Robot có thể chạy và bơi như kì nhông

Auke Ijspeert là nhà thiết kế robot sinh học, những robot này được tạo ra theo nguyên mẫu của các động vật thật, có thể vượt qua địa hình phức tạp như trong những tiểu thuyết khoa học viễn tưởng . Quá trình tạo ra những robot này cải thiện việc tự động hóa và có thể được sử dụng cho nghiên cứu thực địa, dịch vụ, và tìm kiếm cứu nạn . Nhưng những robot này không chỉ bắt chước các thế giới tự nhiên - nó giúp chúng ta hiểu hơn những đặc điểm sinh học của chính chúng ta, mở khóa những bí mật chưa từng được biết của tủy sống .

Đây là Pleurobot.

Pleurobot là một loại người máy
được thiết kế để mô phỏng loài kì nhông

gọi là "kì đà Pleurodeles"

Như bạn thấy đó, Pleurobot có thể đi được,

Nó cũng bơi được,
bạn sẽ thấy ngay sau đây.

Có thể bạn sẽ hỏi,
tại sao lại tạo ra con robot này ?

Thực tế, con robot này là một công cụ
khoa học của khoa thần kinh học

Các nhà thần kinh học đã
cùng chúng tôi tạo ra nó

để hiểu rõ về sự di chuyển của động vật

đặc biệt là cách cột sống
kiểm soát sự vận động của cơ thể

Càng làm việc với robot sinh học,

tôi càng ấn tượng
về sự vận động của động vật.

Nếu bạn nghĩ đến một con cá heo đang bơi
hay một con mèo đang chạy nhảy

hoặc thậm chí chúng ta, con người

khi chúng ta chạy bộ hoặc chơi tennis,

chúng ta làm nhiều điều kinh ngạc.

Thực tế,

hệ thần kinh chúng ta phải giải quyết
một vấn đề điều khiển cực kì phức tạp

Nó phải phối hợp hoàn hảo với
trên dưới 200 cơ,

vì nếu phối họp không tốt
ta sẽ mất thăng bằng và khó vận động được

Và mục tiêu của tôi là hiểu rõ
nó diễn ra như thế nào

Có 4 bộ phận chính
cấu thành sự vận động của động vật

bộ phận thứ nhất là thân mình

Thực ra, chúng ta không nên đánh giá thấp

mức độ các cơ chế sinh học
làm đơn giản hóa sự vận động của động vật

Sau đó là cột sống

và trong cột sống có sự phản xạ

Nhiều phản xạ tạo nên
vòng lặp phối hợp vận động cảm giác

giữa cử động của thần kinh cột sống
và cử động cơ học

Bộ phận thứ ba là
các trung tâm tạo mẫu

Đây là những mạch điện rất thú vị có
trong cột sống của động vật có xương sống

có thể tự tạo ra

các mẫu cử động rất nhịp nhàng
theo nhịp (phách)

trong khi chỉ cần tiếp nhận
tín hiệu đầu vào rất đơn giản

Và những tín hiệu này

đến từ sự điều tiết
từ những phần cao hơn của bộ não,

giống như là võ não vận động,
tiểu não, hạch nền,

tất cả sẽ điều biến
sự cử động của cột sống

khi chúng ta vận động.

Nhưng, điều thú vị chính là mức độ
chỉ một bộ phận thấp hơn

như cột sống và cơ thể,

đã gỡ rối một phần lớn trong
vấn đề vận động.

Có lẽ bạn sẽ biết qua thực tế
khi bạn chặt đầu một con gà,

nó vẫn còn chạy được một lúc

điều đó cho thấy phần thấp hơn
như cột sống và cơ thể

đã gỡ rối một phần lớn
vấn đề vận động

Bây giờ, rất khó để hiểu
nó diễn ra như thế nào

bởi vì trước hết,

sẽ rất là khó để ghi lại
các cử động trong cột sống

Cấy các điện cực vào vỏ não vận động
sẽ dễ dàng hơn

so với cấy vào cột sống,
bởi vì nó được bảo vệ bởi đốt sống

Đặc biệt, rất khó làm trên con người.

Phần khó khăn thứ hai,

chính là sự vận động,
do tính chất phức tạp của nó

và sự tương tác năng động
giữa 4 bộ phận này

Vì thế sẽ rất khó để tìm ra
vai trò của mỗi bộ phận này

Đây là nơi các robot sinh học như
Pleurobot và các mô hình toán học

có thể thật sự hữu ích

Vậy robot sinh học là gì?

Robot sinh học là một lĩnh vực mới
trong nghiên cứu robot

Nơi mọi người muốn
lấy cảm hứng từ các loại động vật

để chế tạo ra các robot
có thể đi lại ngoài trời

như các robot dịch vụ và
những robot tìm kiếm và cứu hộ

hoặc các robot trinh sát

Và mục tiêu lớn ở đây là
lấy cảm hứng từ những con vật

để làm ra các robot
có thể xử lí địa hình phức tạp

như cầu thang, đồi núi, rừng,

nhưng nơi mà robot vẫn còn những khó khăn

và nơi mà động vật
có thể làm tốt hơn.

Robot có thể là một
công cụ khoa học tuyệt vời

Robot có thể được dùng trong
một vài dự án

như là một công cụ khoa học

của ngành thần kinh học,

y sinh và thủy động lực học

Và đây chính là mục đích
sự ra đời pleurobot.

Vì vậy, chúng tôi đã

hợp tác với các nhà thần kinh học

như Jean-Marie Cabelguen,
nhà thần kinh học ở Bordeaux, Pháp,

chúng tôi muốn làm ra
những mẫu cột sống

và áp dụng chúng trên robot.

Chúng ta muốn khởi đầu đơn giản.

Vì vậy rất tốt để bắt đầu
ở các động vật đơn giản

như Cá mút đá,
một loài cá rất thô sơ

rồi dần tiến đến sự vận động
phức tạp hơn

như ở loài kì nhông

và thậm chí là mèo, con người

các loài động vật có vú.

Và ở đây, robot đã trở thành
một công cụ thú vị

để hợp thức hóa các
mô hình của chúng tôi.

Theo tôi, Pleurobot thực sự là một ước mơ
trở thành sự thật .

Giống như khoảng 20 năm trước,
lúc tôi đang làm việc trên máy tính,

mô phỏng vận động
của cá chình và kì nhông.

trong quá trình học lên tiến sĩ.

Nhưng tôi luôn biết
những mô phỏng của tôi chỉ xấp xỉ gần đúng

như mô phỏng vật lí trong nước,
hoặc với bùn đất, địa hình phức tạp,

rất khó để mô phỏng
chính xác trên máy tính

Sao không dùng robot thật
hay vật lý thật ?

Cho nên kì đà là loài yêu thích
của tôi trong các loài kể trên

Bạn có lẽ sẽ thắc mắc tại sao.
Bởi vì nó là một loài động vật lưỡng cư,

Từ phía quan điểm tiến hóa,
nó thật sự là một loài chủ chốt.

Nó tạo nên liên kết tuyệt vời
giữa bơi lội

Có thể thấy ở cá hoặc lươn,

và sự vận động trên bốn chân
ở các loài có vú như mèo và con người.

Thực tế, loài kì nhông hiện đại

rất gần với loài có xương sống
trên cạn đầu tiên

Nó gần như là một
hóa thạch sống

giúp ta tiếp cận với tổ tiên
chúng ta

cũng như tổ tiên các loài
động vật bốn chân trên mặt đất.

Loài kì nhông bơi

theo kiểu con lươn,

nó uốn lượn sóng, rất đẹp

bởi hoạt động của cơ từ đầu đến đuôi

Và nếu bạn đặt con kì nhông
trên mặt đất,

nó sẽ chuyển sang kiểu đi nước kiệu

Tạo ra sự kích hoạt
theo chu kì của các chi

được phối hợp rất nhịp nhàng

với sự gợn sóng sóng đứng của cơ thể.

và đây chính là dáng đi
bạn đang thấy ở Pleurobot.

Bây giờ, một điều thật sự đáng ngạc nhiên
và hấp dẫn chính là

sự thật tất cả sự gợn sóng trên
có thể tạo ra bởi cột sống và cơ thể.

Vậy, nếu bạn lấy
một con kì nhông không não

có vẻ không hay chút nào...

chặt đầu nó đi

Và kích điện cột sống của nó

ở một mức thấp sẽ
khiến nó có kiểu đi như là đi bộ vậy.

Kích điện thêm chút nữa,
bước đi sẽ tăng tốc lên.

Một lúc nào đó,
sẽ đạt đến ngưỡng

con vật này tự động
chuyển sang bơi.

Thật là kì diệu.

Chỉ thay đổi xu hướng chung,

như thể bạn đang ấn chân ga tăng tốc

sự chuyển tiếp
đi xuống cột sống của bạn

Tạo nên một sự chuyển đổi
hoàn toàn giữa hai kiểu đi khác nhau.

Thực tế, có thể thấy điều
tương tự này trên loài mèo.

Nếu bạn kích thích cột sống của mèo,

bạn có thể làm cho nó
đi bộ, nước kiệu hoặc phi.

Hoặc ở chim, bạn có thể
làm cho nó đi bộ,

ở mức kích thích thấp

và làm nó vỗ cánh được
ở mức cao hơn.

Điều này thật sự cho thấy cột sống

là một hệ thống điều khiển
vận động rất phức tạp

Chúng tôi nghiên cứu kĩ hơn
sự vận động loài kì nhông

Chúng tôi đã thật sự tiếp cận với
một máy x-quang rất đẹp

từ tiến sĩ Martin Fischer,
tại ĐH Jena, Đức.

Và nhờ đó, chúng tôi đã có
được một cỗ máy kinh ngạc

có thể ghi lại tất cả chuyển động
của xương rất chi tiết.

Đó là điều chúng tôi đã làm

Vậy cơ bản chúng tôi đã tìm được
loại xương quan trọng

và thu thập chuyển động của chúng
dưới dạng 3D.

Việc chúng tôi làm là
thu thập cả cơ dữ liệu những chuyển động

cả trên mặt đất và dưới nước

để có thể thật sự thu thập hết
cơ sở dữ liệu các chuyển động

của một con vật thật sự.

Công việc của những kĩ sư
chúng tôi là phỏng lại nó trên robot.

Chúng tôi đã hoàn thành

cả một quá trình tối ưu hóa
để tìm ra một kết cấu đúng

tìm ra nơi để gắn các động cơ vào,
cách để nối chúng với nhau,

để có thể làm lại các chuyển động này
giống nhất có thể.

Và đây là cách Pleurobot
được ra đời.

Vậy hãy xem nó giống với động vật thật
như thế nào.

Cái bạn đang thấy đây
là một sự so sánh trực tiếp

giữa cách đi bộ của một động vật thật
và pleurobot.

Bạn có thể thấy đoạn phát lại,
gần như khớp nhau

cách đi bô.

Đi lùi chậm về phía sau
bạn sẽ thấy rõ hơn.

Nhưng sẽ thậm chí tốt hơn,
nếu chúng tôi bơi được.

Như thế chúng tôi mới có
bồ độ lặn để mặc cho robot được.

(tiếng cười)

Sau đó, chúng tôi đi xuống nước
và bắt đầu làm lại các kiểu bơi.

Khi đó chúng tôi rất vui
vì khá khó để thực hiện điều này.

Sự tương tác vật lý phức tạp.

Robot chúng tôi lớn hơn
so với con vật nhỏ đó.

Vì thế chúng tôi phải làm
cái gọi là tỷ lệ năng động tần suất

để chắc chắn có được
sự tương tác vật lí tương tự.

Bạn thấy đó, cuối cùng
chúng tôi có sự rất tương xứng.

Và chúng tôi rât rất vui
với điều này.

Vậy, bây giờ chúng ta hãy
tiến đến cột sống.

Việc chúng tôi làm với
Jean-Marie Cabelguen

là bắt chước theo mẫu
các mạch điện cột sống.

Điều thú vị là loài kì nhông

giữ một mạch điện
rất nguyên thủy

giống với cái chúng tôi đã tìm thấy
ở cá chình,

ở loài cá nguyên thủy giống lươn này,

và nó giống
trong suốt sự tiến hóa,

Các nơ ron giao động
được gắn vào để điều khiển các chi,

thực hiện sự vận động chân.

Chúng tôi biết các nơ ron
này nằm ở đâu,

chúng tôi đã tạo ra
một mô hình toán học

để biết nên kết hợp
chúng như thế nào

nhằm tạo ra sự chuyển tiếp
giữa hai kiểu đi rất khác nhau.

Chúng tôi đã thử trên bo mạch của robot.

Và nó diễn ra như thế này đây.

Cái mà thấy ở đây là
một phiên bản cũ của Pleurobot

được hoàn toàn điều khiển bởi
mẫu cột sống của chúng tôi

được lập trình trên bo mạch
của robot.

Và việc duy nhất chung tôi làm

là gửi đến robot
qua bộ điều khiển từ xa

hai tín hiệu giảm dần
nó thường nên nhận được

từ phần trên của bộ não.

Điều thú vị là,
khi thay đổi các tín hiệu này

chúng tôi hoàn toàn có thể
điều khiển tốc độ, hướng và kiểu đi.

Vị dụ,

khi chúng tôi khích thích ở mức thấp,
chúng tôi có dáng đi bộ,

và một lúc nào đó,
nếu chúng tôi kích nhiều hơn

nó sẽ chuyển sang dáng bơi
rất nhanh.

Chúng tôi có thể làm cho nó
xoay tròn rất đẹp,

bằng cách kích thích một phía
của cột sống nhiều hơn phía còn lại.

Tôi nghĩ nó đẹp thật sự,

cách thiên nhiên đã phân phối
sự kiểm soát

để thật sự cho cột sống
nhiều trách nhiệm,

vì thế phần trên của bộ nào
không cần phải quan tâm gì đến mỗi cơ bắp.

Nó chỉ phải quan tâm đến
sự điều biến mức độ cao này.

Thật sự, đây là công việc của cột sống
để điều phối tất cả các cơ.

Bây giờ ta chuyển sang sự vận động
của mèo mà tầm quan trọng của y sinh.

Đây là một dự án khác,

nơi chúng tôi nghiên cứu
cơ chế sinh học của mèo.

Chúng tôi muốn biết hình thái học
giúp đỡ sự vận động nhiều như thế nào.

Và chúng tôi đã tìm ra ba tiêu chí
quan trọng trong những đặc điểm của chi.

Đặc điểm thứ nhất,

chi mèo gần giống với
kết cấu khung hình thoi

Cấu trúc khung truyền dẫn này
là một cấu trúc cơ học

giữ các phân mảnh cao hơn và thấp hơn
luôn luôn song song.

Vậy một hệ thống hình học khá đơn giản
điều phối một ít

sự chuyển động bên trong các
phân mảnh.

Một đặc điểm thứ hai là các chi mèo
rất nhẹ.

Hầu hết các cơ nằm ở phần thân,

đây là một ý tưởng tốt, bởi vì các chi mèo
có quán tính thấp

và có thể được di chuyển rất nhanh.

Đặc điểm quan trọng cuối cùng,
chi mèo có tính rất đàn hồi

nhằm để điều phối các tác động và lực.

Và đây là cách chúng tôi
thiết kế Cheetah-Cub

Vậy hãy mời Cheetah-Cub lên sân khấu nào.

Đây là Peter Heckert, người được cấp bằng
tiến sĩ nhờ tạo ra con robot này.

Bạn thấy đấy, đây là một robot nhỏ
dễ thương

Nhìn khá giống một món đồ chơi,

nhưng thật sự nó được sử dụng
như một công cụ khoa học,

để nghiên cứu các đặc điểm của chân mèo.

Bạn thấy, nó rất mềm mỏng, nhẹ,

và cũng rất đàn hồi,

vì thế bạn có thể đè nó xuống dễ dàng
mà không sợ làm gãy.

Thực tế, nó chỉ sẽ nhảy lên.

Và tính chất đàn hồi này cũng rất
quan trọng.

Bạn cũng thấy đặc điểm

của ba phân mảnh của chân như là
một khung hình thoi.

Điều thú vị ở đây chính là
dáng đi năng động này

hoàn toàn có được trong vòng lặp mở,

nghĩa là không có các cảm biến và
những vòng lặp phản hồi phức tạp.

Và nó thú vị, bởi nó có nghĩa rằng

các cơ chế đã làm ổn định dáng đi
khá nhanh chóng này.

Về cơ bản, các cơ chế thực sự tốt này
đã làm đơn giản hóa sự vận động.

Đến một mức chúng tôi có thể
thậm chí làm xáo trộn vận động một chút,

như bạn sẽ thấy ở đoạn video tới,

Ví dụ như đoạn mà chúng tôi đưa ra
một số bài tập cho robot đi xuống bật cấp,

và robot sẽ không bị ngã xuống,

điều này làm chúng tôi ngạc nhiên.

Đấy là một sự xáo trộn nhỏ.

Tôi nghĩ rằng con robot
sẽ ngã xuống lập tức,

vì không có bộ cảm biến,
và vòng lặp phản hồi nhanh.

Không, chỉ các cơ chế
đã giữ dáng đi ổn định,

và con robot không bị ngã xuống.

Rõ ràng là nếu bạn làm cho bước đi lớn
hơn và có chướng ngại vật,

bạn cần có các vòng lặp điều khiển
đầy đủ, các phản xạ và mọi thứ.

Nhưng điều quan trọng ở đây là
với một xáo trộn nhỏ,

các cơ chế vẫn chính xác.

Tôi nghĩ đây là một thông điệp
rất quan trọng,

từ các cơ chế sinh học và ngành
robot đến khoa thần kinh học,

thông điệp nói rằng, đừng đánh giá thấp
cơ thể đã giúp đỡ sự vận động đến mức nào.

Vậy nó liên quan đến sự vận động con người
như thế nào ?

Rõ ràng, sự vận động của con người là
phức tạp hơn so với mèo và kì nhông,

nhưng đồng thời, hệ thần kinh con người
lại rất tương tự

với các loài có xương sống khác.

Và đặc biệt là cột sống,

cũng là một bộ điều khiển vận động
chính ở con người.

Vì thế nếu có sự liên kết của xương sống,

sẽ tạo ra những ảnh hưởng lớn.

Con người này có thể trở thành liệt nửa
người hoặc tứ chi.

Bởi vì bộ não đã mất sự liên lạc
với cột sống.

Đặc biệt nó mất đi sự biến điệu xuống dần

nhằm bắt đầu và điều biến sự vận động.

Mục tiêu chính của neuroprosthetics

là có thể kích hoạt lại sự liên lạc đó

bằng cách kích thích điện hoặc
bằng hóa chất.

Có nhiều đội nghiên cứu trên thế giới
đã thật sự làm việc đó,

đặc biệt là ở Viện EPFL.

Đồng nghiệp của tôi, Grégoire Courtine
và Silvestro Micera,

những người mà tôi đã cùng hợp tác.

Nhưng để làm đúng việc này,
rất quan trọng để hiểu rõ

cách hoạt động của cột sống,

nó tương tác với cơ thể như thế nào,

và cách bộ não liên lạc với cột sống.

Đó là lý do tại sao các robot và mô hình
mà tôi thuyết trình

hị vọng sẽ đóng một vai trò chủ chốt

đối với những mục tiêu quan trọng này.

Cám ơn !

(vỗ tay)

Bruno Giussani: Auke, tôi thấy trong
phòng thí nghiệm cậu có các con robot khác

làm những thứ như là bơi trong sự
nơi ô nhiễm

và đo mức độ ô nhiễm khi bơi.

Nhưng với con này,

cậu đã đề cập trong cuộc nói chuyện,
như là một dự án phụ,

tìm kiếm và cứu hộ,

và nó có camera trên mũi.

Auke Ijspeert: Dĩ nhiên rồi.
Con robot này --

chúng tôi có một số dự án phụ

nơi mà chúng tôi muốn dùng robot
cho việc tìm kiếm, điều tra và cứu hộ.

Bây giờ, nó đang nhìn bạn đấy.

Và một ước mơ lớn là...
nếu bạn đang ở một tình huống khó khăn,

như ở trong một tòa nhà bị sụp đổ,
hay một tòa nhà bị lũ,

đây thật sự nguy hiểm đối với đội cứu hộ
và thậm chí là với chó cứu hộ,

vậy sao không gửi vào
robot có thể bò quanh, bơi và đi được ?

Với một camera onboard
cho việc kiểm tra

và phát hiện người sông sót

có thể tạo ra sự liên lạc
với người còn sống.

BG: Dĩ nhiên rồi, giả sử
người đó không sợ hình dáng này của nó

AI: Vâng, có lẽ chúng ta nên thay đổi
một chút diện mạo của nó.

Bởi vì tôi đoán rằng người này
sẽ chết vì đau tim mất,

chỉ sợ rằng thứ này sẽ ăn thịt bạn mất.

Nhưng bằng cách thay đổi diện mạo
và làm cho nó mạnh mẽ hơn,

chắc chắn nó sẽ trở thành
một công cụ tốt.

BG: Cám ơn các cậu nhiều lắm,
và cả đội cậu nữa.