روبرت فول: سخني درباره نحوه حركت جانوران
متن سخنرانی :
تصور کنید هر یک از شما یک دانشجو در آزمایشگاه من هستید. کاری که من از شما میخواهم انجام بدهيد این است که با الهام از بیولوژی يك طرح ایجاد کنيد. بنابراین چالش ما این است: من از شما می خواهم كه به من در ساختن یک مدل تماسي پارامتري پويا و كاملا سه بعدی کمک کنید. این بدان معنی است که آیا می توانید کمک کنید تا یک پا بسازم؟ و این یک چالش واقعی است و من از شما می خواهم که کمکم کنید. والبته این چالش یک جایزه دارد. این جایزه کاملا شبیه جایزه ی ted نیست اما یک تی-شرت منحصر به فرد آزمایشگاه ماست. بنابراین خواهش می کنم ایده های خودتون را درباره ی طراحی یک پا برای من بفرستید.حال اگرما بخواهیم یک پا طراحی کنیم ، چه باید بکنیم؟ در ابتدا ما باید بدانیم که پا چیست؟ اگر ما به فرهنگ لغات مراجعه کنیم خواهد گفت "پا قسمت پایینی ساق است که درحال ایستادن و راه رفتن در تماس مستقیم با زمین است" این معنای متعارف است. اما اگر شما واقعا بخواهید یک تحقیق انجام دهید، چه کار باید بکنید؟ شما باید به نوشتارهاي مربوط مراجعه كرده و ببینید چه چیزهایی راجع به پا شناخته شده است. بنابراين شما دنبال نوشتارها میروید. (خنده حضار)
ممکنه شما با این نوشتار آشنا باشید. مشکل اینجاست که پاهای خیلی خیلی زیادی وجود دارند. چطور از عهدهاش بر می آیید؟ لازم است كه همهی پاها را بررسي کنید و اصول چگونگی کار آنها را به دست بياوريد. و من از شما می خواهم که به من کمک کنید در کلیپ بعدی این کار را انجام بدهم. همان طور که کلیپ را می بینید دنبال اصول اساسی بگردید و همچنین درباره ی آزمایش هایی که شما ممکنه طراحی کنید تا بفهمید که یک پا چگونه کار میکند فكر كنيد.
الگوهای مشترکی می بینید؟ اصول اساسي؟ چه کار خواهید کرد؟ چه آزمایشی را اجرا خواهید کرد؟ وای (تشویق حضار) تحقیق ما درمورد بایومکانیک حرکت حيوانات به ما این امكان را داده است كه یک طرح اوليه برای پا درست کنیم. این طرحي بر گرفته از طبیعت است، اما یک کپی از يك پای خاص که به آن نگاه کردید نیست، اين ترکیبي از راز های پاهای بسياري است.
اکنون معلوم شده است که حیوانات می توانند به هر جا بروند. آنها می توانند روی سطح هایی حرکت کنند -همانطور که دیدید- که از نظر احتمال تماس، حرکت آن سطح، و نوع مكاني كه زير پا قرار ميگيرد متغیر هستند. اگر شما می خواهید مطالعه کنید که یک پا چگونه کار می کند، ما ميخواهيم آن سطوح يا خار و خاشاكها را شبیه سازی کنیم. زمانی که ما آن را انجام دادیم، در اینجا آزمایش جدیدي كه انجام داديم هست: ما يك جانور را روي سطحي گذاشتيم و مجبورش كرديم بدود --این عنکبوت علفزار را-- روی سطحی که 99 درصد سطح تماسي آن حذف شده بود. اما حتی این هم جانور را کند نکرد. آن همچنان با سرعتی معادل سرعت يك انسان يعني 300 مایل بر ساعت میدود.
حال ببينيم او چگونه می تواند اين کار را بکند؟ خوب - با دقت بیشتری نگاه کنید. وقتی ما تصویر را 50 برابر آهسته می کنیم می بینیم چگونه ساق پا با ناهمواریهای شبیهسازی شده برخورد می کند. ساق پا مثل یک پا عمل می کند. و در حقیقت آن جانور قسمت های دیگر ساق پا را خیلی بیشتر از آنچه كه در تعریف مرسوم سنتی پا آمده است با سطح مماس ميكند. پس كار كف پا در تمام طول پا( شامل: ساق پا و ران) تقسيم ميشود. می توانید یک آزمایش دیگر انجام دهید با یک سوسک که پا دارد، و می توانید یک پایش را قطع کنید. من چند سوسک به شما می دهم. یک نگاه به پاهایشان بندازید. بدون پا بودن. چي ميشود؟ سرعتشون حتی کم هم نمی شود. او می تواند حتی بدون آن قسمت هم با همان سرعت قبلی بدود. نگران نباشيد، مشکلی برای سوسک پيش نمياد - پاي آنها دوباره رشد ميكند. آنها چگونه این کار (دویدن با همان سرعت) را انجام می دهند؟ بدقت نگاه کنید : این تصویر 100 برابر آهستهتر شده است، و نگاه کنید که با باقی ساق پایش چه کار می کند. از باقي پايش مثل یک پا استفاده میکند. خیلی كارآمد است.
اکنون سوالی که مطرح ميشود این است كه، این كار پا كه به عهده ساير قسمتهاي پا قرار ميگيرد چقدر عمومیت دارد (بین حیوانات و جانوران)؟ و رفتار بعدی این جانور که به شما نشان خواهم داد و اولین باری که ما آن را ديديم خيلي حیرت زده شديم. خبرنگاران، این خارج از اطلاع رسانی است این یک محدودیت رسمی است-- یک نگاه بیندازید که این چی هست! این یک اختاپوس دو پاست که خود را به شکل يك نارگیل غلطان درآورده است. این بوسیله ی "کریستینا هافورد" کشف شده است و بوسیله ی "سی استدیو" فیلم برداری شده ، همین جا در "مونتری".
ما همچنین یک نوع دیگری از اختاپوس های دو پا را شرح دادهايم. این یکی خودش را بشکل جلبك شناور در میآورد. او روی دو پایش راه میرود و بازوهای دیگرش را بالا در هوا نگه میدارد که دیده نشود. (تشویق حضار) و نگاه کنید که اون با پايش چکار می کند تا روي زمين ناهموار بايستد. او از كل طول پا به زیبایی استفاده می کند بهگونهاي که انگار آن موانع اصلا آن جا نیستند. به واقع شگفت انگیز است.
در سال 1951 "اسچر" این نقاشی را کشیده است. او تصور کرده که یک حیوان خیالی نقاشي کرده است. اما ما می دانیم که هنر از زندگی الهام می گیرد. این نشان می دهد که طبیعت سه میلیون سال پیش حیوان بعدی را پرورش داده است. این جانوري شبیه میگو است که "استاموتوپاد" نامیده می شود، و این چگونگی حرکت آن در سواحل پاناماست: این جانور عملا غلت می زند و می تواند به بالاي تپه غل بخورد. این نهایت استفاده از كل پا است، در مورد اين جانور كل بدن مانند پاي اون عمل میکند.
خوب اگر ما بخواهیم كه نخستين ويژگي مهم را به طرح اولیه خود اضافه كنيم، ما بايد استفاده از تماس كل پا را اضافه کنيم. نه تنها پا به معنای متعارف آن، بلکه کل پا(ساق و ران)، و حتی بدن نيز. آیا این می تواند الهامبخش ما در طراحي رباتهای جدید باشد؟ ما به صورت بیولوژیکی این ربات را به نام RHex الهام گرفتهايم، اين ربات بوسیلهی این مهندسان فوقالعاده در طي چند سال گذشته ساخته شده است. پای RHex ابتدا خیلی ساده بود، و در طول زمان تنظیم شده و نهایتا بشکل این نصفه دایره در آمد. چرا اینجوریست؟ این ویدیو نشان خواهد داد. نگاه کنید که ربات اکنون کجاي پايش را با سطح تماس ميدهد تا بتواند با این سطح ناهموار كنار بيايد. چیزی که شما مشاهده خواهید کرد در واقع، همان استفاده از پاي نیمدایرهاي به عنوان كل پا است. نگاه کنید چگونه از روی این رد می شود. شما به خوبی می توانید آن را روی این قلوه سنگ ها ببینید. شگفت انگیزه.هیچ حس گری نیست، همهی کنترل در داخل پاها تنظیم شده است. واقعا ساده اما زیبا است.
اکنون شما ممكنه به چیز دیگری راجع به این حیوانات وقتی كه آنها روی سطوح سخت می دويدند توجه كرده باشيد. و دستیار من در این جا به من کمک میکند. وقتی شما پا های سوسک را لمس می کنید -- میتوانی میکروفن را برای او بگیری؟ وقتی پا های سوسک را لمس کردید چه طور بودند؟ آیا متوجه چيزي شدید؟
"پسر": خاردار بودند.
رابرت فول: اون خاردار است درسته؟ اون خیلی خار دارد، مگه نه؟ یه جورایی آزاردهنده است. شاید ما اونو بدیم به نگهبانمان و ببینیم که آیا اون به اندازه کافی شجاع هست که به سوسک دست بزند. (خنده حضار)
کریس اندرسون: اونو لمس کردی؟
"رابرت فول": بنابر این اگر با به این دقت نگاه کنید، چیزی که می بینید این است که آن ها خار دارند و تا چند هفته ی قبل هیچ کس نمی دانست که آن خارها براي چه هستند. آن ها به عنوان محافظ و ساختمان انتقال حواس شناخته می شدند. ما پي برديم که آن ها برای چیز دیگری هستند - این جا قسمتی از آن خار است. آنها طوري تنظيم شدهاند که به راحتی در یک جهت قرار ميگيرند تا ساق پارا از قلوه سنگ ها بیرون بکشند، اما آن ها در جهت دیگر سخت هستند بنابر این از ناهمواریهای سطح استفاده می کنند.
اکنون ، خرچنگها جا پاها را از دست نمی دهند به این علت که آنها به صورت عادی روی ماسه حرکت می کنند تا این که به آزمایشگاه ما آمدند جایی که آن ها با این گونه شبکه مشکل دارند، زیرا پاي آنها خار ندارد. خرچنگها خارهای پاهایشان را از دست داده اند بنابراین آن ها با سطح های سختی مثل این مشکل دارند. اما البته ما می توانیم آن را حل کنیم، زیرا که ما می توانیم خارهای مصنوعی تولید کنیم. ما می توانیم خارهایی درست کنیم که روی قلوه سنگ های شبیه سازی شده مانور کند و محو بشوند برای این که راحت بشود آنها را بیرون آورد. ما این کار را با قرار دادن این خارهای مصنوعی در خرچنگ ها انجام دادیم، همانطور که شما این جا می بینید و ما آن ها را امتحان کردیم. آیا ما واقعا معیارهای اساسی تنظیم را می فهمیم؟ جواب بله است این (ویدیو) 20 بار آهسته تر شده و خرچنگ درست روی حرکت از روی شبکه تمرکز کرده (خنده)(تشویق) یه کمي بهتر از طبیعت.
خوب براي طرحمان احتیاج داریم که یک خارهای تنظیم شده اضافه کنیم. اکنون آیا این به ما کمک خواهد کرد كه به طراحي رباتهای بالارونده كارآمدتر فکر کنیم؟ خوب rhex این جاست-- rhex در روی ریل ها مشکل دارد -- روی ریل های نرم همان طور که اینجا می بینید بنابراین چرا خار اضا فه نکنیم؟ زیر دوستان من این کار را در دانشگاه پنسیلوانیا انجام دادهاند. "دان کودیتسچک" چند میخ فولادی--خیلی ساده--روی ربات قرار داد و اکنون rhex اینجاست اکنون به روی آن فولادها و ريلها می رود --بدون هیچ مشکلی! چگونه این کار را انجام میدهد؟ بیایید سرعت آن را کم کنیم و می توانید خارها را در حین کار ببینید. نگاه کنید ساق پاها می آیند و خواهید دید که درست همین جا را میگیرد. او قادر نبود که قبلا آن را انجام دهد ،او لیز می خورد و گیر می کرد و کج می شد. و نگاه کنید دوباره درست همین جا --موفق بود.
اکنون ما این را فقط به دلیل توزیع کردن پا و خارها داریم به این معنی نیست که ما می توانیم از سطوح عمودی بالا برویم. این خیلی خیلی سخت است. اما به این حیوان نگاه کنید که انجامش می دهد! یکی از آن ها که من دست به دست می دهم در حال بالا رفتن از یک سطح عمودی که یک فلز صاف است ميباشد. این خیلی فوق العاده است که چه قدر سریع می تواند آن را انجام دهد. اما اگر آن را آهسته کنید شما چیز خیلی فوق العاده ای می بینید. این یک راز است حیوانات به طور موثری بالا می روند باخزيدن و نگاه کردن-- و انجام دادن ترسناك آن و در واقع با توجه به چسبيدن به سطح. در واقع مانند شنا کردن به بالای سطح به نظر می رسد. همانطور که می بینید ما در واقع آن رفتار را مثل یک سیال بهتر ميتوانيم مدل سازی کنیم. این توزیع پا در واقع بیشتر مانند یک پارو عمل می کند.
همین درست است وقتی که نگاه می کنیم به این مارمولک که در حال حرکت روی ماسه روان است. به پاهایش نگاه کنید. در واقع به عنوان پارو عمل می کنند اگرچه آن با سطحی در تماس هست که ما عموما آن را جامد ميدانيم. این با چیزی که دانشجوى دوره ليسانس قبلی من کشف کرده بود فرق چندانی ندارد وقتی او دریافت که چگونه مارمولک ها می توانند روی آب بدوند. آیا شما می توانید از این استفاده کنید تا یک ربات بهتر بسازید؟ "مارتین بویهلر"--که الان در "بوستون-دینامیک" است-- اينكارو كرده است-- او این ایده را گرفت و rhex را به Aqua RHex تبدیل کرد. در نتیجه اینجا rhex با پاروها است و اکنون به یک ربات شناگر با قابلیت مانور بسیار بالا تبدیل شده است.
وهمچنین برای سطح های سخت حیوانات چنگک ها را اضافه ميكنند. و احتمالا آن ها را احساس می کنید اگر آن را بگیرید. آیا لمسش کردید؟
CA: بله
RF : و آن ها در گرفتن سطح ها با چنگک هایشان خیلی خوب هستند. "مارک کاتکوسکی" در دانشگاه استنفورد یکی از همکاران من که یک مهندس فوق العاده است کسی که این تکنیکی را توسعه داد که "ساخت رسوبگيري شكل نامیده می شود، كه در آن او چنگک ها را درست به یک پای مصنوعی ميافزاید. و در اینجا یک نسخه ساده از یک پا برای ربات جدید است که در چند لحظه نشون می دهم. بنابر این برای طرح مان بیایید چنگک ها را اضافه کنیم. اکنون اگر شما به حیوانات نیز نگاه کنید به صورتی که در همه ی سطح ها روان باشند، حیوانات از مکانیسم پیوندی استفاده می کنند که شامل چنگک ها و خارها و موها و پدها (چنبرهای نرم) و چسب ها و چسبندگی های ظریف و کلی از چیز های دیگر ميشود. اینها همه از حشرات متفاوتی هستند. این جا یک مورچه است که از یک سطح عمودی بالا می رود. بیایید یک نگاه به آن مورچه کنید.
این پای یک مورچه است شما موها و چنگکها و این چیز هارا اینجا می بینید. این حالتی است که پایش در هوا است. نگاه کنید که چه اتفاقی میافتد وقتی پا وارد ساندویج شما می شود. می بینید چه اتفاقی می افتد؟ پد (چنبره) بیرون می آید و اینجایی است که چسب هست. اینجا پای یک مورچه از زیر است، و وقتی چنگک ها فرو نمی روند آن pad بیرون می آید بدون این که مورچه کاری انجام دهد. آن فقط بیرون می آید. و گرفتن این تصویر سخت بود-- من فکر می کنم این تصویری از پای یک مورچه روی يك رشته باشد. خوب اين كار سخت است. و این است که چگونه از نزدیک به نظر می رسد این جا پای مورچه است و این جا چسب است.
و ما دریافتیم که این چسب ممکن است یک ترکیب دو مرحله ای جالب باشد. اما به طور قطع کمک می کند تا او خود را نگه دارد. بنابر این در طرح مان چند پد چسبنده هم می چسبانیم. شما ممکن است به سطح های نرمی که ما از آنها الهام گرفته ایم فکر کنید. اکنون ما چیز بهتری این جا داریم. مارمولک خانگى یک مثال خوب نانوتکنولوژی در طبیعت است. این ها پاهایش هستند. آن ها خیلی شبیه فضایی ها هستند. و این راز که آنها با اين پاها ميچسبند، شامل انگشتان پشمالويشان هم ميشود. آن ها می توانند یک صفحه را با سرعت یک متر بر ثانیه به بالا بدوند، ومی توانند 30 قدم در آن یک ثانیه بر دارند شما به سختی می توانید آن ها را ببینید. اگر ما آن را آهسته کنیم آن ها پاهایشان را در یک هزارم ثانیه تماس می دهند، و آن ها را در 16هزارم ثانیه جدا می کنند. و هنگامی که تماشا میکنید که چگونه آن را جدا می کنند باور نکردنی است. آن ها از سطح می کنند مانند اینکه شما یک تیکه نوار چسب را می کنید. خیلی عجیبه! چگونه این کار را انجام می دهند؟
اگر به پاهایشان نگاه کنید آن ها یک عضو برگ مانند دارند که "لینالا" نامیده می شود كه میلیونها مو دارد. و هر مو بيشترين تعداد شاخهشاخه شدن در انتها را دارا است. آن شامل صد تا هزار انتهای بخشی است. و رازاین است زیرا آن تماس نزدیک را ممكن میكند. مارمولک خانگى دارای یک بیلیون از انتهاهای شاخه شاخه شده با اندازه 200 نانومتر است. آن ها با چسب نمی چسبند یا مثل ولکرو کار نمی کنند یا مثل مکش هم کار نمی کنند. ما در یافتیم که آن ها فقط با نیروی بین مولکولی کار می کنند. بنا بر این در طرحمان ما چند مو قرار دادیم. و با این طرح اولین چسب خشک خود تمیزكننده را بدست آوردیم. و آن را به ثبت رسانديم، خوشحالیم که اينو بگیم. و اینجا ساده ترین ورژن در طبیعت است، و اینجا همکار من "ران فیرینگ" که کار می کند روی نسخه مصنوعی این چسب خشک که از "پلی رتان" درست شده است. و اینجا اولین تلاش برای به کارگیری آن است.
نفع زیادی برای استفاده از این چسب در زمینه های مختلف وجود دارد. من مطمئن هستم که شما می توانید به هزاران استفاده ی ممکن فکر کنید. خیلی از مردم چنین فکری داشته اند، و ما خیلی خوشحالیم که این را به عنوان یک محصول بشناسیم. ما به این محصولات فکر کردیم برای مثال این یکی از آن هاست: ما به چسب-زخم هایی با الهام از بیولوژی فکر کردیم. ما تعدادی مو از پوست یک مارمولک خانگى گرفتیم؛ سه دسته از آن ها را اینجا قرار دادیم و این چسب-زخم ها را درست کردیم.
این کار داوطلبانه ی یک دانشجوى دوره ليسانس است-- ما 30000 دانشجوى دوره ليسانس داریم بنابر این می توانیم از بین آن ها انتخاب کنیم-- و در واقع به يك اشاره قلم بند است. اما یک چسب-زخم فوق العاده درست کرده است. آن هوا دهی شده است ،و به راحتی می تواند کنده شود، و هیچ رنجی ایجاد نمی کند و زیر آب هم کار می کند. من فکر می کنم این یک مثال شگفت آور از اين است كه يك تحقیق بر پایهی کنجکاوی چگونه است-- و ما در تعجبیم که آنها چگونه ایدهای را پرورش می دهند-- که می تواند به چیز هایی که تصورش را هرگز نمی کنید برسد. و این فقط یک مثال از این است که چرا ما احتیاج داریم از تحقیقات بر پایه ی کنجکاوی حمایت کنیم. بفرمایید ، موفقیت چسب-زخم.
بنابر این دوباره تعریف می کنیم که پا چی هست. سوال این است که آیا ما می توانیم از این راز ها استفاده کنیم تا طرح بهتری از یک پا بدست بیاوریم ،بهتر از آنچه در طبیعت دیدیم؟ در اينجا يك پروژه جديد است: ما در حال تلاش برای ساخت اولین ربات بالا رونده امداد و نجات هستیم --بدون مکش یا آهنربا-- آن ها فقط می توانند روی انواع محدودی از سطح ها حرکت کنند. من اسم ربات جدیدی را RiSE می گذارم مخفف "Robot in Scansorial Environment" و آن در نظر گرفتن طبیعت است. و ما یک تیم فوق العاده قوی از بیولوژیست ها و مهندسان برای ساخت این ربات داریم. و رايز( RiSE) اينجا است. آن 6 پا و یک دم دارد و در اینجا او روی فنس و درخت است. و اینجا اولین قدم RiSE روی سطح شیب دار است. صدا را دارید؟ می توانید صدای بالا رفتن را بشنوید. و این جا او به سمت شما میاد در اولین قدم ها روی دیوار. و در اینجا ساده ترین پاهایش را استفاده می کنند بنابراین خیلی جدید است. اما ما فکر می کنیم که ما دینامیک را درست از ربات گرفتیم.
"مارک کاتوسکی" همچنین آن را یک قدم جلوتر برد او یکی از کسانی است که قادر است این پا ها و انگشتان تولید شده را بسازد. مرحله ی بعد درست کردن انگشتان فرمانبردار است، و تلاش برای اضافه کردن خارها و چنگک ها و آماده سازی برای چسب خشک است. بنابر این ایده این است که اول انگشتان و پا را درست کنند، تلاش برای وفق آن و نهایتا قرار دادن آن روی ربات. و این دقیقا کاری است که او انجام داد. او در واقع یک پای رباتی بر گرفته از طبیعت ساخته است.
و اینجا "مارک کاتوسکی" و طرح فوق العاده دانشجویانش. و این ها انگشتان تقویت شده هستند شش-تا از آنها هست، و آن ها از معیار هایی که من راجع به آن ها صحبت کردم جمعا برای طرح استفاده کردند. بنابر این این بدون استفاده از مکش و چسب است، و نهایتا ، وقتی به ربات وصل می شود-- آن به اندازه همان حیوان دارای ملهم از بیولوژی است-- با امید به اینکه قادر باشد از هر سطحی بالا برود. اینجا اونو می بینید که از دیوار یک ساختمان در استنفورد بالا میرود. آن سرعت گرفت --دوباره ، این یک پا هست در حال بالا رفتن. این کل ربات نیست ، هنوز ما در حال کار روی آن هستیم-- اکنون شما می توانید ببینید چگونه وصل می شود. این سازه های تقویتی شامل ستون فقرات پد (چنبره)های اصطکاک و نهایتا موهای چسبنده برای گرفتن سطح های سخت و چالش انگیز. بنابر این آن ها قادر بودند که این چیزها را بگیرند ، اکنون این 20 برابر سریع شده است-- آیا می توانید آن را در تلاش برای بالا رفتن و نجات کسی در اون طبقه ی بالایی تصور کنید؟ درسته؟ شما اکنون می توانید آن را تصویر سازی کنید این غیر ممکن نیست. ای یک کار چالش انگیز است اما بعدها بیشتر از این کار می بینید.
برای نتيجه: ما رازهای طراحی از روي طبیعت را با تماشای چگونگی ساختار پاها گرفتهایم. ما یاد گرفته ایم که باید کنترل را به قسمت های کوچکتر توزیع کنیم. همه را در مغز قرار ندهید، بلکه قسمتی از کنترل را در پاهای تقویتی، ساق و قسمت های بالایی پاها و حتی بدن قرار دهید. طبیعت از راهحلهای ترکیبی استفاده می کند نه يک راه حل واحد. آنها به خوبی منسجم شده و بسيار محكم و قوي هستند. و سوم اينكه ما اعتقاد داریم که نمی خواهیم از طبیعت تقلید کنیم اما به جای آن از بیولوژی الهام می گیریم و از این معیارهای نو با بهترین راه حل های مهندسی که موجود هستند استفاده می کنیم تا به صورت بالقوه چیزی بهتر از طبیعت بسازيم.
بنابراین ، یک پیغام واضح در اینجا هست: خواه شما به تحقیقات بنيادي از حیوانات خیلی عجیب ، جالب، فوق العاده توجه کنید يا خير، یا بخواهید که یک ربات امداد و نجات بسازید که شمارو در زلزله ها کمک کند یا کسی را از آتش نجات دهد، یا دغدغه دارو و درمان داشته باشيد، ما باید طرحهای طبیعی را حفظ کنیم. در غیر این صورت، این رازها برای همیشه از دست خواهد رفت. متشکرم