两栖蝾螈机器人
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0:01 - 0:03这是一只蝾螈机器人
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0:03 - 0:07是一种我们根据蝾螈设计出的仿生机器人
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0:07 - 0:09我们把它称为蝾螈机器人
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0:09 - 0:11就想你看到的,它会爬行
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0:12 - 0:14一会儿你还会看到它游泳
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0:14 - 0:16你可能会问我们为什么设计这样一个机器人
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0:17 - 0:21其实,蝾螈机器人是一种用来研究神经科学的工具
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0:21 - 0:24我们和神经科学家一起设计出蝾螈机器人
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0:24 - 0:26希望能更好理解动物的运动原理
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0:26 - 0:29尤其是脊髓控制运动的机理
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0:30 - 0:31但是,我们对仿生机器人的研究越深入
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0:31 - 0:34就越被动物运动的复杂原理所震撼
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0:34 - 0:38试想一下在海里遨游的海豚、又跑又跳的小猫
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0:38 - 0:40甚至还有我们人类
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0:40 - 0:42在进行慢跑或者打网球的时候
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0:42 - 0:43我们的每一个动作都那么神奇
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0:44 - 0:48实际上,在运动时,神经系统的控制过程十分复杂
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0:48 - 0:51神经系统要协调200块左右的肌肉一起运作
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0:51 - 0:55一旦协调紊乱,我们就会摔跤或者肢体不协调
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0:56 - 0:58而我的目标就是要弄清楚这种协调机制的原理
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0:59 - 1:02动物的运动需要四个部分
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1:03 - 1:05首先就是肢体
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1:05 - 1:07生物力学对于动物肢体运动的简化
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1:07 - 1:10已经到了令人难以想象地步
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1:11 - 1:12第二个部分就是脊髓
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1:12 - 1:14脊髓中有很多反射神经
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1:14 - 1:18这些反射神经在脊髓中的神经活动和机械活动之间
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1:18 - 1:21建立了感觉协调环
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1:22 - 1:25第三个要素是中枢模式发生器
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1:25 - 1:29脊椎动物的脊髓中有一些有趣的电路
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1:29 - 1:31这些电路在接收简单的信号时
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1:31 - 1:33可以自发地产生非常协调的
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1:33 - 1:35节律运动模式
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1:36 - 1:37在我们运动的时候
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1:37 - 1:39大脑的高级中枢
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1:39 - 1:42例如运动皮层、小脑和基地神经节
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1:42 - 1:44进行下行调节并产生上述信号
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1:45 - 1:46并对脊髓中的活动起到调控作用
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1:46 - 1:50但是有趣的是,脊髓和肢体这类低级中枢
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1:50 - 1:52在完成运动过程中
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1:52 - 1:53到底扮演了何种角色
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1:54 - 1:56大家应该都知道,即使鸡的头被砍掉了
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1:56 - 1:58它也不会立即死亡
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1:58 - 2:00这个事实表明低级的脊髓和躯干
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2:01 - 2:03在完成运动过程中扮演了重要的角色
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2:03 - 2:06但是想要弄清楚它的工作原理还是很困难
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2:06 - 2:07因为,第一点就是
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2:07 - 2:10想要记录脊髓中的活动十分复杂
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2:10 - 2:13由于脊椎的保护作用,把电极植入到脊髓中
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2:13 - 2:15要比植入到运动皮层中难得多
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2:15 - 2:17对于人类来说更是难上加难
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2:18 - 2:21另外一个难题就是,运动基于这四个要素的相互作用
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2:21 - 2:24是一个复杂的动态过程
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2:24 - 2:28因此,很难区分各要素所发挥的作用
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2:29 - 2:33所以,像蝾螈机器人这样的仿生机器人和数学模型
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2:33 - 2:34就派上用场了
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2:35 - 2:37那么到底什么是仿生机器人学呢
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2:37 - 2:39这是机器人研究中一个热门的领域
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2:39 - 2:42人们试图从动物身上获取灵感
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2:42 - 2:44并运用到机器人身上,使它们可以运用于户外
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2:44 - 2:47例如服务用机器人、搜救机器人
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2:47 - 2:48以及农业机器人
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2:49 - 2:51现在最大的目标就是从动物身上获得灵感
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2:51 - 2:54使机器人能够应对一些复杂的地形
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2:54 - 2:55例如楼梯、山区、树林
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2:55 - 2:58这些地形对于机器人来说还是个挑战
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2:58 - 3:00它们并不能像动物那样灵活应对
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3:00 - 3:02机器人也是一项极好的科学研究工具
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3:02 - 3:05在一些优秀研究项目中得以应用
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3:05 - 3:09例如神经科学、仿生学和流体动力学
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3:09 - 3:11这也正是蝾螈机器人存在的意义
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3:12 - 3:15所以,我们在实验室里与神经生物学家合作
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3:15 - 3:18法国波尔多大学的神经生物学家
让·玛丽 卡贝肯就是其中之一 -
3:18 - 3:22我们制作出脊髓的模型并用机器人加以验证
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3:22 - 3:24我们希望先从简单的动物入手
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3:24 - 3:26例如七鳃鳗
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3:26 - 3:28这种原始的鱼类
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3:28 - 3:31然后慢慢过渡到运动更复杂的动物
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3:31 - 3:32例如蝾螈
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3:32 - 3:33然后还有猫、人类
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3:33 - 3:34等哺乳动物
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3:36 - 3:36这样一来
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3:36 - 3:39机器人成为一种验证模型的有趣工具
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3:40 - 3:43实际上,蝾螈机器人的出现使得我的梦想成真
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3:43 - 3:45因为,大约在20年前
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3:45 - 3:47我在读博士期间就通过计算机
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3:47 - 3:50模拟七鳃鳗和蝾螈的运动
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3:51 - 3:54但是,我一直很清楚我的模拟非常粗糙
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3:54 - 3:58因为在水中和在泥泞等地形复杂的陆地上的运动
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3:58 - 4:01很难在电脑上精确地模拟出来
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4:01 - 4:03那么为什么不用机器人真正地模拟这些动作呢
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4:04 - 4:07所以在众多的动物中,蝾螈成为我最喜欢的动物之一
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4:07 - 4:10你可能会问为什么,因为从进化的角度来看
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4:10 - 4:13蝾螈作为两栖动物,发挥着至关重要的作用
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4:13 - 4:15它在两种运动方式间建立起美妙的联系
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4:15 - 4:17一个是鳗和鱼类在水中的游泳方式
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4:17 - 4:21一个是猫、人类等哺乳动物在陆上的运动方式
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4:22 - 4:24事实上,现代的蝾螈
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4:24 - 4:26和最早出现的陆生脊椎动物十分相近
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4:26 - 4:28所以说,蝾螈就像是活化石一样
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4:28 - 4:30通过它,我们有机会了解我们的祖先
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4:30 - 4:33即四足动物的祖先
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4:33 - 4:35蝾螈以所谓的鳗形游泳的步态
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4:35 - 4:36在水中游动
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4:37 - 4:40因此肌肉活动产生的优美行波从头部传到尾部
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4:41 - 4:43如果把它放在地上
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4:43 - 4:45它的动作转变为快速爬行的步态
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4:46 - 4:49在这种情况下,蝾螈的四肢被定期地激活
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4:49 - 4:50十分协调地
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4:50 - 4:53随着身体驻波的起伏而运动
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4:53 - 4:57这就是蝾螈机器人行走的步态的原型
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4:57 - 5:00现在令人惊叹的是
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5:00 - 5:04所有这些活动仅靠脊髓和肢体就可以完成
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5:04 - 5:06如果拿一只去脑的蝾螈
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5:06 - 5:08虽然这听起来有些残忍,但是你把它的头部切除
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5:08 - 5:11如果以低强度的刺激电激它的脊髓
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5:11 - 5:14它会表现出类似爬行的步态
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5:14 - 5:17但如果你加大刺激的强度,步态就会发生变化
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5:17 - 5:18这里存在一个临界值,如果强度达到临界点
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5:18 - 5:21它会自己变成游泳的步态
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5:21 - 5:22这简直太神奇了
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5:22 - 5:24仅仅改变了刺激的强度
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5:24 - 5:25就像是踩下了
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5:25 - 5:27下行调节脊髓的油门一样
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5:27 - 5:31实现了两种完全不同的步态之间的转变
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5:32 - 5:35而且我们在猫身上发现了同样的规律
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5:35 - 5:37刺激猫的脊髓
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5:37 - 5:39就可以使它在行走、慢跑和快跑之间进行转换
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5:39 - 5:42还可以实现鸟从行走到拍动翅膀之间的转换
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5:42 - 5:44相应地,需要从低强度的刺激
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5:44 - 5:46转变为高强度的刺激
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5:46 - 5:48这恰好证明了
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5:48 - 5:50脊髓是一处智能的运动控制中心
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5:51 - 5:53因此我们对于蝾螈的运动展开更仔细的研究
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5:53 - 5:56我们从德国耶拿大学的马丁·费希尔教授的手中
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5:56 - 6:00得到了一台非常精妙的X射线成像仪
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6:00 - 6:01多亏了这台精妙的仪器
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6:01 - 6:05我们可以记录更多关于骨骼运动的细节
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6:05 - 6:06这就是我们得到的成像
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6:06 - 6:10然后我们大致选出关键的骨骼
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6:10 - 6:13并且搜集他们三维运动数据
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6:13 - 6:15我们所做的就是搜集运动过程的全数据
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6:15 - 6:17既有在陆地爬行的,也有在水中游行的
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6:17 - 6:19真的是动物
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6:19 - 6:21在运动过程中的全部数据
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6:21 - 6:24然后我们这些机器人学家的任务就是
把数据复制到机器人身上 -
6:24 - 6:27因此我们为了找到正确的结构,进行了全套的优化方案
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6:27 - 6:30例如在哪里放置这些运动,如何让它们连贯起来
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6:30 - 6:33才能尽可能地重现这些动作
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6:34 - 6:36这就是蝾螈机器人诞生的过程
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6:37 - 6:40接下来我们就来欣赏一下
它和活生生的动物多么相似吧 -
6:41 - 6:43你现在看到的就是非常直观的对比
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6:43 - 6:46一个是活生生的动物,一个是蝾螈机器人
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6:46 - 6:49你可以看到我们几乎实现了两者在步态上
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6:49 - 6:50一对一的重现
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6:50 - 6:53如果进行慢速回放,你会看得更清楚
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6:55 - 6:58但是更神奇的是,我们成功重现了游行
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6:58 - 7:01但我们必须给机器人穿上外套
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7:01 - 7:02(笑声)
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7:02 - 7:05然后就可以入水重现游行的步态
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7:05 - 7:09看到这里我们很是欣慰,因为这个过程真得很艰辛
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7:09 - 7:11物理交互作用十分复杂
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7:11 - 7:13因为蝾螈机器人比真正的蝾螈大得多
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7:13 - 7:16所以我们必须进行所谓的动态频率缩放
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7:16 - 7:19确保蝾螈机器人能实现一样的物理协调
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7:19 - 7:21但是你看,最后两者已经十分相近
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7:21 - 7:23对此我们非常高兴
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7:23 - 7:26让我们再回到脊髓的研究
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7:26 - 7:28我们和Jean-Marie Cabelguen教授所做的工作就是
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7:28 - 7:30模拟脊髓中的电路
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7:31 - 7:33但是非常有趣的是,我们发现蝾螈
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7:33 - 7:35始终保持一种非常原始的电路
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7:35 - 7:37这和我们在七鳃鳗身上发现的很相似
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7:37 - 7:39就是那个原始的鳗形鱼类
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7:39 - 7:41似乎在进化过程中
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7:41 - 7:44产生了一种新的神经振荡器来控制肢干
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7:44 - 7:46并完成腿部的运动
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7:46 - 7:48现在我们知道了这些神经振荡器的位置
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7:48 - 7:50但是我们还需要建立数学模型
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7:50 - 7:52来研究它们是如何连接起来
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7:52 - 7:55实现两种完全不同的步态的转换
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7:55 - 7:57我们在机器人的背部进行测试
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7:58 - 7:59就像这个样子
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8:07 - 8:10你现在看到的就是蝾螈机器人的原始版本
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8:10 - 8:13它完全由背部的脊髓模型
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8:13 - 8:15进行控制
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8:15 - 8:16然后我们只需要
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8:17 - 8:19通过远程控制,向机器人发送
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8:19 - 8:21它在正常情况下从大脑高级部位接受的到的
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8:21 - 8:23两种下行调节信号
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8:23 - 8:25有趣的是,通过这些信号
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8:25 - 8:29我们可以完全控制步态的速度,方向和类型
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8:30 - 8:31举例来说
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8:31 - 8:34当我们的刺激强度较低时,表现为行走的步态
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8:34 - 8:37当我们加大刺激的强度到某个极限
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8:37 - 8:39它迅速转换成游行的步态
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8:39 - 8:42最后,我们也可以很轻松地再变回来
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8:42 - 8:45只需要刺激脊髓的另一端
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8:46 - 8:48我觉得这真的很美妙
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8:48 - 8:50大自然竟然赋予了脊髓
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8:50 - 8:53这么重大的责任
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8:53 - 8:57以至于脑部高级中枢部分根本不需要担心每一块肌肉
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8:57 - 8:59它只需要进行高层调节
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8:59 - 9:03而协调所有的肌肉就是脊髓的任务了
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9:03 - 9:06我们再回到猫的运动,进一步认识仿生学的的重要性
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9:07 - 9:08这就是另一个项目了
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9:08 - 9:11我们对猫进行了仿生学研究
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9:11 - 9:14想弄清楚形态学对于肢体动作的影响
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9:15 - 9:16我们发现,从根本上讲
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9:16 - 9:19躯干具有三个重要的属性
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9:20 - 9:22首先就是猫的四肢,
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9:22 - 9:25或多或少地类似于受电弓的结构
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9:25 - 9:27受电弓是一种机械结构
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9:27 - 9:31它使得上框架和下框架始终保持平行
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9:32 - 9:35如此简单的几何学系统
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9:35 - 9:37竟能协调上下框架的内部移动
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9:37 - 9:40猫的四肢的第二个属性就是轻盈性
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9:40 - 9:41大部分的肌肉都集中在身体
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9:42 - 9:44这真是个好点子,这样一来四肢的惯性就很小
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9:44 - 9:46猫就可以灵活地运动
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9:46 - 9:50最后一个重要的属性是四肢的弹性
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9:50 - 9:53可以应对各种冲击和压力
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9:53 - 9:55我们就是根据这些属性设计出猎豹机器人
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9:55 - 9:57接下来有请猎豹机器人登场
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10:02 - 10:06这是由彼得埃克特在博士期间研制的机器人
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10:06 - 10:08你可以看到,它是一个非常可爱的小型机器人
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10:08 - 10:09看起来就像玩具一样
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10:09 - 10:11但它的的确确是一项科研工具
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10:11 - 10:15用来研究猫的四肢的属性
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10:15 - 10:17你看,它的四肢十分协调、轻盈
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10:17 - 10:18并且富有弹性
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10:19 - 10:21你可以轻而易举地把它压下去,但它一点事都没有
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10:21 - 10:23实际上,它只会跳起来
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10:23 - 10:26所以说四肢的弹跳性非常重要
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10:27 - 10:29你也可以把四肢的三个节段
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10:29 - 10:31看作一个受电弓
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10:32 - 10:35现在,有趣的是这个动态的装置
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10:35 - 10:37实现了完全的开环回路
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10:37 - 10:40也就是说没有传感器,也没有复杂的反馈回路
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10:40 - 10:43这真的很有趣,因为这意味着
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10:43 - 10:47仅仅靠机器就可以维持这个敏捷的装置的平衡
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10:47 - 10:51并且这个精巧的机器对运动进行了基本的简化
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10:51 - 10:54在某种程度上,我们甚至可以在运动过程中制造一些障碍
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10:54 - 10:56在接下来的视频是你会看到
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10:56 - 11:00例如我们做一些实验让机器人下台阶
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11:00 - 11:01机器人并不会摔倒
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11:01 - 11:03这确实出乎我们的意料
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11:03 - 11:04对于这个细微的干扰
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11:04 - 11:07我预期机器人会立刻摔倒
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11:07 - 11:09因为它没有传感器,也没有快速反馈回路
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11:09 - 11:12但是出乎我们的意料,仅仅靠这个机器维持了装着的平衡
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11:12 - 11:13机器人并没有摔倒
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11:13 - 11:16显然,如果增大跨度,再设置一些障碍
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11:16 - 11:20就需要全控制回路和反射弧等一系列东西
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11:20 - 11:23但是眼下最重要的是,对于一些细微的干扰
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11:23 - 11:24仅仅靠机器就可以完成
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11:24 - 11:27我想这对仿生学家、机器人学家和神经学家来说
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11:27 - 11:29是一个非常重要的信息,那就是:
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11:29 - 11:33不要低估躯干对于运动所发挥的作用
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11:35 - 11:38那么这是如何联系到人类的运动上的呢
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11:38 - 11:42显然,人类的运动比猫和蝾螈的运动更为复杂
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11:42 - 11:45但是另一方面,人类的神经系统
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11:45 - 11:47和其他脊椎动物的十分相似
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11:47 - 11:48尤其是脊髓
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11:48 - 11:51它同样是人类运动的重要处理中心
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11:52 - 11:54这就是为什么一旦脊髓受损
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11:54 - 11:56将会导致严重的后果
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11:56 - 11:58例如瘫痪或者四肢麻痹
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11:59 - 12:00这是由于大脑与脊髓
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12:00 - 12:02之间的信息传递受损
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12:02 - 12:04尤其是用于引发和调节运动的
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12:04 - 12:06下行调节机制
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12:08 - 12:09所以神经学家的一大目标
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12:09 - 12:12就是通过电刺激或者化学刺激
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12:12 - 12:14激活两者之间的信息传递
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12:15 - 12:18世界上有些团队就在研究这一领域
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12:18 - 12:19在洛桑联邦理工学院更是如此
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12:19 - 12:22例如我的同事格雷瓜尔·库尔蒂纳
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12:22 - 12:23还有西尔维斯特·米切拉
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12:24 - 12:27但是为了做好这一点,理解以下几点非常重要
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12:27 - 12:29脊髓是如何工作的
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12:29 - 12:31它是如何与躯干相互作用的
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12:31 - 12:33以及大脑是如何与脊髓进行信息传递的
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12:34 - 12:37我今天所呈现的机器人和模型
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12:37 - 12:39就将针对上述重要问题
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12:39 - 12:41发挥关键的作用
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12:41 - 12:43感谢大家
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12:43 - 12:47(掌声)
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12:52 - 12:55布鲁诺·朱萨尼:奥克,我在你的实验室
看到一些其他的机器人 -
12:55 - 12:57例如在污水中游泳
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12:57 - 13:00并检测污染程度的机器人
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13:00 - 13:01但是你在演讲中提到的蝾螈机器人
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13:01 - 13:04它更像是一个小项目
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13:06 - 13:07它的鼻子上有一个照相机
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13:07 - 13:09可以进行搜救工作
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13:09 - 13:12奥克:确实是这样,关于机器人
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13:12 - 13:13我们有很多派生项目
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13:13 - 13:16我们希望用这些机器人进行搜救和视察工作
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13:17 - 13:18所以蝾螈机器人诞生了
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13:18 - 13:21我们设想的是,如果有人陷入困境
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13:21 - 13:25例如建筑坍塌或者遭遇洪水
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13:25 - 13:28这对救援团队和搜救犬来说都是危险的
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13:28 - 13:31那么为什么不派一个个既会爬行
又会游行的机器人呢 -
13:31 - 13:34它的背部还装有照相机,可以用来
进行侦查、识别幸存者 -
13:34 - 13:37甚至可能实现与幸存者的联系
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13:37 - 13:41布鲁诺:当然,前提是幸存者没有被机器人的样子吓到
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13:41 - 13:44奥克:是的,我们将对机器人的外形进行改善
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13:44 - 13:47否则,我猜幸存者可能会被吓出心脏病
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13:47 - 13:50害怕机器人会吃了他们
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13:50 - 13:52但是我相信,通过改变它的外形,让它更强健一些
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13:52 - 13:54它将会发挥很重要的作用
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13:54 - 13:57布鲁诺:非常感谢你和你的团队
- Title:
- 两栖蝾螈机器人
- Speaker:
- 奥克·利斯皮耶
- Description:
-
机器人学家奥克·利斯皮耶根据动物的机器模型设计出仿生机器人,就像科幻小说描写的那样,这是一种可以应对复杂地形的机器人。在研究过程中,科学家们还设计可以用于野外、服务和搜救工作的机器人。但是这些机器人不仅仅是对现实世界的单纯模拟,通过它们,我们可以进一步地理解生物学,解开之前关于脊髓的未解之谜。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 14:10
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Jiawei Ni edited Chinese, Simplified subtitles for A robot that runs and swims like a salamander | ||
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Sameul George edited Chinese, Simplified subtitles for A robot that runs and swims like a salamander | ||
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Sameul George edited Chinese, Simplified subtitles for A robot that runs and swims like a salamander |