TEDGlobal>Geneva
Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Ак Ісперт: Робот, який бігає і плаває як саламандра
Filmed:
Readability: 4.8
2,016,271 views
Робототехнік Ак Ісперт розробляє біороботів - машини, спроектовані за подобою тварин, які здатні пересуватися у складних середовищах і нагадують персонажів науково-фантастичних книжок. Результатом такого проектування і розробки є кращі ро́боти, які можуть виконувати повсякденні, сільськогосподарські або пошуково-рятувальні завдання. Але ці роботи не просто імітують живу природу - вони допомагають нам краще зрозуміти нашу власну біологію, розкриваючи невідомі таємниці спинного мозку.
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
Це - Плевробот.
00:15
Pleurobot is a robot that we designed
to closely mimic a salamander species
to closely mimic a salamander species
1
3400
3616
Робот, якого ми розробляли, копіюючи
представника родини саламандрових,
представника родини саламандрових,
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
що зветься Тритон ребристий.
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
Плевробот може ходити, як бачите,
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
і, як побачите згодом, він також плаває.
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Ви запитаєте, навіщо ми
створили цього робота.
створили цього робота.
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
Фактично, робот був створений
як науковий інструмент для нейронауки.
як науковий інструмент для нейронауки.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
Насправді, ми розробляли його
разом з нейробіологами,
разом з нейробіологами,
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
щоб зрозуміти, як рухаються тварини,
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
а особливо - як спинний мозок
керує пересуванням.
керує пересуванням.
Та що довше я працюю в біороботиці,
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
то більше захоплююсь
рухом тварин.
рухом тварин.
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
Якщо подумати про те, як пливе дельфін,
як біжить або стрибає кіт,
як біжить або стрибає кіт,
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
або навіть як ми, люди, рухаємось
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
під час пробіжки або гри в теніс, -
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
ми робимо дивовижні речі.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
Фактично, наша нервова система виконує
дуже складне завдання контролю.
дуже складне завдання контролю.
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
Вона мусить бездоганно координувати
близько 200 м’язів,
близько 200 м’язів,
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
бо, коли координація кепська -
ми падаємо або погано пересуваємось.
ми падаємо або погано пересуваємось.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
Моя мета - зрозуміти, як це працює.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Є 4 головних компоненти, що лежать
в основі пересування тварин.
в основі пересування тварин.
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
Перший - саме́ тіло,
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
і, насправді, не варто недооцінювати,
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
наскільки будова тіла вже сама по собі
спрощує рух тварини.
спрощує рух тварини.
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
Наступний - спинний мозок,
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
який відповідає за рефлекси,
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
численні рефлекси, котрі уможливлюють
сенсомоторний зворотний зв’язок
сенсомоторний зворотний зв’язок
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
між нервовою активністю спинного мозку
та руховою активністю.
та руховою активністю.
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
Третє - центральні генератори
впорядкованої активності.
впорядкованої активності.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
Це дуже цікаві структури
в спинному мозку хребетних тварин,
в спинному мозку хребетних тварин,
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
які можуть самостійно генерувати
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
дуже синхронні ритмічні
команди моторної активності,
команди моторної активності,
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
отримуючи лише дуже прості вхідні сигнали.
01:47
And these input signals
33
95720
1216
Ці вхідні сигнали -
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
це модулюючі команди
з різних ділянок кори головного мозку,
з різних ділянок кори головного мозку,
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
таких як моторна кора,
мо́зочок, базальні ганглії.
мо́зочок, базальні ганглії.
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
Усі вони модулюють
активність спинного мозку
активність спинного мозку
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
коли ми пересуваємось.
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
Але цікаво те, наскільки
сам лише базовий компонент -
сам лише базовий компонент -
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
спинний мозок разом з тілом -
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
значною мірою вирішує
це завдання з пересування.
це завдання з пересування.
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
Вам це, напевно, відомо з того факту,
що коли курці відрубують голову,
що коли курці відрубують голову,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
то вона ще певний час бігає.
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
Це свідчить, що самі лише
спинний мозок і тіло
спинний мозок і тіло
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
значною мірою контролюють пересування.
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Зрозуміти, як це працює, дуже непросто,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
бо, по-перше,
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
реєструвати активність у спинному мозку
дуже складно.
дуже складно.
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
Набагато простіше імплантувати
електроди в моторну кору,
електроди в моторну кору,
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
ніж у спинний мозок,
бо він захищений хребтом.
бо він захищений хребтом.
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
Це дуже складно, особливо у людей.
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
Друга перешкода в тому, що пересування
є результатом дуже складної
є результатом дуже складної
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
і дуже динамічної взаємодії
цих чотирьох компонентів.
цих чотирьох компонентів.
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
Тож дуже важко з’ясувати, як роль
кожного з них змінюється в часі.
кожного з них змінюється в часі.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
І ось тут біороботи, такі як Плевробот,
і математичні моделі
і математичні моделі
02:44
can really help.
55
152640
1200
можуть дуже допомогти.
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
Отже, що таке біороботика?
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
Біороботика - це дуже активна
галузь робототехніки,
галузь робототехніки,
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
де люди шукають натхнення
у тваринному світі,
у тваринному світі,
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
створюючи роботів,
які могли б працювати надворі,
які могли б працювати надворі,
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
наприклад, роботів-помічників,
або пошуково-рятувальних
або пошуково-рятувальних
02:59
or field robots.
61
167160
1200
або сільгосп-роботів.
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
Мета - наслідуючи тварин,
створювати роботів,
створювати роботів,
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
які зможуть пересуватися
у складному середовищі -
у складному середовищі -
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
по сходах, у горах і лісах -
там, де роботи почуваються
ще не дуже впевнено,
ще не дуже впевнено,
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
а тварини пересуваються набагато краще.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
Робот також може бути
чудовим науковим знаряддям.
чудовим науковим знаряддям.
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
Є дуже хороші проекти,
де роботи використовуються
де роботи використовуються
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
як наукові знаряддя для нейронауки,
біомеханіки або гідродинаміки.
біомеханіки або гідродинаміки.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
Саме таке призначення має і Плевробот.
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
Тож у моїй лабораторії
ми співпрацюємо з нейробіологами,
ми співпрацюємо з нейробіологами,
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
такими як Жан-Марі Кабельґен,
нейробіологом з Бордо, Франції,
нейробіологом з Бордо, Франції,
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
ми створюємо моделі спинного мозку
і перевіряємо їх на роботах.
і перевіряємо їх на роботах.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
І тут варто починати з простого.
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
Отже, найкраще почати з простих тварин,
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
таких як мінога, яка є
дуже примітивною рибою,
дуже примітивною рибою,
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
а тоді поступово переходити
до складніших рухів,
до складніших рухів,
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
таких як у саламандри,
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
як у котів і людей,
03:45
in mammals.
80
213720
1200
у ссавців.
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
І тут робот стає цікавим знаряддям
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
для перевірки наших моделей.
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
Насправді, для мене Плевробот -
це ніби здійснення мрії.
це ніби здійснення мрії.
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
Близько 20 років тому
я вже створював
я вже створював
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
комп’ютерні моделі
рухів міноги і саламандри,
рухів міноги і саламандри,
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
працюючи над дисертацією.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Але я завжди знав, що мої моделі
були всього лиш наближеннями.
були всього лиш наближеннями.
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
Так само, як з фізичними процесами
у воді, мулові або складних сумішах,
у воді, мулові або складних сумішах,
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
дуже складно моделювати
такі рухи на комп’ютері.
такі рухи на комп’ютері.
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
Чому б не зробити фізичну модель - робота?
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Отже, з усіх цих тварин,
однією з моїх улюблених є саламандра.
однією з моїх улюблених є саламандра.
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
Ви можете запитати, чому.
А тому, що вона, як амфібія,
А тому, що вона, як амфібія,
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
є справді ключовою твариною
з еволюційної точки зору.
з еволюційної точки зору.
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
Вона - чудова сполучна ланка
між плаванням,
між плаванням,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
таким як у в’юнів або риб,
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
і чотириногим пересуванням,
таким як у ссавців, котів і людей.
таким як у ссавців, котів і людей.
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
І, фактично, сучасна саламандра
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
дуже подібна до перших
наземних хребетних,
наземних хребетних,
тож це ніби жива викопна тварина,
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
через яку ми маємо доступ
до нашого предка -
до нашого предка -
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
предка усіх наземних чотириногих.
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
Отже, саламандра пливе,
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
використовуючи
змієподібний плавальний алюр,
змієподібний плавальний алюр,
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
тобто хвиля м’язової активності
плавно рухається від голови до хвоста.
плавно рухається від голови до хвоста.
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
А якщо поставити саламандру на землю,
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
вона перейде на швидку ходу.
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
В цьому режимі ми бачимо точні
періодичні рухи кінцівок,
періодичні рухи кінцівок,
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
які дуже добре узгоджені з
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
хвилеподібними рухами тіла,
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
і це саме той алюр, який ви
бачите тут, у Плевробота.
бачите тут, у Плевробота.
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Несподіваним і захопливим
є те, що все це
є те, що все це
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
може генеруватися самими лише
спинним мозком і тілом.
спинним мозком і тілом.
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
Тож, якщо децеребрувати саламандру -
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
видалити голову, хоч це й неприємно -
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
і електрично стимулювати спинний мозок,
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
то слабка стимуляція спричинятиме
рух ступо́ю, найповільнішим алюром.
рух ступо́ю, найповільнішим алюром.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
Якщо стимулювати трохи сильніше,
алюр прискориться.
алюр прискориться.
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
У певну мить досягається поріг,
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
і тварина автоматично
переходить на плавання.
переходить на плавання.
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
Це дивовижно.
Проста зміна загального сигналу,
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
подібно до натискання педалі газу,
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
модулюючої стимуляції спинного мозку,
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
спричиняє повне перемикання
між двома дуже різними алюрами.
між двома дуже різними алюрами.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
Те саме спостерігається і в котів.
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
Якщо стимулювати спинний мозок кота,
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
можна перемикати його на
ходу, ристь і галоп.
ходу, ристь і галоп.
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
У випадку птахів, слабка стимуляція
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
змушує птаха ходити,
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
а сильна стимуляція - махати крилами.
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
Це, насправді, засвідчує, що спинний мозок
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
це дуже складний контро́лер пересування.
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
Ми дослідили пересування
саламандри детальніше,
саламандри детальніше,
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
використовуючи чудову
рентгенівську відеоустановку,
рентгенівську відеоустановку,
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
надану професором Мартином Фішером
з університету Єни в Німеччині.
з університету Єни в Німеччині.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
І завдяки цьому ми мали
дивовижний пристрій
дивовижний пристрій
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
для дуже точного запису
усіх рухів кісток.
усіх рухів кісток.
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Тож ось що ми зробили.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
По суті, ми визначили,
які кістки нас цікавлять,
які кістки нас цікавлять,
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
і зробили тривимірний запис їхніх рухів.
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
Потім ми зібрали базу даних рухів,
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
як на землі, так і у воді,
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
щоб створити повну базу даних
моторних поведінок,
моторних поведінок,
доступних справжній тварині.
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
А потім ми, робототехніки, мали
відтворити це у нашому ро́боті.
відтворити це у нашому ро́боті.
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
Ми проробили величезну робо́ту,
щоб визначити оптимальну структуру,
щоб визначити оптимальну структуру,
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
з’ясувати, де розмістити двигуни,
як з’єднати їх докупи,
як з’єднати їх докупи,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
щоб відтворити ці рухи
так добре, як тільки можливо.
так добре, як тільки можливо.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Так і з’явився Плевробот.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Отже, погляньмо, наскільки
він подібний до живої тварини.
він подібний до живої тварини.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
Тут ви бачите майже точне порівняння
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
рухів живої тварини і Плевробота.
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
Ви бачите, що тут у нас
майже повна відповідність
майже повна відповідність
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
рухів повільного алюру.
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
Повільне зворотнє відтворення
ще краще це демонструє.
ще краще це демонструє.
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Ба більше - ми можемо плавати.
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
Для цього ми вдягаємо робота
у водонепроникний костюм -
у водонепроникний костюм -
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Сміх)
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
тоді пускаємо його у воду
і відтворюємо алюри плавання.
і відтворюємо алюри плавання.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
І тут ми були дуже щасливі,
бо це дуже важко зробити.
бо це дуже важко зробити.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
Фізика взаємодії складна.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
Наш робот значно більший
за маленьку тварину,
за маленьку тварину,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
тож нам довелося виконати
динамічне масштабування частот
динамічне масштабування частот
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
щоб мати ту саму фізику взаємодії,
але, врешті-решт, ми досягли
дуже точного відтворення
дуже точного відтворення
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
і були від того дуже щасливі.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Отже, погляньмо на спинний мозок.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Тут ми, разом з Жаном-Марі Кабельґеном,
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
змоделювали схему
спинного мозку.
спинного мозку.
Цікаво, що у саламандри
збереглася дуже примітивна
збереглася дуже примітивна
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
організація нервової системи,
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
дуже подібна до тієї,
яку ми бачимо у міноги,
яку ми бачимо у міноги,
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
примітивної вугроподібної риби,
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
і схоже, що в перебігу еволюції
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
додавалися нові нервові осцилятори,
щоб керувати кінцівками,
щоб керувати кінцівками,
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
і з їхньою допомогою пересуватися.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
Ми знаємо, де розташовані ці осцилятори,
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
але ще зробили математичну модель,
аби зрозуміти, як вони мають з’єднуватись,
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
щоб уможливити це перемикання
між двома дуже різними алюрами.
між двома дуже різними алюрами.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
І ми випробували цю модель на роботі.
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
Тож ось як це виглядає.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
Тут ви бачите попередню версію Плевробота,
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
який цілком контролюється
нашою моделлю спинного мозку,
нашою моделлю спинного мозку,
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
записаною в пам’ять робота.
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
Єдине, що ми робимо -
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
надсилаємо через дистанційне керування
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
два сигнали, які тварина має отримувати
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
від головного мозку.
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
Цікаво, що змінюючи ці сигнали,
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
ми можемо цілком контролювати
швидкість, напрямок і тип алюру.
швидкість, напрямок і тип алюру.
08:41
For instance,
192
509600
1216
Наприклад,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
коли стимуляція слабка,
ми бачимо звичайну ходу,
ми бачимо звичайну ходу,
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
а коли стимуляція сильна, в певну мить
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
алюр дуже швидко змінюється на плавання.
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
І нарешті, ми також можемо
дуже добре робити повороти,
дуже добре робити повороти,
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
просто стимулюючи один бік спинного мозку
більше ніж інший.
більше ніж інший.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Я вважаю справді дивовижним
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
те, як природа розподілила керування,
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
поклавши значну частину обов’язків
на спинний мозок,
на спинний мозок,
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
щоб головний мозок не мав
хвилюватися про кожен м’яз.
хвилюватися про кожен м’яз.
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
Він має хвилюватися лише
про високорівневу модуляцію,
про високорівневу модуляцію,
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
а робота спинного мозку -
координувати усі м’язи.
координувати усі м’язи.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
А тепер погляньмо на пересування котів
і на важливість біомеханіки.
і на важливість біомеханіки.
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Це ще один наш проект,
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
в якому ми вивчали котячу біомеханіку
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
і хотіли з’ясувати, наскільки
будова допомагає пересуванню.
будова допомагає пересуванню.
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
Ми виявили три важливих критерії
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
у властивостях кінцівок.
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
Перша - кінцівка кота -
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
це конструкція, більш-менш
подібна до пантографа.
подібна до пантографа.
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
Пантограф - це механічна конструкція,
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
в якій верхній і нижній сегменти
завжди паралельні.
завжди паралельні.
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
Проста геометрична система,
яка узгоджує
яка узгоджує
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
внутрішні рухи сегментів.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
Друга властивість котячих кінцівок -
вони дуже легкі.
вони дуже легкі.
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
Більшість м’язів зосереджено в тулубі,
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
і це хороша ідея, бо тоді
кінцівки мають малу інерцію
кінцівки мають малу інерцію
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
і можуть рухатись дуже швидко.
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
Остання, і дуже важлива властивість, -
надзвичайна пружність котячої кінцівки,
надзвичайна пружність котячої кінцівки,
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
щоб витримувати удари
і великі навантаження.
і великі навантаження.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
Саме таким ми й створили робота
Малюка Гепарда.
Малюка Гепарда.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
Отже, запрошуємо Малюка Гепарда на сцену.
Це - Пітер Екерт, який працює
над дисертацією, присвяченою цьому роботу,
над дисертацією, присвяченою цьому роботу,
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
і, як бачите,
це гарненький маленький робот.
це гарненький маленький робот.
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
Трохи схожий на іграшку,
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
але, насправді, це науковий інструмент,
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
який допомагав досліджувати
властивості котячих лап.
властивості котячих лап.
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Отже, як бачите,
він дуже податливий, дуже легкий,
він дуже податливий, дуже легкий,
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
а також дуже пружний,
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
тож його можна спокійно притиснути,
і він не зламається.
і він не зламається.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
Натомість, він просто стрибне.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
Ця пружна властивість
також дуже важлива.
також дуже важлива.
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
Також, можна побачити властивості
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
пантографа у цих трьох сегментах лапи.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
Цікаво те, що цей досить динамічний алюр
досягається винятково
статичним керуванням,
статичним керуванням,
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
тобто без сенсорів, без складних циклів
зворотного зв’язку.
зворотного зв’язку.
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
І це цікаво, бо це означає,
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
що сама лише механіка стабілізує
цей досить швидкий алюр
цей досить швидкий алюр
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
і, що справді хороша механіка
вже сама собою спрощує пересування
вже сама собою спрощує пересування
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
настільки, що ми навіть можемо
трохи ускладнити пересування,
трохи ускладнити пересування,
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
як ви побачите у наступному відео,
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
де ми, наприклад, даємо ро́боту завдання
в процесі бігу зіскочити зі сходинки -
в процесі бігу зіскочити зі сходинки -
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
і робот не падає,
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
що було для нас несподіванкою.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
Це маленька перешкода.
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
Я очікував, що робот відразу впаде, бо
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
він не має сенсорів
і швидкого зворотного зв’язку.
і швидкого зворотного зв’язку.
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
Але ж ні. Сама механіка
стабілізує рух,
стабілізує рух,
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
і робот не падає.
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Звісно, якщо збільшити крок
і додати перешкод,
і додати перешкод,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
знадобиться повноцінне динамічне
керування, рефлекси і таке інше.
керування, рефлекси і таке інше.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Але тут важливо те, що для
подолання невеликих перешкод
подолання невеликих перешкод
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
механіка працює.
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
І, я думаю, це дуже важливий сигнал, який
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
біомеханіка і робототехніка
надсилають нейронауці -
надсилають нейронауці -
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
не варто недооцінювати того
наскільки тіло сприяє пересуванню.
наскільки тіло сприяє пересуванню.
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
Як це стосується людського пересування?
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
Безсумнівно, людське пересування
складніше ніж у кота й саламандри,
складніше ніж у кота й саламандри,
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
але, водночас, нервові системи
людини й інших хребетних
людини й інших хребетних
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
дуже подібні.
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
Особливо спинний мозок,
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
який у людей також є
контро́лером пересування.
контро́лером пересування.
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
Ось чому ушкодження спинного мозку
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
має катастрофічні наслідки,
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
спричиняючи параліч нижніх
або усіх чотирьох кінцівок.
або усіх чотирьох кінцівок.
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
Це тому, що головний мозок
втрачає зв’язок
втрачає зв’язок
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
зі спинним мозком.
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
Зокрема, він не може
здійснювати модуляцію,
здійснювати модуляцію,
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
щоб ініціювати і модулювати пересування.
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
Тож велика мета нейропротезування -
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
навчитися відновлювати цей зв’язок,
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
використовуючи електричну
або хімічну стимуляцію.
або хімічну стимуляцію.
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
У світі є кілька дослідницьких груп,
які займаються саме цим.
які займаються саме цим.
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
Зокрема в EPFL,
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
мої колеги Ґреґуа Кортін
та Сильвестро Мічера,
та Сильвестро Мічера,
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
з якими я співпрацюю.
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Але, щоб зробити це правильно,
дуже важливо зрозуміти,
дуже важливо зрозуміти,
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
як працює спинний мозок,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
як він взаємодіє з тілом,
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
і як головний мозок
комунікує зі спинним мозком.
комунікує зі спинним мозком.
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
Саме тут ро́боти й моделі,
які я сьогодні показував,
які я сьогодні показував,
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
сподіваюсь, гратимуть ключову роль
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
для досягнення цих дуже важливих цілей.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Дякую.
12:54
(Applause)
287
762560
4560
(Оплески)
Бруно Ґіссані: Ак, у вашій лабораторії
я бачив інших роботів,
я бачив інших роботів,
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
які, можуть плавати
у забрудненому середовищі
у забрудненому середовищі
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
і при цьому вимірювати рівень забруднення.
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Але про цього робота
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
ви згадали у своїй промові,
як про побічний проект,
як про побічний проект,
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
пошуково-рятувальний.
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
І в нього є камера на носі.
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Ак Ісперт: Саме так.
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
У нас є деякі побічні проекти,
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
де ми хочемо, щоб ро́боти виконували
пошуково-рятувальні функції.
пошуково-рятувальні функції.
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
Отже, цей робот зараз бачить вас.
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
Ми мріємо про те, щоб
при надзвичайних подіях,
при надзвичайних подіях,
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
наприклад, при руйнуванні
або затопленні будинку,
або затопленні будинку,
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
коли небезпека для пошукової групи
або навіть собаки дуже велика,
або навіть собаки дуже велика,
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
ми могли б послати робота,
який би повзав, плавав, ходив
який би повзав, плавав, ходив
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
з камерою на борту, щоб провести
обстеження, знайти вцілілих
обстеження, знайти вцілілих
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
і, можливо, встановити зв’язок
з постраждалим.
з постраждалим.
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
БҐ: Звичайно, якщо припустити,
що постраждалий не злякається його.
що постраждалий не злякається його.
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
АІ: Так, напевно, нам варто трохи
змінити його вигляд,
змінити його вигляд,
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
бо, я гадаю, постраждалий
може вмерти від серцевого нападу,
може вмерти від серцевого нападу,
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
злякавшись, що ця істота хоче його з’їсти.
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
Але, якщо змінити вигляд
і зробити його міцнішим,
і зробити його міцнішим,
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
я певен, з нього вийде добрий рятувальник.
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
БҐ: Дуже вам дякую.
Вам і вашій команді.
Вам і вашій команді.
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