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Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Auke Ijspeert: Um robô que corre e nada como uma salamandra
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O roboticista Auke Ijspeert concebe bio-robôs, máquinas modeladas de acordo com animais reais que são capazes de enfrentar terrenos complicados e podiam aparecer em nossa casa nas páginas dum romance de ficção científica. O processo de criação destes robôs leva a autómatos melhores que podem ser usados para trabalhos no terreno, serviços, pesquisa e salvamento. Mas estes robôs não imitam apenas o mundo natural — ajudam-nos a perceber melhor a nossa biologia, revelando segredos anteriormente desconhecidos da espinal medula.
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
Este é o 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
O Pleurobot é um robô que concebemos
para imitar uma espécie de salamandras
para imitar uma espécie de salamandras
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
chamada Pleurodeles waltl.
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
O Pleurobot anda, como veem aqui
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
e, como verão depois, também nada.
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Podem perguntar:
"Porque é que conceberam esse robô?"
"Porque é que conceberam esse robô?"
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
Este robô foi concebido como
um instrumento científico
um instrumento científico
para a neurociência.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
Foi concebido em conjunto
com neurobiólogos
com neurobiólogos
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
para compreender como se movem os animais
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
e, em especial, como é que
a espinal medula controla a locomoção.
a espinal medula controla a locomoção.
Mas, quanto mais trabalho em bio-robótica,
00:41
But the more I work in biorobotics,
10
29560
1696
00:43
the more I'm really impressed
by animal locomotion.
by animal locomotion.
11
31280
2381
mais a locomoção animal me impressiona.
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 pensarem num golfinho a nadar,
num gato a correr ou a saltar,
num gato a correr ou a saltar,
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
ou mesmo em nós, seres humanos,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
quando fazemos "jogging"
ou jogamos ténis,
ou jogamos ténis,
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
são tudo coisas espantosas.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
O nosso sistema nervoso resolve
um problema de controlo muito complexo.
um problema de controlo muito complexo.
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
Tem que coordenar perfeitamente
mais ou menos 200 músculos,
mais ou menos 200 músculos,
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
porque, se a coordenação for má,
caímos ou movemo-nos mal.
caímos ou movemo-nos mal.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
O meu objetivo é compreender
como é que isto funciona.
como é que isto funciona.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Há quatro componentes principais
por detrás da locomoção animal.
por detrás da locomoção animal.
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
O primeiro componente é o corpo.
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
Nunca devemos subestimar
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
até que ponto a biomecânica
já simplifica a locomoção nos animais.
já simplifica a locomoção nos animais.
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
Depois, temos a espinal medula.
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
Na espinal medula, encontramos reflexos,
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
múltiplos reflexos que criam
um ciclo de coordenação sensoriomotora
um ciclo de coordenação sensoriomotora
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
entre a atividade neural da espinal medula
e a atividade mecânica.
e a atividade mecânica.
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
Um terceiro componente
são os geradores de padrões centrais.
são os geradores de padrões centrais.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
São circuitos muito interessantes
na espinal medula dos animais vertebrados
na espinal medula dos animais vertebrados
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
que podem gerar, por si só,
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
padrões rítmicos de atividade
muito coordenados
muito coordenados
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
enquanto recebem apenas
sinais de entrada muito simples.
sinais de entrada muito simples.
01:47
And these input signals
33
95720
1216
Estes sinais de entrada
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
vindos de modulação descendente
de partes mais altas do cérebro,
de partes mais altas do cérebro,
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
como o córtex motor,
o cerebelo, os gânglios basais,
o cerebelo, os gânglios basais,
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
vão modular a atividade
da espinal medula
da espinal medula
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
enquanto nos movemos.
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
O interessante é até que ponto
um componente de baixo nível,
um componente de baixo nível,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
a espinal medula, juntamente com o corpo,
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
resolve uma grande parte
do problema da locomoção.
do problema da locomoção.
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
Podemos cortar a cabeça a uma galinha
e ela continua a correr durante um bocado,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
mostrando que a parte inferior
da espinal medula e do corpo
da espinal medula e do corpo
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
resolve uma grande parte da locomoção.
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Compreender como é que isto funciona
é muito complicada,
é muito complicada,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
porque, primeiro que tudo,
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
é muito difícil registar a atividade
da espinal medula.
da espinal medula.
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
É mais fácil implantar elétrodos
no córtex motor
no córtex motor
do que na espinal medula, porque esta
está protegida pelas vértebras.
está protegida pelas vértebras.
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
Sobretudo nas pessoas,
é muito difícil de fazer.
é muito difícil de fazer.
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
Uma segunda dificuldade é que
a locomoção é devida a uma interação
a locomoção é devida a uma interação
muito complexa e muito dinâmica
entre estes quatro componentes.
entre estes quatro componentes.
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
Por isso, é muito difícil descobrir qual é
o papel de cada um, ao longo do tempo.
o papel de cada um, ao longo do tempo.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
É aqui que os bio-robôs, como o Pleurobot,
e os modelos matemáticos
e os modelos matemáticos
02:44
can really help.
55
152640
1200
podem ajudar.
Mas o que é a bio-robótica?
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
A bio-robótica é uma área de investigação
muito ativa, na robótica
muito ativa, na robótica
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
em que as pessoas se inspiram
nos animais
nos animais
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
para fazerem sair os robôs para a rua,
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
como robôs de serviços,
de pesquisa ou de salvamento,
de pesquisa ou de salvamento,
02:59
or field robots.
61
167160
1200
ou robôs de terreno.
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
O grande objetivo é
inspirar-se nos animais
inspirar-se nos animais
para fazer robôs que possam
andar em terrenos complexos
andar em terrenos complexos
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
— escadas, montanhas, florestas —
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
locais onde os robôs
ainda têm dificuldades
ainda têm dificuldades
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
e os animais podem fazer
um trabalho muito melhor.
um trabalho muito melhor.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
O robô pode ser um instrumento
científico maravilhoso.
científico maravilhoso.
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
Há projetos muito bons
em que se usam robôs,
em que se usam robôs,
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
como um instrumento científico
para a neurociência,
para a neurociência,
a biomecânica ou a hidrodinâmica.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
Este é exatamente o objetivo do Pleurobot.
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
No meu laboratório
colaboramos com neurobiólogos
colaboramos com neurobiólogos
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
como Jean-Marie Cabelguen,
um neurobiólogo de Bordéus, em França.
um neurobiólogo de Bordéus, em França.
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
Queremos fazer modelos de espinais medulas
e validá-los em robôs.
e validá-los em robôs.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
E queremos começar de modo simples.
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
Convém começar com animais simples
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
como as lampreias,
que são peixes muito primitivos.
que são peixes muito primitivos.
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
Depois avançar para uma locomoção
mais complexa,
mais complexa,
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
como a das salamandras,
mas também em gatos
mas também em gatos
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
em pessoas, em mamíferos.
03:45
in mammals.
80
213720
1200
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
Aí, um robô começa a ser
um instrumento interessante
um instrumento interessante
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
para validar os nossos modelos.
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
Para mim, o Pleurobot
é uma espécie de sonho tornado realidade.
é uma espécie de sonho tornado realidade.
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
Eu comecei a trabalhar num computador
mais ou menos há 20 anos,
mais ou menos há 20 anos,
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
fazendo uma simulação da locomoção
duma lampreia e duma salamandra,
duma lampreia e duma salamandra,
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
durante o meu doutoramento.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Mas sempre soube que as minhas simulações
não passavam de aproximações.
não passavam de aproximações.
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
Simular a física da água,
da lama ou dum solo complexo,
da lama ou dum solo complexo,
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
num computador, é muito difícil.
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
Porque não ter um robô real
e uma física real?
e uma física real?
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Entre todos esses animais,
um dos meus preferidos é a salamandra.
um dos meus preferidos é a salamandra.
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
Podem perguntar porquê.
É porque é um anfíbio.
É porque é um anfíbio.
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
É um verdadeiro animal-chave,
do ponto de vista evolutivo.
do ponto de vista evolutivo.
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
Constitui um elo maravilhoso
entre a natação,
entre a natação,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
como encontramos
nas enguias ou nos peixes.
nas enguias ou nos peixes.
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 a locomoção quadrúpede, como vemos
nos mamíferos, em gatos e nas pessoas.
nos mamíferos, em gatos e nas pessoas.
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
A salamandra moderna está muito próxima
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
dos primeiros vertebrados terrestres,
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
por isso é quase um fóssil vivo
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
que nos dá acesso ao nosso antepassado,
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
o antepassado de todos
os tetrápodes terrestres.
os tetrápodes terrestres.
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
A salamandra nada
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
fazendo uma marcha natatória anguiliforme,
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
propagando uma bela onda de atividade
muscular da cabeça até à cauda.
muscular da cabeça até à cauda.
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
Se colocarmos a salamandra no chão,
ela muda para uma marcha de trote.
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
Neste caso, temos uma ativação
periódica dos membros
periódica dos membros
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
que são coordenados perfeitamente
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
com a ondulação do corpo
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
e que é exatamente a marcha
que estão a ver no Pleurobot.
que estão a ver no Pleurobot.
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Uma coisa surpreendente e fascinante
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
é que tudo isso pode ser gerado
apenas pela espinal medula e pelo corpo.
apenas pela espinal medula e pelo corpo.
Se arranjarmos uma salamandra sem cérebro
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
— não é muito bonito,
mas cortamos-lhe a cabeça —
mas cortamos-lhe a cabeça —
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
e se estimularmos eletricamente
a espinal medula,
a espinal medula,
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
um nível baixo de estímulo
induzirá uma marcha tipo andar.
induzirá uma marcha tipo andar.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
Se estimularmos um pouco mais,
a marcha acelera.
a marcha acelera.
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
A certa altura, atinge-se um limiar
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
e, automaticamente,
o animal muda para nadar.
o animal muda para nadar.
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
É espantoso!
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
Basta mudar o impulso global,
como se carregássemos no acelerador,
como se carregássemos no acelerador,
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
da modulação descendente
da espinal medula,
da espinal medula,
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
e há uma mudança total
entre duas marchas muito diferentes.
entre duas marchas muito diferentes.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
Na verdade, podemos
observar o mesmo nos gatos.
observar o mesmo nos gatos.
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
Se estimularmos a espinal medula dum gato,
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
podemos mudar entre andar,
trotar e galopar.
trotar e galopar.
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
Ou nas aves, podemos fazer
com que uma ave mude
com que uma ave mude
entre o andar, com um nível
baixo de estímulo,
baixo de estímulo,
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
e bater as asas,
com um estímulo de alto nível.
com um estímulo de alto nível.
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
Isto mostra que a espinal medula
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
é um controlador da locomoção
muito sofisticado.
muito sofisticado.
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
Estudámos a locomoção da salamandra
com mais pormenor.
com mais pormenor.
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
Tivemos acesso a uma máquina
de vídeo de raios-X muito boa
de vídeo de raios-X muito boa
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
do Professor Martin Fischer
da Universidade Jena na Alemanha.
da Universidade Jena na Alemanha.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
Graças a isso,
temos uma máquina fantástica
temos uma máquina fantástica
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
para registar todo o movimento ósseo
com grande pormenor.
com grande pormenor.
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Foi o que fizemos.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
Descobrimos quais são os ossos
que são importantes para nós
que são importantes para nós
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
e registámos o seu movimento a 3D.
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
Reunimos toda uma base de dados
de movimentos
de movimentos
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
tanto no terreno como na água.
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
Reunimos uma base de dados
de comportamentos motores
de comportamentos motores
06:31
that a real animal can do.
144
379589
1244
que um animal pode fazer.
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
A nossa tarefa era reproduzir
isso no nosso robô.
isso no nosso robô.
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
Fizemos todo um processo de otimização
para encontrar a estrutura correta,
para encontrar a estrutura correta,
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
onde colocar os motores,
como ligá-los uns aos outros,
como ligá-los uns aos outros,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
para conseguir reproduzir
esses movimentos o melhor possível.
esses movimentos o melhor possível.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Foi assim que nasceu o 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
Vejamos como é parecido
com o animal real.
com o animal real.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
O que aqui veem é quase
uma comparação direta
uma comparação direta
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
entre o andar do animal real
e o Pleurobot.
e o 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
Podem ver que temos uma repetição
da marcha quase exata.
da marcha quase exata.
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
Se recuarem, ainda se vê melhor.
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Mas, melhor ainda, podemos pô-lo a nadar.
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
Para isso, temos um fato seco
com que envolvemos o robô...
com que envolvemos o robô...
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Risos)
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
... depois podemos pô-lo na água
e começar a repetir a marcha da natação.
e começar a repetir a marcha da natação.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
Ficámos muito satisfeitos,
porque isto também é difícil de fazer.
porque isto também é difícil de fazer.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
A física da interação é complexa.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
O nosso robô é muito maior
do que um pequeno animal,
do que um pequeno animal,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
por isso tivemos que fazer
um aumento dinâmico das frequências
um aumento dinâmico das frequências
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
para garantir que tínhamos
a mesma física de interação.
a mesma física de interação.
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
Veem que temos
uma parecença muito grande
uma parecença muito grande
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
e ficámos imensamente
satisfeitos com isso.
satisfeitos com isso.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Vamos então à espinal medula.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Com Jean-Marie Cabelguen,
fizemos o modelo dos circuitos
da espinal medula.
da espinal medula.
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
O interessante é que a salamandra
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
manteve um circuito muito 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
que é muito semelhante
ao que encontramos na lampreia,
ao que encontramos na lampreia,
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
esse peixe primitivo, tipo enguia,
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
e parece que, durante a evolução,
foram acrescentados
novos osciladores neurais,
novos osciladores neurais,
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
para controlar os membros,
para a locomoção das pernas.
para a locomoção das pernas.
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
Sabemos onde estão
esses osciladores neurais
esses osciladores neurais
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
mas fizemos um modelo matemático
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
para ver como devem ser acoplados
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
para permitir a transição entre
os dois tipos de marcha muito diferentes.
os dois tipos de marcha muito diferentes.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
Testámos isso integrado num robô.
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
É assim que se comporta.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
O que vemos aqui
é uma versão anterior do Pleurobot
é uma versão anterior do Pleurobot
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
que é totalmente controlada
pelo nosso modelo de espinal medula
pelo nosso modelo de espinal medula
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
programado no interior do robô.
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
A única coisa que fazemos
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
é enviar para o robô,
através dum telecomando
através dum telecomando
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
os dois sinais descendentes
que normalmente devia receber
que normalmente devia receber
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
da parte superior do cérebro.
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
O interessante é que,
jogando com estes sinais,
jogando com estes sinais,
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
podemos controlar totalmente
a velocidade, a direção e o tipo de marcha.
a velocidade, a direção e o tipo de marcha.
08:41
For instance,
192
509600
1216
Por exemplo,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
quando estimulamos a baixo nível,
temos a marcha de andar.
temos a marcha de andar.
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
A certa altura, se estimularmos mais,
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
muito rapidamente, ele muda
para o movimento de natação.
para o movimento de natação.
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
Por fim, também podemos fazê-lo
virar-se, muito facilmente,
virar-se, muito facilmente,
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
estimulando a espinal medula
mais dum lado do que o outro.
mais dum lado do que o outro.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Acho que é mesmo muito bonito
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
como a Natureza distribuiu o controlo
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
para dar tanta responsabilidade
à espinal medula
à espinal medula
de modo que a parte superior do cérebro
não se preocupe com todos os músculos.
não se preocupe com todos os músculos.
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
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
Só se preocupa
com esta modulação de alto nível.
com esta modulação de alto nível.
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
É de facto a tarefa da espinal medula
coordenar todos os músculos.
coordenar todos os músculos.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
Vamos agora à locomoção do gato
e à importância da biomecânica.
e à importância da biomecânica.
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Isto é outro projeto
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
em que estudámos a biomecânica do gato.
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
Quisemos ver até que ponto
a morfologia ajuda a locomoção.
a morfologia ajuda a locomoção.
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
Descobrimos três critérios importantes
nas propriedades dos membros.
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
O primeiro é que os membros dum gato
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
parecem-se mais ou menos
com uma estrutura tipo pantógrafo.
com uma estrutura tipo pantógrafo.
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
Um pantógrafo é uma estrutura mecânica
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
que mantém sempre em paralelo
o segmento superior
e os segmentos inferiores.
e os segmentos inferiores.
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
É um simples sistema geométrico
que coordena um pouco
que coordena um pouco
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
o movimento interno dos segmentos.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
A segunda propriedade dos membros do gato
é que têm muito pouco peso.
é que têm muito pouco peso.
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
A maior parte dos músculos
estão no tronco,
estão no tronco,
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
o que é bom, porque os membros
ficam com uma inércia baixa
ficam com uma inércia baixa
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
e podem mover-se muito 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
A última propriedade importante
é o comportamento muito elástico
dos membros do gato
dos membros do gato
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
que gerem os impactos e as forças.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
É aquilo a que chamamos o Cheetah-Cub.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
Vamos convidar o Cheetah-Cub
a subir ao palco.
a subir ao 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
Este é Peter Eckert,
que faz o doutoramento com este robô.
que faz o doutoramento com este robô.
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
Como veem, é um pequeno robô amoroso.
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
Parece um brinquedo,
mas é usado como instrumento científico
mas é usado como instrumento científico
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
para investigar estas propriedades
das pernas do gato.
das pernas do gato.
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Como veem, é muito obediente, muito leve
e também muito elástico.
e também muito elástico.
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
por isso podemos pressioná-lo
que ele não se parte.
que ele não se parte.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
Apenas salta.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
Esta propriedade muito elástica
também é muito importante.
também é muito importante.
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
Também veem um pouco estas propriedades
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
destes três segmentos
da perna, como um pantógrafo.
da perna, como um pantógrafo.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
O interessante é que `
esta marcha muito dinâmica
esta marcha muito dinâmica
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
se obtém apenas num ciclo aberto,
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
ou seja, não há sensores,
não há ciclos complexos de "feedback".
não há ciclos complexos de "feedback".
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
E é interessante, porque significa
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
que a mecânica já estabilizou
esta marcha muito rápida
esta marcha muito rápida
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
e uma mecânica muito boa
já simplifica a locomoção,
já simplifica a locomoção,
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
até ao ponto de que podemos
perturbar um pouco a locomoção,
perturbar um pouco a locomoção,
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
como verão no próximo vídeo,
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
em que, por exemplo,
fazemos o robô descer um degrau
fazemos o robô descer um degrau
e o robô não cairá,
o que, para nós, foi uma surpresa.
o que, para nós, foi uma surpresa.
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
Esta é uma pequena perturbação.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
Eu estava à espera que o robô
caísse imediatamente,
caísse imediatamente,
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
porque não há sensores,
não há "feedback" da velocidade.
não há "feedback" da velocidade.
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
Mas não, bastou a mecânica
para estabilizar a marcha
para estabilizar a marcha
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
e o robô não cai.
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Obviamente, se o degrau for maior
e tivermos obstáculos,
e tivermos obstáculos,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
serão necessários todos os ciclos
de controlo e os reflexos.
de controlo e os reflexos.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Mas o importante aqui
é que, para uma pequena perturbação,
é que, para uma pequena perturbação,
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
a mecânica chega.
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
Penso que isto é uma mensagem
muito importante
muito importante
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
da biomecânica e da robótica
para a neurociência,
para a neurociência,
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
dizendo que não devemos subestimar
até que ponto o corpo já ajuda
a locomoção.
a locomoção.
Ora bem, como é que isto
se relaciona com a locomoção humana?
se relaciona com a locomoção humana?
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
A locomoção humana é mais complexa
do que a locomoção do gato
e da salamandra,
e da salamandra,
mas, ao mesmo tempo, o sistema nervoso
do ser humano é muito semelhante
do ser humano é muito semelhante
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
ao dos outros vertebrados.
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
Especialmente, a espinal medula
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
também é o controlador-chave
da locomoção nos seres humanos.
da locomoção nos seres humanos.
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
É por isso que,
se há uma lesão na espinal medula
se há uma lesão na espinal medula
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
os efeitos são dramáticos.
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
A pessoa pode ficar paraplégica
ou tetraplégica,
ou tetraplégica,
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
porque o cérebro perde a comunicação
com a espinal medula.
com a espinal medula.
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
Em especial, perde
esta modulação descendente
esta modulação descendente
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
para iniciar e modular a locomoção.
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
Um grande objetivo da prostética neural
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
é poder reativar essa comunicação
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
usando estímulos elétricos ou químicos.
Há várias equipas no mundo
que fazem exatamente isso,
que fazem exatamente isso,
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
especialmente na Escola Politécnica
Federal de Lausana.
Federal de Lausana.
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
Os meus colegas Grégoire Courtine
e Silvestro Micera,
e Silvestro Micera,
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
com quem eu colaboro.
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Fazer isto como deve ser
é muito importante para compreender
é muito importante para compreender
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
como funciona a espinal medula,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
como interage com o corpo,
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
e como o cérebro comunica
com a espinal medula.
com a espinal medula.
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
É aqui que os robôs e os modelos
que apresentei hoje
que apresentei hoje
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
desempenham, esperemos,
um papel fundamental
um papel fundamental
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
para esses objetivos muito importantes.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Obrigado.
12:54
(Applause)
287
762560
4560
(Aplausos)
13:04
Bruno Giussani: Auke, I've seen
in your lab other robots
in your lab other robots
288
772100
2636
Bruno Giussani: Auke,
vi outros robôs no seu laboratório
vi outros robôs no seu laboratório
13:06
that do things like swim in pollution
289
774760
2456
que fazem coisas como nadar na poluição
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
e medir a poluição, enquanto nadam.
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Mas este aqui,
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
que referiu na sua palestra,
como um projeto lateral,
como um projeto lateral,
pesquisa e salva,
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
e tem uma câmara no nariz.
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Auke Ijspeert: Pois é.
Temos alguns projetos subsidiários
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
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
em que gostaríamos de usar os robôs
para pesquisa e inspeção de salvamento.
para pesquisa e inspeção de salvamento.
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
Este robô está agora a vê-lo.
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
O grande sonho é que,
se houver uma situação difícil,
se houver uma situação difícil,
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
como um edifício que ruiu,
ou um edifício que está inundado,
ou um edifício que está inundado,
e seja muito perigoso para uma equipa
de salvamento ou para cães de salvamento,
de salvamento ou para cães de salvamento,
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
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
porque não enviar um robô
que pode rastejar, nadar, andar
que pode rastejar, nadar, andar
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
com uma câmara incorporada para
inspecionar e identificar sobreviventes
inspecionar e identificar sobreviventes
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
e criar uma ligação
de comunicação com o sobrevivente.
de comunicação com o sobrevivente.
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: Presumindo que os sobreviventes
não se assustem com a forma disto.
não se assustem com a forma disto.
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
AI: Sim, provavelmente temos que mudar
um pouco o aspeto.
um pouco o aspeto.
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
Acho que um sobrevivente pode morrer
com um ataque de coração
com um ataque de coração
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
com medo de ser comido por ele.
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
Mas, se mudarmos o aspeto
e o tornarmos mais robusto,
e o tornarmos mais robusto,
certamente podemos fazer dele
um bom instrumento.
um bom instrumento.
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
BG: Muito obrigado.
Obrigado a si e à sua equipa.
Obrigado a si e à sua equipa.
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