komputerze

symulacje lokomocji minoga i traszki,

robiąc doktorat.

Jednak zawsze wiedziałem,
że symulacje są tylko przybliżeniem.

Symulując właściwości fizyczne
w wodzie, błocie lub na złożonym podłożu,

bardzo trudno jest odpowiednio
odwzorować to na komputerze.

Może warto mieć prawdziwego
robota i właściwości fizyczne?

Jednym z moich ulubionych
zwierząt jest traszka,

bo jako płaz

jest naprawdę kluczowa
z punktu widzenia ewolucji.

Tworzy doskonałe połączenie
pomiędzy pływaniem,

charakterystycznym dla ryb,

a poruszaniem się czworonogów,
jak u ssaków - kotów i ludzi.

Współczesna traszka

ma dużo wspólnego
z pierwszymi kręgowcami lądowymi,

więc jest prawie żywą skamieliną,

która daje nam dostęp do przodka

naszego i wszystkich lądowych
zwierząt czworonożnych.

Traszki pływają,

wykonując tak zwany ruch węgorzowy,

czyli płynnie rozprzestrzeniając
falę aktywności mięśni od głowy po ogon.

Jeśli postawimy traszkę na ziemi,

przestawi się ona na ruch
zwany chodem kłusowym.

Pojawia się okresowa aktywacja kończyn,

które są bardzo dobrze skoordynowane

z falą stojącą, jaką wykonuje ich ciało.

Dokładnie ten sam ruch wykonuje Pleurobot.

Bardzo zaskakujące i fascynujące jest to,

że to wszystko może robić
sam rdzeń kręgowy i ciało.

Gdyby wziąć traszkę

pozbawioną głowy

i elektrycznie stymulować rdzeń kręgowy,

przy niskim poziomie stymulacji
wywoła to ruch przypominający chód.

Przy mocniejszej stymulacji
ruch ten staje się szybszy.

W pewnym momencie przekraczamy próg,

a zwierzę automatycznie
przełącza się na pływanie.

Niesamowite.

Prosta zmiana ogólnego napędu,

tak jakbyśmy wciskali pedał gazu

modulacji zstępującej
do rdzenia kręgowego,

powoduje przełączenie między
dwoma różnymi sposobami poruszania się.

To samo zaobserwowano u kotów.

Kiedy stymuluje się rdzeń kręgowy kota,

można przechodzić
z chodu w kłus lub galop.

U ptaków można przechodzić między chodem

na niskim poziomie stymulacji

a trzepotaniem skrzydeł
na wysokim poziomie stymulacji.

To pokazuje, że rdzeń kręgowy

jest bardzo złożonym
kontrolerem lokomocji.

Zbadaliśmy szczegółowo lokomocję traszki

i uzyskaliśmy dostęp do wykonującego
nagrania aparatu rentgenowskiego

profesora Martina Fischera
z Uniwersytetu w Jenie w Niemczech.

Dzięki temu mamy wspaniałą maszynę

do szczegółowego nagrywania
wszystkich ruchów kości.

Oto, co zrobiliśmy.

Przede wszystkim dowiedzieliśmy się,
które kości są dla nas istotne

i zebraliśmy całą bazę danych

ich ruchów w 3D,

zarówno na ziemi, jak i w wodzie,

żeby uzyskać kompletną bazę
zachowań motorycznych,

jakie może wykonać zwierzę.

Naszym zadaniem jako robotyków
było skopiowanie ich do naszego robota.

Przeprowadziliśmy całą optymalizację,
żeby znaleźć odpowiednią strukturę,

gdzie umieścić mechanizmy ruchowe
i jak je połączyć ze sobą,

żeby jak najdokładniej
odwzorować te ruchy.

Tak narodził się Pleurobot.

Spójrzmy, jak blisko mu
do prawdziwego zwierzęcia.

To, co widzicie, jest niemal
bezpośrednim porównaniem

sposobu chodzenia zwierzęcia i Pleurobota.

To niemal identyczne odwzorowanie

wykonywanych ruchów.

Widać to jeszcze lepiej, puszczając
nagranie od końca, w zwolnionym tempie.

Co lepsze, możemy odtworzyć pływanie.

W tym celu ubieramy robota w skafander.

(Śmiech)

Wtedy możemy umieścić go w wodzie,
żeby zaczął odtwarzać ruchy pływackie.

Byliśmy z tego bardzo zadowoleni,
bo jest to trudne do zrealizowania.

Właściwości fizyczne interakcji
są skomplikowane.

Nasz robot jest znacznie
większy niż małe zwierzę,

musieliśmy więc dokonać
dynamicznego skalowania częstotliwości,

żeby upewnić się, że mamy
te same właściwości interakcji.

Jak widzicie, stworzyliśmy
bardzo wierne odwzorowanie,

z czego jesteśmy bardzo zadowoleni.

Powróćmy do rdzenia kręgowego.

Z Jean-Marie Cabelguenem stworzyliśmy

model obwodu rdzenia kręgowego.

Co ciekawe, traszka nadal ma

bardzo prymitywny obwód,

podobny do tego u minoga,

tej prymitywnej ryby
przypominającej węgorza.

Wygląda to tak, jakby w procesie ewolucji

dodane zostały nowe oscylatory neuronowe

kontrolujące poruszanie nogami.

Wiemy, gdzie znajdują się te oscylatory,

ale stworzyliśmy matematyczny model,

żeby sprawdzić, jak je połączyć,

żeby umożliwić zmianę
między dwoma sposobami ruchu.

Sprawdzaliśmy to na robocie.

Wygląda to tak.

Macie tu wcześniejszą wersję Pleurobota,

w pełni kontrolowaną
przez nasz model rdzenia kręgowego

zaimplementowany robotowi.

Za pomocą pilota

przesyłamy robotowi

dwa hamujące sygnały,
które normalnie otrzymałby

z wyższych partii mózgu.

Co ciekawe, bawiąc się tymi sygnałami,

możemy kontrolować
prędkość, kierunek i typ ruchu.

Dla przykładu,

stymulując w niskim stopniu,
otrzymujemy chód,

a w pewnym momencie,
jeśli stymulujemy bardziej,

chód bardzo szybko zmienia się w pływanie.

Co więcej, możemy również skręcać

przez mocniejszą stymulację
jednej strony rdzenia.

Myślę, że to piękne,

jak natura rozdzieliła kontrolę,

żeby przydzielić wiele zadań
rdzeniowi kręgowemu,

tak żeby wyższe partie mózgu
nie musiały się zajmować każdym mięśniem.

Muszą się tylko zajmować
zaawansowaną modulacją,

a koordynacja wszystkich mięśni
jest zadaniem rdzenia kręgowego.

Przejdźmy do lokomocji kotów
i znaczenia biomechaniki.

Oto inny projekt,

w którym badaliśmy biomechanikę kotów,

chcąc zobaczyć, jak bardzo
morfologia wspomaga lokomocję.

Odkryliśmy trzy ważne

właściwości kończyn.

Po pierwsze, kończyna kota

przypomina trochę pantograf.

Pantograf jest strukturą mechaniczną,

zawsze utrzymującą wyższy
i niższy segment równolegle.

Prosty geometryczny system,
który koordynuje nieco

wewnętrzny ruch segmentów.

Po drugie, kończyny kota są bardzo lekkie.

Większość mięśni znajduje się w tułowiu,

dzięki czemu kończyny są mniej bezwładne

i można nimi szybko poruszać.

Ostatnią ważną właściwością
jest duża elastyczność kocich kończyn,

która pozwala operować
oddziaływaniem i siłami.

Tak właśnie zaprojektowaliśmy Cheetah-Cub.

Zaprośmy zatem Cheetah-Cub na scenę.

To jest Peter Eckert,
który doktoryzuje się z tego robota.

Jak widzicie, jest to słodkie maleństwo.

Wygląda trochę jak zabawka,

ale tak naprawdę został użyty
jako narzędzie naukowe

do zbadania właściwości kocich nóg.

Jest on bardzo uległy, lekki

i elastyczny,

można go przyciskać i nie popsuje się.

Będzie raczej podskakiwał.

Ta elastyczność jest bardzo istotna.

Widać tu też właściwości

tych trzech segmentów nóg,
które działają jak pantograf.

Co ciekawe, ten dynamiczny chód

jest uzyskiwany tylko w otwartej pętli,

bez czujników i skomplikowanych
pętli sprzężenia zwrotnego.

To ciekawe, bo oznacza,

że już sama mechanika
stabilizuje ten szybki chód,

i że tak naprawdę dobra mechanika
znacznie upraszcza lokomocję.

Możemy nawet trochę
przeszkadzać w lokomocji,

co zobaczycie w następnym filmie.

Można wykonać parę ćwiczeń,
w których robot zejdzie po schodach

i nie przewróci się,

co było dla nas zaskoczeniem.

To tylko mała perturbacja.

Spodziewałem się,
że robot zaraz się przewróci,

bo nie było czujników
czy sprzężenia zwrotnego.

A jednak, mechanika stabilizowała chód

i robot nie upadł.

Oczywiście, zwiększając krok
i dodając przeszkody,

będziemy potrzebować pełnych pętli
sterowania, odruchów i całej reszty.

Ważne jest, że przy małej perturbacji

ta mechanika dobrze się spisuje.

Myślę, że to bardzo ważne przesłanie

od biomechaniki i robotyki dla neurologii,

że nie należy lekceważyć tego,
w jakim stopniu ciało wspomaga lokomocję.

Jak się to odnosi do ludzkiej lokomocji?

Człowiek porusza się w sposób
bardziej złożony niż koty i traszki.

Jednak ludzki układ nerwowy
jest bardzo podobny

do układów innych kręgowców.

Szczególnie rdzeń kręgowy

jest kluczowym narzędziem
kontroli ludzkiej lokomocji.

Dlatego jeśli dojdzie
do uszkodzenia rdzenia,

skutki są dramatyczne.

Taka osoba może stać się
paraplegikiem lub tetraplegikiem,

bo mózg traci łączność

z rdzeniem kręgowym.

Traci szczególnie modulację zstępującą

do inicjowania i modulowania lokomocji.

Ważnym celem neuroprotetyki

jest reaktywacja tej komunikacji

przy użyciu stymulacji
elektrycznej czy chemicznej.

Jest na świecie kilka zespołów,
które właśnie tym się zajmują,

głównie na Politechnice EPFL.

Grégoire Courtine i Silvestro Micera

współpracują ze mną.

Żeby zrobić to dobrze, należy zrozumieć,

jak działa rdzeń kręgowy,

jak oddziałuje na ciało

i jak mózg się z nim komunikuje.

Roboty i modele zaprezentowane tu dzisiaj

będą, miejmy nadzieję,
odgrywać kluczową rolę

w realizacji tych bardzo ważnych celów.

Dziękuję.

(Brawa)

Bruno Giussani: Auke, widziałem
w twoim laboratorium inne roboty,

które na przykład podczas pływania

mierzą poziom zanieczyszczenia.

Ale co do tego jednego,

wspomniałeś w swojej prelekcji
o pewnym projekcie pobocznym,

poszukiwanie i ratowanie,

i ten robot ma na nosie kamerę.

Auke Ijspeert: Oczywiście.

Mamy kilka projektów pobocznych,

w których chcielibyśmy użyć robotów
do poszukiwań i akcji ratowniczych,

więc ten robot cię teraz widzi.

Naszym marzeniem jest, żeby w razie

zawalenia się lub zalania budynku,

czyli sytuacji bardzo niebezpiecznej
dla ratowników, a nawet psów,

móc wysłać tam robota,
który może czołgać się, pływać, chodzić,

z kamerą do badania terenu
i szukania osób, które przeżyły,

umożliwiając nawet kontakt z nimi.

BG: Oczywiście zakładając,
że nie przestraszą się go.

AI: Tak, powinnyśmy chyba
nieco zmienić jego wygląd,

bo ktoś mógłby dostać zawału

ze strachu, że robot go pożre.

Zmieniając wygląd i wzmacniając robota,

możemy z niego zrobić świetne narzędzie.

Dziękuję bardzo tobie i twojemu zespołowi.