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Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Auke Ijspeert: Un robot che corre e nuota come una salamandra
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Auke Ijspert progetta biorobots, macchine modellate su animali reali in grado di gestire terreni difficili e che potrebbero apparire tra le pagine di un romanzo di fantascienza. Il processo di creazione di questi robot porterebbe ad automi migliori da usare per il lavoro nei campi, per il servizio e per ricerca e soccorso. Ma questi robot non imitano soltanto il mondo naturale: ci aiutano a capire meglio la nostra biologia, rivelando segreti sconosciuti della spina dorsale.
Auke Ijspeert - Roboticist
Auke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience. Full bio
Auke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience. Full bio
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00:12
This is Pleurobot.
0
760
1840
Questo è Pleurobot.
00:15
Pleurobot is a robot that we designed
to closely mimic a salamander species
to closely mimic a salamander species
1
3400
3616
Pleurobot è stato progettato per imitare
una specie di salamandra
una specie di salamandra
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
detta Pleurodeles waltl.
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
Pleurobot cammina, come potete vedere,
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
e come vedremo dopo, sa anche nuotare.
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Vi chiederete
perché l'abbiamo progettato?
perché l'abbiamo progettato?
00:28
And in fact, this robot has been designed
as a scientific tool for neuroscience.
as a scientific tool for neuroscience.
6
16960
3762
In realtà è stato progettato
come strumento per le neuroscienze.
come strumento per le neuroscienze.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
Infatti abbiamo lavorato
con dei neurobiologi
con dei neurobiologi
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
per capire come si muovono gli animali
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
e specialmente come la spina dorsale
controlla i movimenti.
controlla i movimenti.
00:41
But the more I work in biorobotics,
10
29560
1696
Ma più lavoro in biorobotica,
00:43
the more I'm really impressed
by animal locomotion.
by animal locomotion.
11
31280
2381
più la locomozione degli animali
mi stupisce.
mi stupisce.
00:45
If you think of a dolphin swimming
or a cat running or jumping around,
or a cat running or jumping around,
12
33920
4296
Se pensate ad un delfino che nuota
o ad un gatto che corre o salta,
o ad un gatto che corre o salta,
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
o persino a noi umani,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
quando corriamo o giochiamo a tennis,
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
facciamo cose straordinarie.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
Il nostro sistema nervoso risolve
un problema di controllo molto complesso.
un problema di controllo molto complesso.
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
Deve coordinare perfettamente
più o meno 200 muscoli,
più o meno 200 muscoli,
01:03
because if the coordination is bad,
we fall over or we do bad locomotion.
we fall over or we do bad locomotion.
18
51160
3680
e se la coordinazione non è buona
cadiamo o ci spostiamo male.
cadiamo o ci spostiamo male.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
Il mio obiettivo è capire
come tutto questo funziona.
come tutto questo funziona.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Sono quattro le componenti principali
della locomozione animale.
della locomozione animale.
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
La prima componente è soltanto il corpo,
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
e non dovremmo mai sottovalutare
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
fino a che punto la biomeccanica
semplifichi già la locomozione animale.
semplifichi già la locomozione animale.
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
Poi c'è la spina dorsale,
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
e lì troviamo i riflessi,
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
riflessi multipli che creano
un circuito coordinativo sensorimotorio
un circuito coordinativo sensorimotorio
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
tra l'attività neurale nella spina dorsale
e l'attività meccanica.
e l'attività meccanica.
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
Infine ci sono
i generatori centrali di configurazione.
i generatori centrali di configurazione.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
Sono circuiti molto interessanti
nella spina dorsale dei vertebrati
nella spina dorsale dei vertebrati
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
che possono generare da soli
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
configurazioni ritmiche di attività
molto coordinate
molto coordinate
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
ricevendo solo input
molto semplici.
molto semplici.
01:47
And these input signals
33
95720
1216
E questi input
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
provenienti dalla modulazione discendente
da parti più alte del cervello,
da parti più alte del cervello,
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
come la corteccia motoria,
il cervelletto, il ganglio basale
il cervelletto, il ganglio basale
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
regolano tutti l'attività
della spina dorsale
della spina dorsale
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
mentre ci muoviamo.
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
La cosa interessante è come
una componente di basso livello,
una componente di basso livello,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
la spina dorsale, assieme al corpo,
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
risolvono già una gran parte
della locomozione.
della locomozione.
02:06
You probably know it by the fact
that you can cut the head off a chicken,
that you can cut the head off a chicken,
41
114080
3422
Forse lo sapete per il fatto
che se si taglia la testa ad un pollo
che se si taglia la testa ad un pollo
questo può correre per un po',
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
dimostrando che la parte inferiore,
spina dorsale e corpo,
spina dorsale e corpo,
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
risolve gran parte della locomozione.
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Ora, capire come ciò avviene
è molto complesso,
è molto complesso,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
perché prima di tutto,
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
registrare l'attività nella spina dorsale
è molto difficile.
è molto difficile.
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
È più facile impiantare elettrodi
nella corteccia motoria
nella corteccia motoria
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
che nella spina dorsale,
perché è protetta dalle vertebre.
perché è protetta dalle vertebre.
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
Specialmente negli umani.
02:29
A second difficulty is that locomotion
is really due to a very complex
is really due to a very complex
51
137560
3776
Una seconda difficoltà è che il movimento
è dovuto ad una interazione
è dovuto ad una interazione
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
molto complessa e dinamica
tra queste quattro componenti.
tra queste quattro componenti.
02:36
So it's very hard to find out
what's the role of each over time.
what's the role of each over time.
53
144440
3240
Quindi è molto difficile scoprire
che ruolo abbia ognuna nel tempo.
che ruolo abbia ognuna nel tempo.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
È qui che i biorobot come Pleurobot
e modelli matematici
e modelli matematici
02:44
can really help.
55
152640
1200
possono davvero aiutare.
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
Allora cos'è la biorobotica?
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
È un campo molto attivo
della ricerca in robotica
della ricerca in robotica
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
in cui si vuole
prendere ispirazione dagli animali
prendere ispirazione dagli animali
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
per fare robot che vadano all'esterno,
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
come robot di servizio
o robot di ricerca e soccorso
o robot di ricerca e soccorso
02:59
or field robots.
61
167160
1200
o robot sul campo.
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
L'obiettivo qui
è prendere ispirazione dagli animali
è prendere ispirazione dagli animali
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
per fare robot che se la cavino
su terreni difficili --
su terreni difficili --
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
scale, montagne, foreste,
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
luoghi in cui i robot
fanno ancora fatica
fanno ancora fatica
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
e in cui gli animali
riescono molto meglio.
riescono molto meglio.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
Il robot può anche essere
uno strumento scientifico fantastico.
uno strumento scientifico fantastico.
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
Ci sono progetti molto belli
in cui i robot sono usati,
in cui i robot sono usati,
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
come strumento per le neuroscienze,
per la biomeccanica o per l'idrodinamica.
per la biomeccanica o per l'idrodinamica.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
E questo è esattamente
lo scopo di Pleurobot.
lo scopo di Pleurobot.
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
Quindi nel mio laboratorio si collabora
con neurobiologi
con neurobiologi
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
come Jean-Marie Cabulguen,
un neurobiologo a Bordeaux in Francia,
un neurobiologo a Bordeaux in Francia,
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
e vogliamo fare modelli di spina dorsale
e convalidarli sui robot.
e convalidarli sui robot.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
E per iniziare in modo semplice
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
è meglio iniziare con animali semplici
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
come le lamprede,
pesci molto primitivi,
pesci molto primitivi,
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
per poi passare
a una locomozione più complessa,
a una locomozione più complessa,
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
come nelle salamandre,
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
ma anche nei gatti e negli umani,
03:45
in mammals.
80
213720
1200
nei mammiferi.
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
E qui un robot diventa
uno strumento interessante
uno strumento interessante
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
per convalidare i nostri modelli.
03:52
And in fact, for me, Pleurobot
is a kind of dream becoming true.
is a kind of dream becoming true.
83
220240
3016
E in effetti, per me, Pleurobot
è un sogno diventato realtà.
è un sogno diventato realtà.
03:55
Like, more or less 20 years ago
I was already working on a computer
I was already working on a computer
84
223280
3256
Circa 20 anni fa
stavo già lavorando su un computer
stavo già lavorando su un computer
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
su simulazioni di locomozione
delle lamprede e delle salamandre
delle lamprede e delle salamandre
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
durante il mio dottorato.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Ma ho sempre saputo che le mie simulazioni
erano solo approssimazioni.
erano solo approssimazioni.
04:06
Like, simulating the physics in water
or with mud or with complex ground,
or with mud or with complex ground,
88
234200
3976
Come simulare la fisica in acqua
o con fango o terreni difficili,
o con fango o terreni difficili,
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
è molto difficile simularli
correttamente al computer.
correttamente al computer.
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
Perché non un robot
e una fisica veri?
e una fisica veri?
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Quindi tra tutti questi animali,
uno dei miei preferiti è la salamandra.
uno dei miei preferiti è la salamandra.
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
Vi chiederete perché.
Il motivo è che in quanto anfibio,
Il motivo è che in quanto anfibio,
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
è un animale chiave
da un punto di vista evoluzionistico.
da un punto di vista evoluzionistico.
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
È un collegamento fantastico
tra il nuoto,
tra il nuoto,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
come nelle anguille o nei pesci,
04:29
and quadruped locomotion,
as you see in mammals, in cats and humans.
as you see in mammals, in cats and humans.
96
257120
4120
e la locomozione dei quadrupedi,
come i mammiferi, i gatti e gli umani.
come i mammiferi, i gatti e gli umani.
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
In effetti, la salamandra moderna
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
è molto simile al primo
vertebrato terrestre,
vertebrato terrestre,
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
è quasi un fossile vivente,
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
che ci dà accesso ai nostri antenati,
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
antenati di tutti i tetrapodi terrestri.
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
Quindi la salamandra nuota
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
con un'andatura natatoria
detta anguilliforme,
detta anguilliforme,
04:49
so they propagate a nice traveling wave
of muscle activity from head to tail.
of muscle activity from head to tail.
104
277160
3640
e propagano un'ondata
di attività muscolare da testa a coda.
di attività muscolare da testa a coda.
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
E se si mette
la salamandra a terra,
la salamandra a terra,
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
si converte all'andatura
detta al passo e trotto.
detta al passo e trotto.
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
In questo caso, c'è un'attivazione
periodica degli arti
periodica degli arti
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
che si coordinano con armonia
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
con quest'ondulazione del corpo
ad onda statica,
ad onda statica,
05:05
and that's exactly the gait
that you are seeing here on Pleurobot.
that you are seeing here on Pleurobot.
110
293200
3656
ed è esattamente l'andatura
che state vedendo ora su Pleurobot.
che state vedendo ora su Pleurobot.
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Una cosa veramente sorprendente
e affascinante
e affascinante
05:11
is the fact that all this can be generated
just by the spinal cord and the body.
just by the spinal cord and the body.
112
299880
4136
è che tutto questo può essere generato
solo dalla spina dorsale e dal corpo.
solo dalla spina dorsale e dal corpo.
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
Quindi se si prende
un animale decerebrato -
un animale decerebrato -
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
non è bello
ma se si rimuove la testa -
ma se si rimuove la testa -
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
e se si stimola
elettricamente la spina dorsale,
elettricamente la spina dorsale,
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
ad una bassa stimolazione
verrà indotta una sorta di andatura.
verrà indotta una sorta di andatura.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
Se si stimola un po' di più,
l'andatura accelera.
l'andatura accelera.
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
E ad un certo punto c'è un limite,
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
e automaticamente,
l'animale inizia a nuotare.
l'animale inizia a nuotare.
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
È fantastico.
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
Si cambia la trasmissione,
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
come se premendo l'acceleratore
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
della modulazione discendente
alla spina dorsale,
alla spina dorsale,
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
ci fosse un cambio completo
tra due andature molto diverse.
tra due andature molto diverse.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
In realtà, la stessa cosa
è stata osservata nei gatti.
è stata osservata nei gatti.
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
Stimolando la spina dorsale di un gatto,
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
si può cambiare
tra passo, trotto e galoppo.
tra passo, trotto e galoppo.
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
O negli uccelli, si può cambiare
tra camminare,
tra camminare,
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
ad una bassa stimolazione,
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
e sbattere le ali
ad un'alta stimolazione.
ad un'alta stimolazione.
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
Questo dimostra che la spina dorsale
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
controlla la locomozione
in modo molto sofisticato.
in modo molto sofisticato.
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
Abbiamo studiato il movimento
della salamandra nei dettagli,
della salamandra nei dettagli,
06:05
and we had in fact access
to a very nice X-ray video machine
to a very nice X-ray video machine
134
353360
3096
abbiamo avuto accesso
ad una macchina a raggi X
ad una macchina a raggi X
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
del Prof. Martin Fischer
dell'Università di Jena in Germania.
dell'Università di Jena in Germania.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
E grazie a quella,
abbiamo una macchina fantastica
abbiamo una macchina fantastica
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
per registrare tutti i movimenti ossei
in dettaglio.
in dettaglio.
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Ecco cos'abbiamo fatto.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
In pratica abbiamo scoperto
quali ossa erano importanti per noi
quali ossa erano importanti per noi
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
e registrato il loro movimento in 3D.
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
Abbiamo raccolto
un intero database di movimenti,
un intero database di movimenti,
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
sia su terra che in acqua,
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
per raccogliere un database
di comportamenti motori
di comportamenti motori
06:31
that a real animal can do.
144
379589
1244
che un animale può fare.
06:32
And then our job as roboticists
was to replicate that in our robot.
was to replicate that in our robot.
145
380858
3150
Il nostro lavoro di robotici
è stato replicarli nel nostro robot.
è stato replicarli nel nostro robot.
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
È stato fatto un processo di ottimizzazione
per trovare la struttura giusta,
per trovare la struttura giusta,
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
dove posizionare i motori,
come connetterli tra di loro,
come connetterli tra di loro,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
per poter ripetere
i movimenti il meglio possibile.
i movimenti il meglio possibile.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Ed è così che è nato Pleurobot.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Vediamo quanto è simile
all'animale vero.
all'animale vero.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
Quello che vedete
è quasi un paragone diretto
è quasi un paragone diretto
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
tra la camminata
dell'animale e Pleurobot.
dell'animale e Pleurobot.
06:58
You can see that we have
almost a one-to-one exact replay
almost a one-to-one exact replay
153
406200
2736
Potete vedere che c'è
una ripetizione quasi identica
una ripetizione quasi identica
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
della camminata.
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
Andando indietro al rallentatore
si vede anche meglio.
si vede anche meglio.
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Ma ancora meglio è il nuoto.
07:09
So for that we have a dry suit
that we put all over the robot --
that we put all over the robot --
157
417920
3016
Abbiamo una muta
che mettiamo addosso al robot --
che mettiamo addosso al robot --
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Risate)
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
possiamo andare in acqua
e riprodurre l'andatura natatoria.
e riprodurre l'andatura natatoria.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
Qui siamo stati molto contenti,
perché questo era difficile da fare.
perché questo era difficile da fare.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
La fisica dell'interazione è complessa.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
Il nostro robot è molto più grande
di un piccolo animale,
di un piccolo animale,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
perciò siamo ricorsi
all'ingrandimento dinamico delle frequenze
all'ingrandimento dinamico delle frequenze
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
per ottenere
la stessa fisica delle interazioni.
la stessa fisica delle interazioni.
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
Ma alla fine vedete
una buona corrispondenza,
una buona corrispondenza,
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
ed eravamo davvero contenti.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Passiamo alla spina dorsale.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Quello che abbiamo fatto
con Jean-Marie Cabelguen
con Jean-Marie Cabelguen
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
è stato modellare i circuiti della colonna.
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
La cosa interessante
è che la salamandra
è che la salamandra
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
ha un circuito molto primitivo,
07:46
which is very similar
to the one we find in the lamprey,
to the one we find in the lamprey,
172
454844
2652
molto simile
a quello della lampreda,
a quello della lampreda,
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
questo pesce primitivo
simile all'anguilla,
simile all'anguilla,
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
e sembra in evoluzione,
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
abbiamo aggiunto oscillatori neurali
per controllare gli arti,
per controllare gli arti,
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
per il movimento delle zampe.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
E sappiamo dove si trovano
questi oscillatori
questi oscillatori
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
ma noi abbiamo fatto
un modello matematico
un modello matematico
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
per vedere come accoppiarli
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
per permettere il passaggio
tra due andature molto diverse.
tra due andature molto diverse.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
E l'abbiamo testato su un robot.
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
Ecco il risultato.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
Quello che vedete
è una versione precedente di Pleurobot
è una versione precedente di Pleurobot
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
completamente controllata
dal nostro modello di spina dorsale
dal nostro modello di spina dorsale
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
programmata sul robot.
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
L'unica cosa che facciamo
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
è mandare al robot
tramite un telecomando
tramite un telecomando
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
i due segnali discendenti
che di solito riceve
che di solito riceve
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
dalla parte superiore del cervello.
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
La cosa interessante è che,
giocando con questi segnali,
giocando con questi segnali,
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
possiamo controllare
velocità, direzione e tipo di andatura.
velocità, direzione e tipo di andatura.
08:41
For instance,
192
509600
1216
Per esempio,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
Quando lo stimolo è a livello inferiore,
otteniamo una camminata,
otteniamo una camminata,
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
e ad un certo punto, se stimoliamo molto,
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
cambia rapidamente
nell'andatura natatoria.
nell'andatura natatoria.
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
Infine, possiamo anche
girare molto bene
girare molto bene
08:53
by just stimulating more one side
of the spinal cord than the other.
of the spinal cord than the other.
197
521720
3520
solo stimolando di più un lato
della spina dorsale rispetto all'altro.
della spina dorsale rispetto all'altro.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Penso sia bellissimo
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
come la natura
abbia distribuito il controllo
abbia distribuito il controllo
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
per dare davvero molta responsabilità
alla spina dorsale
alla spina dorsale
09:05
so that the upper part of the brain
doesn't need to worry about every muscle.
doesn't need to worry about every muscle.
201
533000
3656
così che la parte superiore del cervello
non si deve preoccupare di ogni muscolo.
non si deve preoccupare di ogni muscolo.
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
Si deve solo preoccupare
della modulazione ad alto livello,
della modulazione ad alto livello,
09:11
and it's really the job of the spinal cord
to coordinate all the muscles.
to coordinate all the muscles.
203
539240
3576
ed è la spina dorsale
a dover coordinare tutti i muscoli.
a dover coordinare tutti i muscoli.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
Passiamo alla locomozione dei gatti
e all'importanza della biomeccanica.
e all'importanza della biomeccanica.
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Questo è un altro progetto
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
in cui abbiamo studiato
la biomeccanica dei gatti,
la biomeccanica dei gatti,
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
per vedere quanto
la morfologia aiuti la locomozione.
la morfologia aiuti la locomozione.
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
Abbiamo trovato tre criteri
importanti nelle proprietà,
importanti nelle proprietà,
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
in pratica, degli arti.
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
Il primo è che l'arto di un gatto
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
ha una struttura più o meno
simile al pantografo.
simile al pantografo.
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
Un pantografo è una struttura meccanica
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
che mantiene il segmento superiore
sempre parallelo a quello inferiore.
sempre parallelo a quello inferiore.
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
Quindi un semplice sistema geometrico
che coordina un po'
che coordina un po'
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
i movimenti interni dei segmenti.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
La seconda proptità degli arti
è che sono molto leggeri.
è che sono molto leggeri.
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
La maggior parte dei muscoli
è nel busto,
è nel busto,
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
che è una buona idea,
così gli arti hanno una bassa inerzia
così gli arti hanno una bassa inerzia
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
e possono muoversi rapidamente.
09:58
The last final important property is this
very elastic behavior of the cat limb,
very elastic behavior of the cat limb,
220
586240
3816
L'ultima importante proprietà
è questa grande elasticità dell'arto,
è questa grande elasticità dell'arto,
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
per sopportare urti e forze.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
È così che abbiamo progettato Cheetah-Cub.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
Invitiamo Cheeta-Cub sul palco.
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
Questo è Peter Eckert,
che fa il dottorato su questo robot,
che fa il dottorato su questo robot,
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
e come vedete è un grazioso robottino.
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
Sembra un giocattolo,
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
ma è stato usato
come strumento scientifico
come strumento scientifico
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
per studiare queste proprietà
delle gambe dei gatti.
delle gambe dei gatti.
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Vedete, è molto adattabile,
molto leggero,
molto leggero,
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
e anche molto elastico,
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
lo sì può facilmente schiacciare
e non si rompe.
e non si rompe.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
In effetti, fa solo un salto.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
E questa proprietà così elastica
è anche molto importante.
è anche molto importante.
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
E si vedono anche un po' le proprietà
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
di questi tre segmenti
delle gambe come pantografo.
delle gambe come pantografo.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
Ora, l'interessante è
che quest'andatura così dinamica
che quest'andatura così dinamica
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
è ottenuta semplicemente
a circuito aperto
a circuito aperto
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
cioè senza sensori,
senza complessi circuiti di feedback.
senza complessi circuiti di feedback.
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
Ed è interessante perché significa
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
che solo la meccanica
stabilizza già quest'andatura rapida,
stabilizza già quest'andatura rapida,
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
e che la meccanica veramente buona
semplifica la locomozione già alla base.
semplifica la locomozione già alla base.
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
Al punto che possiamo persino
disturbare un po' la locomozione,
disturbare un po' la locomozione,
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
come vedremo nel prossimo video,
11:07
where we can for instance do some exercise
where we have the robot go down a step,
where we have the robot go down a step,
244
655840
3896
dove per esempio possiamo fare esercizi
in cui il robot scende uno scalino,
in cui il robot scende uno scalino,
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
senza che il robot cada,
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
che per noi è stata una sorpresa.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
Questo è un piccolo turbamento.
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
Mi aspettavo che il robot
si ribaltasse immediatamente,
si ribaltasse immediatamente,
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
perché non ci sono sensori,
o circuiti di feedback veloce.
o circuiti di feedback veloce.
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
Ma no, la sola meccanica
ha stabilizzato l'andatura,
ha stabilizzato l'andatura,
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
e il robot non si ribalta.
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Ovviamente, se si fa un passo più lungo,
e in presenza di ostacoli,
e in presenza di ostacoli,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
c'è bisogno di ogni circuito di controllo
e dei riflessi, eccetera.
e dei riflessi, eccetera.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Ma la cosa importante è
che solo per un piccolo turbamento
che solo per un piccolo turbamento
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
la meccanica è corretta.
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
Penso che sia
un messaggio molto importante
un messaggio molto importante
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
da biomeccanica e robotica
a neuroscienza,
a neuroscienza,
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
che dice di non sottovalutare quanto
il corpo aiuti già la locomozione.
il corpo aiuti già la locomozione.
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
Ora, cosa c'entra questo
con la locomozione umana?
con la locomozione umana?
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
La locomozione umana è più complessa
di quella dei gatti e delle salamandre,
di quella dei gatti e delle salamandre,
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
ma allo stesso tempo il sistema nervoso
umano è molto simile
umano è molto simile
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
a quello degli altri vertebrati.
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
Specialmente la spina dorsale
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
è la chiave per il controllo
della locomozione umana.
della locomozione umana.
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
Ecco perché se c'è una lesione
della spina dorsale
della spina dorsale
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
le conseguenze sono drammatiche.
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
La persona può diventare
paraplegica o tetraplegica.
paraplegica o tetraplegica.
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
Questo perché il cervello
perde la comunicazione
perde la comunicazione
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
con la spina dorsale.
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
In particolare, perde questa
modulazione discendente
modulazione discendente
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
per indurre e modulare la locomozione.
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
Quindi un obiettivo della neuroprotesi
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
è riuscire a riattivare
quella comunicazione
quella comunicazione
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
usando stimolazioni elettriche o chimiche.
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
Ci sono vari team
nel mondo che fanno proprio questo,
nel mondo che fanno proprio questo,
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
specialmente a EPFL.
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
Il miei colleghi Grégoire Courtine
e Silvestro Micera,
e Silvestro Micera,
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
con i quali collaboro.
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Ma per farlo come si deve,
è molto importante capire
è molto importante capire
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
come funziona la spina dorsale,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
come interagisce con il corpo,
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
e come il cervello
comunica con la spina dorsale.
comunica con la spina dorsale.
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
Questo è dove i robot
e i modelli che ho presentato oggi
e i modelli che ho presentato oggi
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
giocheranno forse un ruolo chiave
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
verso questo obiettivo molto importante.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Grazie.
12:54
(Applause)
287
762560
4560
(Applausi)
13:04
Bruno Giussani: Auke, I've seen
in your lab other robots
in your lab other robots
288
772100
2636
Bruno Giussani: Auke, ho visto
altri robot nel tuo laboratorio
altri robot nel tuo laboratorio
13:06
that do things like swim in pollution
289
774760
2456
che fanno cose come nuotare
nell'inquinamento
nell'inquinamento
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
misurando l'inquinamento mentre nuotano.
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Ma questo qui,
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
l'hai detto nella presentazione,
come progetto parallelo,
come progetto parallelo,
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
ricerca e soccorso,
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
ha una videocamera sul naso.
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Auke Ijspeert: Certo. Dunque il robot --
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
abbiamo dei progetti spin-off
13:25
where we would like to use the robots
to do search and rescue inspection,
to do search and rescue inspection,
297
793053
3443
in cui vorremmo usare i robot
per fare ispezioni di ricerca e soccorso --
per fare ispezioni di ricerca e soccorso --
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
ora questo robot ti vede.
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
E il sogno è,
se c'è una situazione difficile
se c'è una situazione difficile
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
come un edificio crollato
o un edificio inondato,
o un edificio inondato,
13:36
and this is very dangerous
for a rescue team or even rescue dogs,
for a rescue team or even rescue dogs,
301
804960
3336
molto pericolosa per una squadra di soccorso
o persino per i cani,
o persino per i cani,
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
perché non mandare un robot
che può strisciare, nuotare, camminare
che può strisciare, nuotare, camminare
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
con una videocamera per fare
ispezioni e identifica resopravvissuti
ispezioni e identifica resopravvissuti
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
e magari comunicazre
con il sopravvissuto.
con il sopravvissuto.
13:49
BG: Of course, assuming the survivors
don't get scared by the shape of this.
don't get scared by the shape of this.
305
817240
3576
BG: Certo, supponendo che i sopravvissuti
non si spaventino della sua forma.
non si spaventino della sua forma.
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
AI: Sì, forse dovremmo cambiarne
un po' l'aspetto,
un po' l'aspetto,
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
perché penso che il sopravvissuto
potrebbe morire di infarto
potrebbe morire di infarto
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
solo pensando
che si possa nutrire di lui.
che si possa nutrire di lui.
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
Ma cambiando l'apparenza
e rendendolo più robusto,
e rendendolo più robusto,
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
sono sicuro che si possa
farne un buono strumento.
farne un buono strumento.
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
BG: Grazie mille.
Grazie a te a al tuo team.
Grazie a te a al tuo team.
ABOUT THE SPEAKER
Auke Ijspeert - RoboticistAuke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience.
Why you should listen
Auke Ijspeert is a professor at the EPFL (the Swiss Federal Institute of Technology at Lausanne), and head of the Biorobotics Laboratory (BioRob). He has a BSc/MSc in Physics from the EPFL and a PhD in artificial intelligence from the University of Edinburgh, with John Hallam and David Willshaw as advisors. He carried out postdocs at IDSIA and EPFL with Jean-Daniel Nicoud and Luca Gambardella, and at the University of Southern California, with Michael Arbib and Stefan Schaal.
Ijspeert is interested in using numerical simulations and robots to get a better understanding of animal locomotion and movement control, and in using inspiration from biology to design novel types of robots and locomotion controllers.
Auke Ijspeert | Speaker | TED.com