Semender gibi koşabilen ve yüzebilen bir robot

Robot bilimci Auke Ijspeert bilim kurgu romanlarında görülebilecek gerçek hayvanlardan modellenen ve komplike araziye uyum sağlayabilen biorobotlar tasarlıyor.Bu robotları yaratmak servis, arama, kurtarma gibi birçok alanda öncülük ediyor. Bu robotlar sadece doğal hayatı taklit etmekle kalmıyor aynı zamanda biolojiyi de daha iyi anlamamızı sağlayarak omuriliğin bilinmeyen sırlarını da ortaya çıkarıyor.

Bu Pleurobot.

Pleurobot, Pleurodeles waltl isimli
semender ırkına çok benzeyecek şekilde

tasarladığımız bir robottur.

Burada gördüğünüz gibi
Pleurobot yürüyebiliyor

ve ileride göreceğiniz gibi
aynı zamanda yüzüyor.

Bu robotu neden
tasarladığımızı sorabilirsiniz.

Aslında bu robot sinirbilimi
için bilimsel bir araç olarak tasarlandı.

Aslında, bu robotu
sinirbilimcilerle birlikte tasarladık.

Hayvanların nasıl hareket
ettiğini anlamak ve

özellikle omurganın, hareketi nasıl
kontrol ettiğini anlamak için tasarlandı.

Biyorobotlarla çalıştıkça

hayvanların hareketlerinden
daha çok etkileniyorum.

Bir yunusun yüzmesini, bir kedinin
koşmasını veya etrafta zıplamasını

düşünürseniz veya biz
insanlar olarak bile

koşarken veya tenis oynarken

şaşırtıcı şeyler yapıyoruz.

Sinir sistemimiz, oldukça karmaşık
olan bir kontrol problemini çözüyor.

Neredeyse 200'e yakın kası kusursuz
bir şekilde koordine etmek zorunda.

Çünkü, eğer koordinasyon kötü olursa
düşer veya kötü bir hareket yapmış oluruz.

Ve benim amacım bunun
nasıl çalıştığını anlamak.

Hayvan hareketlerini sağlayan
dört ana bileşen vardır

Birinci bileşen hayvanlarda
hareketi

kolaylaştıran biyomekaniği
kapsayan bedendir

ve bu asla küçümsenmemelidir.

Sonra omurga

ve omurgada bulunan refleksler,

omurgadaki nöral aktivite ve
mekanik aktivite arasında

sensorimotor kordinasyon döngüsünü
yaratan çoklu refleksler gelir.

Üçüncü bileşen, merkezi
desen jeneratörleridir.

Bunlar, omurgalı hayvanların
omuriliklerinde bulunan,

sadece çok basit giriş
sinyallerini alarak,

koordineli ritmik aktivite
desenleri yaratabilen

çok ilginç devrelerdir.

Ve bu giriş sinyalleri,

beynin üst bölümlerindeki motor
korteks, beyincik, bazal gangliyon

gibi azalan modülasyondan gelir.

Biz hareket ederken, omurilik tüm

modülasyon aktivitesini yapar.

Fakat asıl ilginç olan,
alt seviye bir bileşen,

omurilik ve vücut birlikte
hareket probleminin

büyük bir bölümünü zaten çözer.

Muhtemelen, kafası kesildiği
halde halen koşabilen

tavuk olayını biliyorsunuzdur.

Bu olay, alt bölümün, omurilik
ve vücutla birilikte,

hareketi sağladığını gösterir.

Bunun nasıl çalıştığını
anlamak çok karmaşıktır

çünkü her şeyden önce

omurilikteki kayıt aktivitesi çok zordur.

Elektrodların, motor kortekse
yerleştirilmesi, omuriliğe

yerleştirilmesinden daha kolaydır
çünkü omurga tarafından korunur.

Özellikle insanlarda,
bu çok daha zordur.

İkinci bir zorluk da, hareketin,
bu dört bileşen

arasında, çok kompleks ve
dinamik bir etkileşim olmasıdır.

Zaman içinde, her birinin
rolünü bulmak çok zordur.

Pleurobot gibi biyorobotlar ve
matematiksel modeller, bize bu noktada

yardımcı olacaktır.

Peki, biyorobotik nedir?

Biyorobotik, insanların hayvanlardan

ilham alarak, dışarı çıkabilen,

servis, araştırma, kurtarma

veya arazi robotları yapmalarını sağlayan,
robot araştırmalarının

çok önemli bir dalıdır.

Büyük hedef, hayvanlardan ilham alarak,

robotların halen zorluk yaşadığı ama

hayvanların çok iyi olduğu

merdiven, dağ, orman
gibi arazilerle

baş edebilecek robotlar yapmaktır.

Robot mükemmel bir
bilimsel araç da olabilir.

Biyomekanik veya hidromekanik
alanlarında, robotların

nörobilim için bilimsel araç gibi
kullanıldığı çok güzel projeler vardır.

Ve bu tam olarak Pleurobotun
varoluş amacıdır.

Biz laboratuvarda,
Fransa Bordeaux'dan bir

nörobiyolog olan Jean-Marie Cabelguen
gibi nörobiyologlar ile omurilik modelleri

yapmak ve onları robotlar
üzerinde doğrulamak istiyoruz.

Basitten başlamak istiyoruz.

Bu durumda, ilkel bir
balık olan bofa

gibi basit hayvanlarla
başlamak ve sonrasında

daha komplike harekete
sahip semender, kedi

ve insan gibi memelilere

doğru gitmek

daha mantıklıcadır.

Ve işte robot, bizim
modelimizi doğrulayacak

ilginç bir araç haline geliyor.

Ve aslında Pleurobot,
benim için bir hayalin

gerçeğe dönüşmesidir.
Bundan yaklaşık 20 yıl önce,

doktoram sırasında, bofa ve
semender hareketi üzerine

simülasyon yapıyordum.

Fakat her zaman simülasyonlarımın
sadece yaklaşımlar olduğunu biliyordum.

Fiziği; suda, çamurda veya
komplike arazide simüle

etmek gibi bunu da bilgisayarda
simüle etmek çok zor.

Niye gerçek robot veya
gerçek fizik olmasın?

Tüm bu hayvanlar içinde semender
en favori olanlarımdan biridir.

Niye diye sorabilirsiniz; çünkü o,
evrimsel bakış açısından,

bir amfibi olarak,
anahtar bir hayvandır.

Yılan balığı
veya balıklardaki

yüzme özelliği;
memeliler, kediler

ve insanlardaki dört ayaklı hareket
arasında mükemmel bir bağlantı kurar.

Ve aslında modern semender

ilk karasal omurgalıya çok benzer,

bu nedenle adeta yaşayan bir fosildir ve

tüm karasal omurgalıların atası olan

atalarımıza ulaşma şansını verir.

Semender kıvrılarak yüzer

gibi hareket eder ve kafadan
kuyruğa kadar olan kas

hareketlerinin dalgasını yayar.

Eğer semenderi yere koyarsanız,

tırıs yürüyüş şekline geçiş yapar.

Bu durumda bacakların güzel

koordineli hareketi ortaya çıkar

ve bu gördüğünüz tam olarak

Pleurobot'un yürüyüş şeklidir.

Şimdi çok şaşırtıcı ve aslında
büyüleyici olan şey

tüm bunların, omurilik ve vücut
tarafından yapılıyor olmasıdır.

Eğer beyni çıkarılmış,
güzel değil fakat

kafası kesilmiş bir semenderin

omuriliğine elektriksel
uyarıda bulunursanız,

uyarının alt seviyelerinde
yürüme hareketini elde edersiniz.

Biraz daha çok uyarıda
bulunursanız, yürüyüşü hızlanır.

Ve bir eşik noktasında,

hayvan otomatik olarak
yüzme hareketine geçiş yapar.

Bu inanılmazdır.

Araba sürme hareketinde

olduğu gibi, gaz pedalına basarken de

omuriliğimizin azalan modülasyonuyla,

iki çok farklı yürüyüş şekli
arasında geçiş yapmış oluruz.

Ve aslında aynı olay
kedilerde de gözlenmiştir.

Eğer kedinin omuriliğini uyarırsanız,

yürüyüş, tırıs ve koşma
arasında geçiş yapabilirsiniz.

Veya kuşlarda, uyarının alt
seviyelerinde yürüyüş,

üst seviyelerinde kanat çırpma

arasında geçiş yapabilirsiniz.

Ve bu gerçekten omuriliğin çok sofistike

bir hareket kontrolcüsü
olduğunu gösterir.

Semenderin hareketini
daha detaylı inceledik ve

Almanya'daki Jena Üniversitesinden,
Profesör Martin Fischer'in

röntgen makinasını kullanma şansımız oldu.

Bu sayede tüm kemik hareketlerini

detaylı olarak kaydedebildik.

Yaptığımız buydu.

Böylelikle hangi kemiklerin
bizim için önemli olduğunu belirledik

ve onların hareketini
3 boyutlu olarak topladık.

Hem karadaki hem de sudaki

tüm hareketleri toplayarak,

gerçek bir hayvanın
yapabileceği tüm davranışların

veritabanını oluşturduk.

Bizim görevimiz bu hareketleri
kendi robotumuza eklemekti.

Böylece biz doğru yapıyı bulabilmek için;
motorları nereye yerleştireceğimizi,

nasıl bağlıyacağımızı ve
hareketlerin mümkün olan en iyi

şekilde yapılabilmesi amacıyla,
tam bir optimizasyon işlemi yaptık.

Pleurobot işte böyle hayat buldu.

Şimdi gerçek bir hayvana
ne kadar yakın olduğuna bakalım.

Burda gördüğünüz şey,
gerçek bir hayvan ile

Pleurobot'un neredeyse
direkt karşılaştırmasıdır.

Yürüyüş şeklinin,
neredeyse birebir tekrarı

olduğunu görebilirsiniz.

Geri gidip yavaşça izlerseniz
daha iyi göreceksiniz.

Fakat bundan da iyisi biz
yüzebiliyoruz.

Bunun için robotun üstüne
giydirdiğimiz bir takım elbisemiz var.

(Gülüşmeler)

Ve sonra biz suya girebiliyoruz
ve yüzme şekilllerini tekrarlayabiliyoruz.

Ve burda biz çok mutluyuz
çünkü bunu yapmak çok zor.

Etkileşimin fiziği komplekstir.

Robotumuz küçük bir
hayvandan çok daha büyüktür.

Bu yüzden, biz aynı fiziksel
etkileşimlerden emin olmak için

frekansların değişken
ölçeklemesini yapmalıydık.

Fakat sonunda ne kadar
yaklaştığımızı ve bizim ne kadar

mutlu olduğumuzu göreceksiniz.

Haydi şimdi omuriliğe gidelim.

Buradaki Jean-Marie Cabelguen
ile modellediğimiz

omurilik devreleri.

İlginç olan, semender,
aynı yılanımsı balık olan

bofa gibi ilkel bir devreye sahip

ve öyle görünüyor ki

evrim sırasında

yeni sinirsel osilatörler

bacak hareketlerini

yapmak için eklenmişlerdir.

Biz bu sinirsel osilatörlerin
nerede olduğunu biliyoruz

fakat bizim yaptığımız;
bu birbirinden çok farklı

hareket şekilleri arasında geçişe
izin veren sinirsel osilatörlerin

nasıl çiftleştiklerini görmek için
matematiksel bir model oluşturmaktı.

Ve biz bunu bir robot
üzerinde test ettik.

Ve bu nasıl görüdüğü.

Burada gördüğünüz
Pleurobot'un

tamamen omurilik
tarafından kontrol edilen

önceki bir versiyonudur.

Bizim yaptığımız tek şey,

normalde beynin
üst bölgesinden

gelmesi gereken iki sinyali,

uzaktan kumandayla robota göndermekti.

İlginç olan şey hız, yönelim ve
hareket şeklinin tipini,

sinyallerle oynayarak
tamamen kontrol edebiliyoruz.

Örneğin,

alt seviyede uyarırsak
yürüyüş şeklini elde ederiz

ve bir noktada eğer çok fazla

ve sık uyarırsak
yüzme şekline geçiş yapar.

Ve son olarak, omuriliğin
bir tarafını diğer tarafa

göre daha fazla uyararak dönüşleri
çok güzel yapabiliyoruz.

Beynin üst bölgesinin

her bir kas hareketinden
sorumlu olması yerine,

doğanın bu işleri omuriliğe

dağıtmasını çok güzel buluyorum.

Beynin üst bölgesi sadece yüksek
seviyeli modülasyonlardan

sorumludur ve kasların koordinasyonu
gerçekten omuriliğin işidir.

O zaman şimdi kedinin hareketine
ve biomekaniğin önemine gidelim.

Bu, kedinin biomekaniğini

çalıştığımız başka bir projedir
ve biz morfolojinin

harekete ne kadar yardım
ettiğini görmek istedik.

Özelliklerde, temel olarak bacaklarda,

üç farklı kriter bulduk.

İlki, az çok pantograf yapıya

benzeyen kedi bacağıdır.

Pantograf, üst ve alt segmentleri

daima paralel tutan mekanik bir yapıdır.

Bunun gibi basit bir
geometrik sistem, segmentlerin

iç hareketlerini bir parça kontrol eder.

Kedinin bacaklarının ikinci
bir özelliği ise hafif olmalarıdır.

Kasların çoğu gövdededir.

Bu iyi bir fikirdir çünkü böylece
bacakların ataleti düşük olur

ve hızlıca hareket edebilir.

Kedi bacağının son önemli özelliği
çok esnek bir yapıda olmasıdır.

Böylece darbelere ve
dış güçlere dayanaklıdır.

Buradaki de çıta yavrusunun tasarımı.

O zaman çıta yavrusunu
sahneye davet edelim.

Bu Peter Eckert. Doktorasını
bu robot üzerine yapıyor

ve gördüğünüz gibi
o küçük sevimli bir robot.

Biraz oyuncağa benziyor

fakat kedi bacaklarının özelliklerini

incelemek için bilimsel
bir araç olarak kullanıldı.

Gördüğünüz gibi çok komplike ve hafif

ve ayrıca çok esnek.

Kolayca üzerine basabiliyorsunuz
fakat kırılmıyor.

Aslında sadece zıplıyor.

Ve bu çok esnek özellik
gerçekten çok önemli.

Pantografın bacağı gibi üç segmentli

bir bacağın özelliklerini de
görüyorsunuz.

Şimdi ilginç olan; bu oldukça
dinamik yürüyüş şekli, tamamen

açık döngü olarak elde edildi.

Yani sensörler ve komplike döngüler yok.

Ve bu ilginç. Çünkü sadece mekaniğin

bu oldukça hızlı yürüyüş şeklini
zaten sabitlediği ve iyi mekaniğin

gerçekten temel olarak hareketi
kolaylaştırdığı anlamına geliyor.

Bir ölçüde harekete
müdahale de edebiliyoruz.

Bir sonraki videoda göreceksiniz.

Örneğin biraz egzersiz yapabiliriz
veya bir basamak inmesini sağlayabiliriz.

Buna rağmen robot düşmeyecek,

ki, bu bizim için şaşırtıcıdır.

Bu küçük bir pertürbasyon.

Robotun hemen düşmesini bekliyordum

çünkü hiç sensör veya hızlı döngü yok.

Fakat hayır, sadece mekanik
yürüyüş şeklini

sabitledi ve robot düşmedi.

Belli ki, eğer adımı büyütürseniz
ve engeller varsa,

tam kontrol döngülerine ve
reflekslere ihtiyacınız var.

Fakat burada önemli olan
sadece küçük pertübrasyon için

mekaniğin kuralları doğrudur.

Ve bunun, biyomekanik ve
robotikten, nörobilime

gönderilen "vücudun harekete ne ölçüde
yardımı

olduğunu küçümseme" mesajının
çok önemli olduğunu düşünüyorum.

Şimdi bu, insan hareketiyle
nasıl ilişkili?

Açıkça, insan hareketi, kedi ve semender
hareketinden çok daha karmaşıktır.

Fakat aynı zamanda, sinir sistemi
diğer omurgalılarla çok

benzer yapıdadır.

Ve özellikle omurilik,

insan hareketlerinde anahtar
kontrolcüdür.

Bu nedenle, eğer omurilikte
bir lezyon varsa

bunun dramatik etkileri olur.

Kişi kısmi veya tam felçli olabilir.

Bu yüzden beyin omurilikle

iletişimi kaybedebilir.

Özellikle hareketi başlatan
ve devam ettiren

azalan modülasyonu kaybeder.

Nöral protezlerin amacı

elektiriksel ve kimyasal
uyarılar kullanarak

iletişimi tekrar aktif hale getirmektir.

Dünyada, özellikle EPFL'de,
tam olarak bu işle uğraşan

ekipler vardır.

Birllikte çalıştığım iş arkadaşlarım

Grégoire Courtine
ve Silvestro Micera.

Fakat bunu düzgün yapmak için,
omuriliğin nasıl çalıştığını,

vücutla nasıl etkileşimde bulunduğunu

ve beynin omurilikle

nasıl iletişim kurduğunu
anlamak çok önemlidir.

Bugün sunumunu yaptığım
modellerin, bu hedeflere ulaşmak için

anahtar bir rol üstleneceğini umuyorum.

Teşekkür ederim.

(Alkışlar)

Bruno Giussani: Auke,
laboratuvarınızda kirli su içinde

yüzen ve kirlilik seviyesini ölçen

başka robotlar görmüştüm.

Fakat bunun için

konuşmanızda, arama ve kurtarma

amaçlı yan proje olarak bahsettiniz.

Ve onun burnunda bir kamera var.

Auke Ijspeert: Kesinlikle.
Böylece robot --

Arama ve kurtarma amaçlı

robot kullanımıyla ilgili
projelerimiz var.

Bu robot şimdi sizi görüyor.

Ve asıl büyük hayal; yıkılmış veya
sel altında kalmış bir bina

düşünün. Böyle zor durumlar, kurtarma
ekipleri ve kurtarma köpekleri

için bile çok tehlikelidir.

Niye bu gibi durumlarda yürüyerek,
yüzerek gezebilen, hayatta

kalanları tespit ederek, onlarla
iletişimi sağlayabilecek

bir robot göndermeyelim.

BG: Elbette bunun şeklinin
kazazedeleri korkutmaması gerekiyor.

AI: Evet, muhtemelen görünüşünü
biraz değiştirmemiz gerekiyor.

Çünkü bir kazazede
bunun kendini yiyeceğini

düşünüp kalp krizi geçirebilir.

Fakat görünüşünü değiştirip
onu daha sağlam yaparak,

çok iyi bir araç
yaratabileceğimize eminim.

BG: Çok teşekkür ederim.
Size ve takımınıza teşekkürler.