TEDGlobal>Geneva
Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Auke Ijspeert: Pleurobot: een robot die rent en zwemt als een salamander
Filmed:
Readability: 4.8
2,016,271 views
Robotontwerper Auke Ijspeert ontwerpt biorobots: op dieren geïnspireerde robots die kunnen voortbewegen over complex terrein en die zo uit een science fiction-wereld lijken te zijn ontsnapt. Het ontwikkelen van deze robots levert betere apparaten op die kunnen worden ingezet voor werk op moeilijk bereikbare plekken, bijvoorbeeld tijdens reddingsacties. Maar deze robots zijn niet alleen een nabootsing van de natuur, ze helpen ons ook de biologie beter te begrijpen, doordat ze nieuwe inzichten verschaffen in de rol die het ruggenmerg speelt bij voortbeweging.
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
Double-click the English transcript below to play the video.
00:12
This is Pleurobot.
0
760
1840
Dit is Pleurorobot.
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 is ontworpen
om te lijken op een salamander soort
om te lijken op een salamander soort
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
genaamd Pleurodeles waltl.
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
Pleurobot kan lopen,
en zoals je zult zien,
kan hij ook zwemmen.
kan hij ook zwemmen.
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Waarom hebben we deze robot ontworpen?
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
Hij is bedoeld als instrument
voor neurowetenschappelijk onderzoek.
voor neurowetenschappelijk onderzoek.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
We hebben hem ontworpen
samen met neurobiologen,
samen met neurobiologen,
om te begrijpen hoe dieren bewegen
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
en hoe het ruggenmerg
beweging controleert.
beweging controleert.
Hoe meer ik in biorobotica werk
00:41
But the more I work in biorobotics,
10
29560
1696
hoe meer ik onder de indruk ben
van beweging van dieren.
van beweging van dieren.
00:43
the more I'm really impressed
by animal locomotion.
by animal locomotion.
11
31280
2381
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
Denk aan een zwemmende dolfijn,
of een kat die rent en springt,
of een kat die rent en springt,
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
Of zelfs aan ons, mensen,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
als we hardlopen of tennissen.
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
We doen verbazingwekkende dingen.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
Ons zenuwstelsel lost feitelijk
een ingewikkeld probleem op.
een ingewikkeld probleem op.
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
Het moet ongeveer 200 spieren
foutloos aansturen,
foutloos aansturen,
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
want slechte coördinatie betekent
omvallen of slechte voortbeweging.
omvallen of slechte voortbeweging.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
Mijn doel is om te snappen hoe dit werkt.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Vier hoofdonderdelen maken
voortbeweging van dieren mogelijk.
voortbeweging van dieren mogelijk.
Het eerste onderdeel is het lichaam zelf,
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
en we mogen niet onderschatten
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
in hoeverre biomechanica
beweging in dieren al versimpelt.
beweging in dieren al versimpelt.
Ten tweede heb je het ruggenmerg.
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
In het ruggenmerg vind je reflexen.
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
Meerdere reflexen samen vormen
een sensorisch-motorische koppeling
een sensorisch-motorische koppeling
tussen neurale activiteit in het merg
en mechanische activiteit.
en mechanische activiteit.
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
De derde component zijn
centrale patroongeneratoren.
centrale patroongeneratoren.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
Dit zijn zeer interessante circuits
in het ruggenmerg van gewervelde dieren.
in het ruggenmerg van gewervelde dieren.
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
Ze genereren, uit zichzelf,
gecoördineerde ritmische activiteit
gecoördineerde ritmische activiteit
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
op basis van heel simpele inputsignalen.
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
01:47
And these input signals
33
95720
1216
Deze inputsignalen zijn afkomstig
van hogere hersengebieden
van hogere hersengebieden
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
zoals de motorcortex, het cerebellum,
en de basale ganglia.
en de basale ganglia.
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
Deze beïnvloeden activiteit in het
ruggenmerg tijdens voortbeweging.
ruggenmerg tijdens voortbeweging.
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
Het is interessant in hoeverre
de lagere onderdelen,
de lagere onderdelen,
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
het ruggenmerg en het lichaam,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
het voortbewegingsprobleem
al grotendeels oplossen.
al grotendeels oplossen.
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
Je weet vast, dat een kip zonder kop
nog een tijdje kan rondrennen.
nog een tijdje kan rondrennen.
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
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
Dit laat zien dat dit onderste deel,
het ruggenmerg en het lichaam,
het ruggenmerg en het lichaam,
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
een groot deel van voortbeweging verzorgt.
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
Dit begrijpen is erg ingewikkeld.
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Allereerst is het meten van de activiteit
in het ruggenmerg erg moeilijk.
in het ruggenmerg erg moeilijk.
02:17
because first of all,
46
125880
1296
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
Het is makkelijker om elektrodes
te plaatsen in de motorcortex.
te plaatsen in de motorcortex.
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
Want het ruggenmerg wordt
beschermd door wervels.
beschermd door wervels.
Zeker in mensen is dat heel moeilijk.
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
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
Een tweede moeilijkheid is
dat beweging ontstaat
dat beweging ontstaat
uit complexe, dynamische
interactie tussen de vier componenten.
interactie tussen de vier componenten.
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
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
Uitvinden wat elke component doet
is niet makkelijk.
is niet makkelijk.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
Hier kunnen biorobots, zoals Pleurobot,
en wiskundige modellen helpen.
en wiskundige modellen helpen.
02:44
can really help.
55
152640
1200
Biorobotica is een zeer actief
onderzoeksgebied binnen robotica
onderzoeksgebied binnen robotica
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
waar mensen zich
laten inspireren door dieren
laten inspireren door dieren
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
om robots te maken die naar buiten gaan,
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
zoals servicerobots,
reddingsrobots of terreinrobots.
reddingsrobots of terreinrobots.
02:59
or field robots.
61
167160
1200
Het doel is om op dieren geïnspireerde
robots te maken voor lastig terrein:
robots te maken voor lastig terrein:
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
trappen, bergen of bossen,
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
plekken waar robots nog moeite hebben
en waar dieren veel beter in zijn.
en waar dieren veel beter in zijn.
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
Robots spelen ook een
belangrijke rol in onderzoek.
belangrijke rol in onderzoek.
Er zijn mooie projecten
waarin robots gebruikt worden
waarin robots gebruikt worden
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
in de neurowetenschap,
biomechanica of hydrodynamiek.
biomechanica of hydrodynamiek.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
Dat is ook precies het doel van Pleurobot.
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
In mijn onderzoeksgroep
werken we samen met neurobiologen
werken we samen met neurobiologen
zoals Jean-Marie Cabelguen,
een neurobioloog uit Bordeaux, Frankrijk.
een neurobioloog uit Bordeaux, Frankrijk.
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
We willen het ruggenmerg modelleren
en de modellen valideren op robots.
en de modellen valideren op robots.
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
We wilden simpel beginnen,
met simpele dieren zoals lampreien.
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
Een soort primitieve vissen.
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
Daarna kwamen dieren
met complexere voortbeweging,
met complexere voortbeweging,
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
zoals salamanders, maar ook katten
en mensen, zoogdieren.
en mensen, zoogdieren.
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
03:45
in mammals.
80
213720
1200
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
Dan wordt een robot
een belangrijk instrument
een belangrijk instrument
om onze modellen te valideren.
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
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
Voor mij is Pleurobot
een uitgekomen droom.
een uitgekomen droom.
Zo'n 20 jaar geleden
werkte ik al op een computer
werkte ik al op een computer
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
aan simulaties van lamprei-
en salamandervoortbeweging,
en salamandervoortbeweging,
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
tijdens mijn promotieonderzoek.
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Maar mijn simulaties
waren slechts een benadering.
waren slechts een benadering.
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
Het simuleren van de krachten van
water, modder en complexe ondergronden
water, modder en complexe ondergronden
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
was erg moeilijk om goed te doen
met de computer.
met de computer.
Waarom geen echte robot
met echte krachten?
met echte krachten?
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Van al deze dieren
is de salamander mijn favoriet.
is de salamander mijn favoriet.
Waarom?
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
Omdat amfibieën vanuit een
evolutionair oogpunt erg belangrijk zijn.
evolutionair oogpunt erg belangrijk zijn.
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
Het is een prachtige link
tussen zwemmen,
tussen zwemmen,
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
zoals je ziet in alen of vissen,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
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
en viervoetige voortbeweging,
zoals je ziet in zoogdieren.
zoals je ziet in zoogdieren.
Eigenlijk is de moderne salamander
nauw verwant aan de eerste gewervelden.
nauw verwant aan de eerste gewervelden.
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
Het is bijna een levend fossiel.
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
Dit geeft ons toegang tot onze voorouders.
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
De voorouders van alle viervoeters.
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
De zwemwijze van de salamander
noemen we anguilliforme zwembeweging,
noemen we anguilliforme zwembeweging,
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
dus de spieractiviteit beweegt in
een gelijkmatige golf van kop naar staart.
een gelijkmatige golf van kop naar staart.
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
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
Als je een salamander op de grond plaatst,
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
dan verandert zijn bewegingspatroon
naar draf.
naar draf.
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
Je ziet periodieke activering
van de verschillende ledematen,
van de verschillende ledematen,
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
mooi gecoördineerd met die staande golf
die door het lichaam beweegt.
die door het lichaam beweegt.
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
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
Dat is precies het bewegingspatroon
dat je hier ziet bij Pleurobot.
dat je hier ziet bij Pleurobot.
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Heel verrassend en fascinerend
is dat deze beweging gegenereerd wordt
door alleen het ruggenmerg en lichaam.
door alleen het ruggenmerg en lichaam.
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
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
Als je een decerebrate salamander neemt --
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
met de kop verwijderd--
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
dan kun je het ruggenmerg
elektrisch stimuleren.
elektrisch stimuleren.
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
Bij een laag stimulatieniveau
ontstaat loopachtige voortbeweging.
ontstaat loopachtige voortbeweging.
Als je sterker stimuleert
versnelt het patroon
versnelt het patroon
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
en bij een bepaalde grens wisselt het dier
automatisch naar zwemmen.
automatisch naar zwemmen.
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
Dit is geweldig.
Verander de aandrijving,
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
alsof je het gaspedaal indrukt
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
van de afdalende omvorming
naar het ruggenmerg,
naar het ruggenmerg,
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
veroorzaakt een complete wissel
tussen twee zeer verschillende gangen.
tussen twee zeer verschillende gangen.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
Hetzelfde is gezien in katten.
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
Als je het ruggenmerg stimuleert
wisselt de kat tussen stap, draf en galop.
wisselt de kat tussen stap, draf en galop.
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
En ook vogels wisselen
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
van lopen, bij lage stimulatie,
naar klapwieken, bij hoge stimulatie.
naar klapwieken, bij hoge stimulatie.
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
Dit laat zien dat het ruggenmerg
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
een geavanceerde regelaar is van beweging.
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
We bestudeerden salamanders
in meer detail,
in meer detail,
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
met behulp van een röntgencamerasysteem
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
van professor Martin Fischer
van de Jena Universiteit uit Duitsland.
van de Jena Universiteit uit Duitsland.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
Door deze geweldige machine
konden we heel gedetailleerd
de beweging van de botten vastleggen.
de beweging van de botten vastleggen.
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Dat hebben we gedaan.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
We identificeerden de belangrijke botten
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
en registreerden de bewegingen in 3D.
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
We verzamelden allerlei bewegingen --
zowel op land als in het water --
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
in een database van motorisch gedrag
dat een echt dier kan vertonen.
dat een echt dier kan vertonen.
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
06:31
that a real animal can do.
144
379589
1244
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
Onze taak als robotici was
om dit na te maken in onze robot.
om dit na te maken in onze robot.
In een heel optimalisatieproces
zochten we naar de juiste structuur,
zochten we naar de juiste structuur,
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
de plaats van de motoren
en hun onderlinge verbinding,
en hun onderlinge verbinding,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
om deze bewegingen na te bootsen.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Dit is hoe Pleurobot tot leven kwam.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Laten we kijken hoe goed dat gelukt is.
Je ziet een vrijwel zuivere vergelijking
tussen het echte dier en de Pleurobot.
tussen het echte dier en de Pleurobot.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
Het is bijna een één op één-
herhaling van de gang.
herhaling van de gang.
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
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
Achteruit en vertraagd afgespeeld
zie je het nog beter.
zie je het nog beter.
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Maar nog beter:
hij kan ook zwemmen.
hij kan ook zwemmen.
Daarvoor gebruiken we een waterdicht pak
waar we de robot mee inpakken.
waar we de robot mee inpakken.
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
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Gelach)
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
Daarmee kan hij het water in
om de zwemwijze na te bootsen.
om de zwemwijze na te bootsen.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
Dit was moeilijk om te doen.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
De interactie tussen
de krachten is complex.
de krachten is complex.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
Onze robot is veel groter
dan het kleine dier,
dan het kleine dier,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
dus we moesten de schaal
van de frequenties aanpassen
van de frequenties aanpassen
om juiste interactie-krachten te generen.
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
Maar het is een goede overeenkomst.
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
Hier waren we erg blij mee.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Laten we het hebben over het ruggenmerg.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Samen met Jean-Marie Cabelguen hebben we
de ruggenmergcircuits gemodelleerd.
de ruggenmergcircuits gemodelleerd.
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
De salamander heeft interessant genoeg
een erg primitief neuraalcircuit.
een erg primitief neuraalcircuit.
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
Dit circuit lijkt op dat van de lampreien,
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
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
de primitieve, aalachtige vissen.
Het lijkt erop dat tijdens de evolutie
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
nieuwe oscillatoren zijn toegevoegd
om de poten aan te sturen,
om de poten aan te sturen,
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
dus voor beenmotoriek.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
We wisten de locatie van deze oscillatoren
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
maar hebben een wiskundig model gebruikt
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
om te zien hoe we ze moesten verbinden
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
zodat we de twee soorten voortbeweging
konden afwisselen.
konden afwisselen.
We hebben dit getest in een robot.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
Het zag er zo uit.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
Dit is een voorloper van de Pleurobot.
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
Hij wordt compleet gestuurd
door zijn interne ruggenmerg-model.
door zijn interne ruggenmerg-model.
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
Het enige wat wij doen
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
is via een afstandbediening
de twee signalen sturen
de twee signalen sturen
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
die normaal vanuit de hersenen
het ruggenmerg bereiken.
het ruggenmerg bereiken.
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
Het interessante is dat we
met behulp van deze signalen
met behulp van deze signalen
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
snelheid, richting en type voortbeweging
helemaal kunnen controleren.
helemaal kunnen controleren.
08:41
For instance,
192
509600
1216
Bij een laag stimulatieniveau
loopt de robot,
loopt de robot,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
en bij hoge stimulatie zien we
een snelle wisseling naar zwemmen.
een snelle wisseling naar zwemmen.
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
En we kunnen heel mooi draaien
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
door één kant van het ruggenmerg
meer te stimuleren.
meer te stimuleren.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Ik vind het prachtig
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
hoe de natuur de controle heeft verdeeld
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
en het ruggenmerg
grote verantwoordelijkheid heeft gegeven.
grote verantwoordelijkheid heeft gegeven.
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
Zo hoeven de hersenen
niet elke spier aan te sturen,
niet elke spier aan te sturen,
maar houden ze zich alleen bezig
met de hogere modulatie.
met de hogere modulatie.
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
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
Het ruggenmerg zorgt voor
de aansturing van individuele spieren.
de aansturing van individuele spieren.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
Laten we kijken naar de kat
en de rol van biomechanica.
en de rol van biomechanica.
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Dit is een ander project over
de biomechanica van katten.
de biomechanica van katten.
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
We wilden zien hoezeer lichaamsvorm
voortbeweging ondersteunt.
voortbeweging ondersteunt.
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
We vonden drie belangrijke eigenschappen
van de ledematen.
van de ledematen.
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
De eerste is dat de ledematen van de kat
een pantograafachtige structuur hebben.
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
Een pantograaf
is een mechanische structuur
is een mechanische structuur
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
waarvan het bovenste en onderste segment
altijd parallel aan elkaar blijven.
altijd parallel aan elkaar blijven.
Dus een simpel geometisch systeem dat
de beweging van de segmenten coördineert.
de beweging van de segmenten coördineert.
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
Een tweede eigenschap van kattenpoten
is dat ze weinig wegen.
is dat ze weinig wegen.
De meeste spieren zitten in de romp.
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
Hierdoor hebben de poten
een lage inertie en kunnen snel bewegen.
een lage inertie en kunnen snel bewegen.
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
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
De laatste belangrijke eigenschap is
dat katten poten erg elastisch zijn
dat katten poten erg elastisch zijn
waardoor ze bestand zijn tegen schokken.
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
Zo hebben we Cheetah-Cub ontworpen.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
Laten we hem uitnodigen op het podium.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
Dit is Peter Eckert,
zijn promotieonderzoek
gaat over deze robot.
gaat over deze robot.
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
Zoals je ziet is het een kleine robot.
Hij ziet eruit als een speelgoed,
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
maar hij wordt gebruikt als instrument
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
om eigenschappen van de kat te onderzoeken
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Hij is erg licht en elastisch.
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
Je kunt hem gemakkelijk indrukken
zonder hem te breken.
zonder hem te breken.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
Hierdoor springt hij.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
Deze elastische eigenschap
is bijzonder belangrijk.
is bijzonder belangrijk.
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
Je ziet nu ook de eigenschap van
de pootsegmenten als pantograaf.
de pootsegmenten als pantograaf.
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
Het interessante is
dat deze dynamische tred
dat deze dynamische tred
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
puur ontstaat in een 'open loop',
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
dus zonder sensoren en
zonder complexe terugkoppeling.
zonder complexe terugkoppeling.
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
Dat is fascinerend, omdat het betekent
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
dat puur de mechaniek van het lichaam
deze snelle voortbeweging kan stabiliseren
deze snelle voortbeweging kan stabiliseren
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
en dat goede mechaniek
bewegingsaansturing erg versimpelt.
bewegingsaansturing erg versimpelt.
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
Zodanig goed dat we voortbeweging
een beetje kunnen verstoren.
een beetje kunnen verstoren.
Dat zie je in het volgende filmpje.
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
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
Hierin stapt de robot van een verhoging.
De robot valt niet om.
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
Dat verbaasde ons.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
Het is een kleine verstoring.
Ik verwachte dat de robot direct
om zou vallen,
om zou vallen,
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
omdat hij geen sensoren heeft
en geen terugkoppeling.
en geen terugkoppeling.
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
Maar de mechaniek stabiliseert de beweging
en de robot valt niet om.
en de robot valt niet om.
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Als je de stap groter maakt
of als je obstakels introduceert,
of als je obstakels introduceert,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
dan heb je natuurlijk terugkoppeling
van informatie nodig en reflexen enz.
van informatie nodig en reflexen enz.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Maar belangrijk is dat voor een
kleine verstoring de mechaniek genoeg is.
kleine verstoring de mechaniek genoeg is.
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
Dit is een belangrijke boodschap
van biomechanica en robotica
aan de neurowetenschappen.
aan de neurowetenschappen.
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
Onderschat de rol van het lichaam niet.
Wat heeft dit te maken met
het menselijk voortbewegen?
het menselijk voortbewegen?
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
Natuurlijk is onze gang ingewikkelder
dan die van een kat of salamander,
dan die van een kat of salamander,
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
maar het zenuwstelsel van mensen
lijkt erg op dat van andere gewervelden.
lijkt erg op dat van andere gewervelden.
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
Ook bij ons is het ruggenmerg
de primaire regelaar van voortbeweging.
de primaire regelaar van voortbeweging.
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
Daarom heeft beschadiging van
het ruggenmerg dramatische gevolgen.
het ruggenmerg dramatische gevolgen.
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
Er kan een gedeeltelijke of
volledige verlamming ontstaan.
volledige verlamming ontstaan.
De hersenen verliezen namelijk
hun communicatie met het ruggenmerg
hun communicatie met het ruggenmerg
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
in de vorm van de afdalende banen
die voortbeweging initiëren en moduleren.
die voortbeweging initiëren en moduleren.
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
Een belangrijk doel van neurale protheses
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
is om deze communicatie te reactiveren
met hulp van elektrische
of chemische stimulatie.
of chemische stimulatie.
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
Er zijn verschillende teams
die precies dat doen.
die precies dat doen.
Bijvoorbeeld aan de EPFL,
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
mijn collega's Grégoire Courtine
en Silvestro Micera,
en Silvestro Micera,
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
met wie ik samenwerk.
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Om dit goed te doen is het belangrijk
te begrijpen hoe het ruggenmerg werkt,
te begrijpen hoe het ruggenmerg werkt,
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
hoe het communiceert met het lichaam,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
en hoe de hersenen
communiceren met het ruggenmerg.
communiceren met het ruggenmerg.
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
De robots en modellen
die ik vandaag heb gepresenteerd
die ik vandaag heb gepresenteerd
gaan hopelijk een belangrijke rol spelen
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
bij het realiseren
van deze belangrijke doelen.
van deze belangrijke doelen.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Dankjewel.
(Applaus)
12:54
(Applause)
287
762560
4560
Bruno Giussani: Auke, ik heb in jouw lab
nog andere robots gezien
nog andere robots gezien
13:04
Bruno Giussani: Auke, I've seen
in your lab other robots
in your lab other robots
288
772100
2636
13:06
that do things like swim in pollution
289
774760
2456
die de vervuiling van het water meten
waarin ze zwemmen.
waarin ze zwemmen.
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Voor deze robot hier heb je het gehad
over hulp bij reddingsacties.
over hulp bij reddingsacties.
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
Ik zie dat hij een camera draagt.
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Auke Ijspeert: Absoluut!
We hebben een aantal spin-off projecten
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
waarin we proberen robots te ontwerpen
voor reddingsacties.
voor reddingsacties.
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
Deze robot kan je zien.
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
De droom is om robots in te zetten
in gevaarlijke situaties,
in gevaarlijke situaties,
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
zoals een ingestort of overstroomd gebouw.
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
Te gevaarlijk voor een reddingsteam
of zelfs voor honden.
of zelfs voor honden.
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
Daar kunnen robots rondkruipen of zwemmen,
met een camera om te inspecteren
en overlevenden te vinden.
en overlevenden te vinden.
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
en om communicatie met overlevenden
mogelijk te maken.
mogelijk te maken.
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
BG: Ervan uitgaand dat de overlevenden
hier niet van schrikken.
hier niet van schrikken.
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
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
AI: Ja, we moeten het uiterlijk
nog een beetje aanpassen,
nog een beetje aanpassen,
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
anders krijgt de overlevende
nog een hartaanval
nog een hartaanval
van het idee dat de robot hem komt opeten.
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
Maar met een ander uiterlijk
en wat robuster
en wat robuster
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
kan het een goed gereedschap worden.
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
BG: Heel erg bedankt Auke en je team.
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
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