Un robot care aleargă și înoată precum o salamandră

Auke Ijspeert proiectează bioroboți, mașini modelate după animale reale care sunt capabile să facă lucruri complexe și care arată ca și cum ar fi deprinse din paginile unui roman științifico-fantastic. Procesul de creare a acestor roboți duce la o mai bună automatizare care poate fi folosită pentru servicii de căutare și salvare. Însă acești roboți nu doar că imită lumea naturală - aceștia ne ajută să ne înțelegem biologia mai bine, deblocând secrete pe care nu le cunoșteam despre măduva spinării.

Vi-l prezint pe Pleurobot.

Pleurobot e un robot ce imită
cu precizie o specie de salamandre

numită Tritonul iberian.

Pleurobot poate să meargă,
după cum puteți vedea,

iar mai târziu veți vedea
că poate să și înoate.

Poate vă întrebați:
de ce am proiectat acest robot?

A fost proiectat pentru a servi
ca instrument științific în neuroștiințe.

Într-adevăr, l-am proiectat
împreună cu neurobiologi

pentru a înțelege modul
în care animalele se mișcă

și mai ales modul în care
măduva spinării controlează locomoția.

Pe măsură ce lucrez în biorobotică,

sunt tot mai impresionat
de locomoția animalelor.

Dacă ne gândim la modul în care înoată
un delfin, cum aleargă sau sare o pisică,

sau chiar la noi, oamenii,

atunci când alergăm sau jucăm tenis,

înțelegem că sunt
niște lucruri extraordinare.

De fapt, sistemul nostru nervos rezolvă
o problemă de control extrem de complexă.

Trebuie să coordoneze perfect
200 de mușchi,

iar dacă coordonarea e defectuoasă,
vom cădea sau nu ne vom mișca bine.

Scopul meu este să înțeleg
cum funcționează această coordonare.

Există patru componente principale
ce explică locomoția animalelor.

Prima componentă este doar corpul;

și nu trebuie niciodată să subestimăm

în ce măsură biomecanica
simplifică locomoția animalelor.

Apoi urmează măduva spinării,

iar în măduva spinării se află reflexele,

mai multe reflexe care creează
o coordinare senzorialo-motorie

între activitatea neuronală din măduva
spinării și activitatea mecanică.

O a treia componentă e sistemul
central de generare al mișcărilor.

Sunt niște circuite foarte interesante
în măduva spinării la animalele vertebrate

care pot genera automat

activități ritmice foarte coordonate

receptând doar niște semnale
de intrare foarte simple.

Iar aceste semnale de intrare

provin din modulații descendente
din părțile superioare ale creierului,

cum ar fi cortexul motor,
cerebelul, ganglionii bazali,

ce vor modula activitatea măduvei spinării

în timp ce facem o mișcare.

Ceea ce e interesant e măsura
în care această simplă componentă,

măduva spinării, împreună cu corpul,

rezolvă o parte mare
din problema locomotorie.

Probabil știți asta și din exemplul
găinii cu capul tăiat

care va mai alerga o vreme,

demonstrând că doar partea inferioară,
măduva spinării și corpul

rezolvă o mare parte
din problema locomotorie.

E complicat să înțelegem cum funcționează

pentru că trebuie să analizăm activitatea
din măduvă, și aste e foarte dificil.

E mult mai simplu să plasezi
electrozi în cortexul motor

decât în măduvă, deoarece e protejată
de coloana vertebrală.

Mai ales la oameni.

O a doua dificultate e că locomoția
se datorează unei interacțiuni

foarte complexe și dinamice
dintre aceste patru componente.

Deci e foarte greu de precizat
care e rolul fiecăruia.

Aici robotul Pleurobot
și modelele matematice

sunt cele care ne pot ajuta.

Deci ce e biorobotica?

Biorobotica e un câmp
de cercetare foarte activ în robotică

unde oamenii se inspiră de la animale

pentru a proiecta roboți pentru exterior,

cum ar fi roboții care prestează servicii,
de căutare și salvare

sau roboții de câmp.

Scopul principal e să ne inspirăm
de la animale

pentru a crea roboți
pentru terenuri complexe:

scări, munți, păduri,

locuri unde roboții
întâmpină încă dificultăți

și unde animalele se descurcă mai bine.

Robotul poate fi un instrument
științific extraordinar.

Sunt câteva proiecte
în care se folosesc roboți,

ca instrumente științifice
pentru neuroștiință, biomecanică

sau hidrodinamică.

Exact aceasta e și scopul lui Pleurobot.

În laborator colaborăm cu neurobiologi,

unul dintre ei e Jean-Marie Cabelguen,
din Bordeaux, Franța,

pentru a crea modele de măduvă a spinării
pe care să le folosim pe roboți.

Și am început cu ceva simplu.

E bine să începem cu animale simple

cum e chișcarul de râu,
o specie foarte primitivă

apoi treptat să trecem la sisteme
de locomoția mai complexe,

cum vedem la salamandre,
dar și la pisici și la oameni,

adică la mamifere.

Astfel, robotul devine
un instrument interesant

de validare a modelelor noastre.

Pentru mine, Pleurobot
e ca un vis devenit realitate.

Acum aproximativ 20 de ani,
lucram la calculator

făcând simulări ale locomoției
chișcarului de râu și salamandrei

în timpul doctoratului.

Însă știam bine că simulările
erau doar aproximații.

Simularea mișcărilor în apă, în nămol,
sau terenuri complexe

sunt foarte greu de realizat
pe calculator.

Dar de ce să nu avem un robot adevărat
și cu mișcări reale?

Dintre toate animalele,
una dintre preferatele mele e salamandra.

Dacă vă întrebați de ce,
asta pentru că e un amfibian,

este un animal esențial
din punct de vedere al evoluției.

Creează o conexiune
extraordinară între înot,

după cum vedem la țipari sau la pești,

și locomoția patrupedă pe care o vedem
la mamifere, la pisici și la oameni.

Într-adevăr, salamandra modernă

e foarte asemănătoare
primelor vertebrate terestre,

deci, e de-a dreptul o fosilă vie

ce ne permite accesul
la predecesorii noștri,

predecesorul tuturor
patrupedelor terestre.

Deci, salamandra înoată

și face asta prin ceea ce numim noi
înot specific anghilelor,

ce propagă o mișcare unduitoare
a mușchilor de la cap spre coadă.

Și dacă punem salamandra jos pe pământ,

va avea un mers agale.

În acest caz vorbim de o activare
periodică a picioarelor

foarte frumos coordonată

într-o ondulație permanentă a corpului.

și exact aceasta este mersul
pe care-l vedeți acum la Pleurobot.

Un lucru care este cu adevărat
surprinzător și fascinant,

e că toate acestea pot fi generate
doar de măduva spinării și corp.

Astfel, dacă luați
o salamandră decapitată —

nu e un lucru drăguț
dar dacă îi tăiați capul —

și îi stimulați electric măduva spinării,

la o stimulare ușoară,
aceasta va merge agale,

iar dacă stimulați un pic mai tare,
mersul se va accelera.

La un moment dat, se află un prag,

și în mod automat animalul
va începe să înoate.

Este extraordinar.

Doar schimbând modul de stimulare,

ca și cum ai apăsa
pe o pedală de accelerație,

provoacă o modulație
descendentă pe măduva spinării,

făcând ca salamandra să își schimbe
modul de deplasare în mod radical.

De fapt, același lucru
s-a observat și la feline.

Dacă stimulezi măduva spinării
unei feline,

va face trecerea între mers,
alergare și galop.

Și la păsări. Poți face ca o pasăre
să schimbe între mers,

la un nivel slab de stimulare,

sau să dea din aripi
la o stimulare mai puternică.

Și aceasta dovedește că măduva spinării

e un coordonator al locomoției
foarte sofisticat.

Deci, am studiat locomoția
salamandrei în detalii,

având acces la un aparat
de radiografii foarte performant

al profesorului Martin Fischer
de la Jena University din Germania.

Și datorită lui am avut
un dispozitiv extraordinar

cu care am înregistrat mișcările
oaselor în mare detaliu.

Exact asta am și făcut.

Am încercat să ne dăm seama
ce oase sunt importante pentru noi

și am analizat mișcarea lor în format 3D.

Am făcut o adevărată
bază de date cu mișcări

atât pe uscat, cât și în apă,

pentru a avea o bază de date
cu modul de mișcare

al unui animal real.

Munca noastră a fost să replicăm
aceste mișcări pentru roboții noștri.

Am depus o muncă titanică
pentru a găsi structura potrivită,

unde să plasăm motoarele,
cum anume să le conectăm,

pentru a putea imita acele mișcări
pe cât de bine posibil.

Și așa a luat viață Pleurobot.

Să analizăm acum cât de bine imită
animalul real.

Ceea ce vedeți aici e aproape
o comparație directă

între mersul animalului real
și mersul lui Pluerobot.

Puteți observa că am obținut
aproape același mers cu al salamandrei.

Dacă redăm cu încetinitorul
se poate vedea și mai bine.

Dar și mai bine decât atât,
am imitat înotul.

Pentru asta am îmbrăcat
robotul cu un costumul de baie...

(Râsete)

apoi intrăm în apă pentru a înota.

Suntem foarte fericiți pentru că acesta
e un lucru foarte dificil de realizat.

Fizica interacțiunilor e complexă.

Robotul e mult mai mare decât un animal,

astfel că a trebuit să facem
scalarea dinamică a frecvențelor

pentru a ne asigura că avem
aceeași interacțiune.

Și se poate vedea că imită destul de bine

și suntem foarte, foarte mândri de asta.

Deci, să revenim la măduva spinării.

Împreună cu Jean-Marie Cabelguen

am modelat circuitele din măduva spinării.

E interesant faptul că salamandra

a păstrat un circuit foarte primitiv,

care e foarte asemănător
cu ceea ce găsim la chișcar,

acest pește primitiv
asemănător cu un țipar,

și se pare că în timpul evoluției,

noi oscilatoare neuronale s-au adăugat
pentru a controla mișcarea picioarelor.

Știm bine unde se află
aceste oscilatoare neuronale,

însă am făcut un model matematic

pentru a vedea cum trebuie cuplate

pentru a permite tranziția
între cele două tipuri de mers.

Și le-am testat pe robot.

Și uite cum arată.

Ceea ce vedeți e versiunea
anterioară a lui Pleurobot

care e controlat în totalitate
de modelul nostru de măduvă a spinării

programat pe robot.

Și singurul lucru pe care-l facem

e să transmitem robotulul
cu ajutorul unei telecomande

cele două semnale pe care ar trebui
în mod normal să le primească

din partea superioară a creierului.

Dacă ne jucăm cu aceste semnale

putem controla viteza, direcția
de deplasare și tipul de mers.

De exemplu,

dacă stimulăm puțin,
obținem mersul normal,

și la un moment dat,
dacă stimulăm mai mult,

mersul se va schimba rapid în înot.

În final, putem de asemenea
să schimbăm direcția

prin stimularea unei părți a măduvei
mai mult decât cealaltă.

Și consider că acesta e un lucru grozav.

Faptul că natura a distribuit controlul

și a dat întreaga responsabilitate
măduvei spinării

astfel încât creierului
să nu controleze fiecare mușchi.

Trebuie doar să se ocupe
de modulația de nivel înalt,

iar măduva spinării
e cea care va coordona toți mușchii.

Acum să ne întoarcem la locomoția
felinelor și la importanța biomecanicii.

Acesta e un alt proiect

în care am studiat biomecanica felinelor

și am vrut să vedem în ce măsură
morfologia ajută locomoția.

Am descoperit trei criterii
importante ale membrelor.

Primul criteriu e că membrele unei feline

arată asemănător cu o structură
de tip pantograf.

Pantograful este o structură mecanică

care ține segmentul superior și segmentele
inferioare întotdeauna paralele.

Un sistem geometric simplu ce coordonează

mișcarea internă a segmentelor.

A doua proprietatea a membrelor felinelor
e că sunt extrem de ușoare.

Majoritatea mușchilor se află în trunchi

ceea ce e ideal,
deoarece membrele au inerție mică

și pot fi mișcate cu rapiditate.

Ultima caracteristică foarte importantă
e caracterul extrem de elastic

pentru a face față impactului și forței.

Astfel am proiectat „Puiul de ghepard”.

Haideți să invităm „Puiul de ghepard”
pe scenă.

El e Peter Eckert, și el își face
doctoratul pe tema acestui robot.

După cum vedeți, e un robot mic și drăguț.

Arată ca o jucărie,

însă a fost folosit
ca instrument științific

pentru a cerceta caracteristicile
picioarelor felinelor.

Vedeți, e foarte maleabil, foarte ușor,

de asemenea, și foarte elastic.

Poate fi apăsat cu ușurință
și nu se va rupe.

De fapt, va sări.

Această caracteristică a elasticității
este foarte importantă.

Puteți vedea aceste caracteristici

ale acestor trei segmente
ale picioarelor de tip pantograf.

E foarte interesant faptul că
acest mers destul de dinamic

e obținut printr-un circuit deschis,

adică fără senzori,
fără circuite de feed-back.

Acest lucru e interesant
pentru că înseamnă că doar mecanica

a stabilizat acest mers rapid

și că mecanica cu adevărat bună
simplifică esențialmente locomoția.

Putem chiar să deranjăm puțin locomoția,

după cum veți vedea în clipul următor,

unde punem robotul să facă un exercițiu,
de exemplu să coboare o treaptă,

și robotul nu va cădea,

ceea ce a fost o surpriză pentru noi.

Este o ușoară perturbare.

Mă așteptam ca robotul
să se împiedice imediat,

pentru că nu are senzori
sau circuite de feedback.

Însă nu, mecanica în sine
a stabilizat mersul,

iar robotul nu a căzut.

Evident, dacă treptele sunt mai mari,
și dacă dai de obstacole,

vei avea nevoie de un întreg sistem
de control și de reflexe.

Ceea ce e important e că
doar pentru o mică perturbare,

mecanica funcționează perfect.

Cred că aceasta e un mesaj
foarte important

din partea biomecanicii și a roboticii
către neuroștiințe,

care ne spune să nu subestimăm gradul
în care corpul deja ajută locomoția.

Cum se aseamănă toate acestea
de locomoția umană?

Evident, locomoția umană e mai complexă
decât locomoția pisicii sau a salamandrei,

însă sistemul nervos al oamenilor
este foarte asemănător

cu cel al altor vertebrate.

În special măduva spinării

e regulatorul principal
și pentru locomoția umană.

Din acest motiv, dacă există o leziune
pe măduva spinării,

aceasta are efecte dramatice.

Persoana poate deveni
paraplegică sau tetraplegică.

Aceasta pentru că creierul
pierde comunicarea

cu măduva spinării.

În special acea modulație descendentă

ce inițiază și modulează locomoția.

Un mare țel al neuroprotezelor

e acela de a fi capabile să reactiveze
această comunicare

folosind stimulări electrice sau chimice.

Sunt mai multe echipe în lume
care fac exact acest lucru,

în special la EPFL.

Colegii mei, Grégoire Courtine
și Silvestro Micera,

cu care colaborez.

Dar pentru a face asta corect
e foarte important să înțelegem

cum funcționează măduva spinării,

cum interacționează cu corpul,

și cum comunică creierul
cu măduva spinării.

Și aici roboții și modelele
pe care vi le-am prezentat astăzi

vor juca sper un rol cheie

în atingerea acestor țeluri
foarte importante.

Mulțumesc.

(Aplauze)

Bruno Giussani: Auke, am văzut
în laboratorul tău și alți roboți

care înotă în ape poluate

și măsoară gradul de poluare
în timp ce înoată.

Dar pentru aceasta,

ai menționat în discursul tău,
ca e un proiect secundar

pentru căutare și salvare,

și are o cameră video montată pe nas.

Auke Ijspeert: Absolut. Acest robot --

Avem câteva proiecte secundare

în care am dori să folosim roboți
pentru acțiuni de căutare și salvare,

iar acest robot te poate vedea acum.

Și visul cel mare este ca în cazul
unei situație dificile

cum ar fi prăbușirea unei clădiri
sau o clădire inundată,

și e prea periculos să intre echipa
de salvare sau chiar și câinii,

de ce să nu trimitem un robot
care se poate târî, înota sau merge,

cu o cameră video pentru a inspecta
terenul și a identifica supraviețuitorii

și, poate, de a comunica
cu supraviețuitorii.

BG: Desigur, dacă supraviețuitorii
nu se vor speria de forma robotului.

Al: Da, probabil că ar trebui să-i
schimbăm înfățișarea puțin,

pentru că presupun că supraviețuitorii
ar putea face atac de cord

dacă sunt speriați de un robot
ce pare că îți caută de mâncare.

Însă dacă îi schimbăm înfățișarea

sunt sigur că poate fi
un instrument foarte util.

BG: Vă mulțumesc foarte mult.