ABOUT THE SPEAKER
Auke Ijspeert - Roboticist
Auke 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.

More profile about the speaker
Auke Ijspeert | Speaker | TED.com
TEDGlobal>Geneva

Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander

奧克.捷思皮爾: 一個出水能跑,入水能游的蜥蜴機械人

Filmed:
2,016,271 views

機械設計學家奧克.捷思皮爾( Auke Ijspeert)設計機械生物,就是那種可以模擬真實動物的機器人,它能夠處理複雜的場地,而且即將像科幻小說一樣出現在我們家裡。在創造這些機械生物的過程中,製造這些機器人的過程,引領出了更好的自動裝置,可以用於農耕、服務、搜索和救援。這些機械人不單只是模倣自然世界,同時亦幫助我們更認識我們的生物,解開了一些前所未知有關於脊髓的秘密。
- Roboticist
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 PleurobotPleurobot.
0
760
1840
這是機械蠑螈,
機械蠑螈是一種遙控機具,
我們設計時,高度模擬了一類
00:15
PleurobotPleurobot is a robot機器人 that we designed設計
to closely密切 mimic模仿者 a salamander species種類
1
3400
3616
00:19
called PleurodelesPleurodeles waltlwaltl.
2
7040
1400
稱為歐非肋突螈的兩棲類。
你可以看到,機械蠑螈能夠走路,
00:21
PleurobotPleurobot can walk步行, as you can see here,
3
9240
2256
00:23
and as you'll你會 see later後來, it can also swim游泳.
4
11520
2040
稍後你也會看到,它會游泳,
你可能會問,我們為甚麼要
設計這一類的遙控機械?
00:26
So you might威力 ask,
why did we design設計 this robot機器人?
5
14280
2191
事實上,這具機械是設計來
作為腦神經研究的科研工具。
00:28
And in fact事實, this robot機器人 has been designed設計
as a scientific科學 tool工具 for neuroscience神經科學.
6
16960
3762
我們也確實在設計的時候,
夥同腦神經學家們
00:33
Indeed確實, we designed設計 it
together一起 with neurobiologists神經生物學家
7
21400
2496
00:35
to understand理解 how animals動物 move移動,
8
23920
1896
去理解動物怎樣律動,
尤其去理解脊髓如何控制肢體行動。
00:37
and especially特別 how the spinal cord
controls控制 locomotion運動.
9
25840
2760
但當我在機械生物做出愈多的研究,
00:41
But the more I work in biorobotics生物機器人,
10
29560
1696
00:43
the more I'm really impressed印象深刻
by animal動物 locomotion運動.
11
31280
2381
我愈訝異於動物的肢體行動。
請你想像一下,一隻海豚的游泳
或一隻貓兒的奔跑跳躍,
00:45
If you think of a dolphin海豚 swimming游泳的
or a cat running賽跑 or jumping跳躍 around,
12
33920
4296
或甚至是我們人類
00:50
or even us as humans人類,
13
38240
1576
在慢跑或打網球時,
00:51
when you go jogging跑步 or play tennis網球,
14
39840
1816
00:53
we do amazing驚人 things.
15
41680
1240
我們是在做驚奇的事情。
事實上,我們的神經系統解決了
一個非常非常複雜的控制問題。
00:55
And in fact事實, our nervous緊張 system系統 solves解決了
a very, very complex複雜 control控制 problem問題.
16
43880
4136
01:00
It has to coordinate坐標
more or less 200 muscles肌肉 perfectly完美,
17
48040
3096
它需要完美得協調
大約二百組肌肉,
如果協調得不好,
我們會摔倒,或行動得蹩扭。
01:03
because if the coordination協調 is bad,
we fall秋季 over or we do bad locomotion運動.
18
51160
3680
而我的目標就是要理解這是如何運作的。
01:07
And my goal目標 is to understand理解
how this works作品.
19
55560
2720
動物的肢體行動,
有四個主要元件。
01:11
There are four main主要 components組件
behind背後 animal動物 locomotion運動.
20
59160
2840
第一個元件就是身體,
01:14
The first component零件 is just the body身體,
21
62800
1936
01:16
and in fact事實 we should never underestimate低估
22
64760
1976
事實上,我們都不應該低估
01:18
to what extent程度 the biomechanics生物力學
already已經 simplify簡化 locomotion運動 in animals動物.
23
66760
3480
生物力學已經簡化動物的
肢體行動到哪種程度。
第二個元件就是脊髓,
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
01:24
and in the spinal cord you find reflexes反射,
25
72400
1976
你在脊髓裡可以找到反射作用,
01:26
multiple reflexes反射 that create創建
a sensorimotor感覺 coordination協調 loop循環
26
74400
3456
多重反射作用會在脊髓的神經活動
與機械活動之間
01:29
between之間 neural神經 activity活動 in the spinal cord
and mechanical機械 activity活動.
27
77880
3480
產生出一種
感知運動的協調迴路,
第三個元件是中樞模式產生器。
01:34
A third第三 component零件
are central中央 pattern模式 generators發電機.
28
82000
2976
01:37
These are very interesting有趣 circuits電路
in the spinal cord of vertebrate脊椎動物 animals動物
29
85000
3896
這些非常有趣的迴路,
存在於脊椎動物的脊髓裏,
01:40
that can generate生成, by themselves他們自己,
30
88920
1616
當它接收到非常簡單的輸入訊號時,
01:42
very coordinated協調
rhythmic有板有眼 patterns模式 of activity活動
31
90560
2736
它們可以自己產生出
01:45
while receiving接收
only very simple簡單 input輸入 signals信號.
32
93320
2376
非常協調且有節奏感的運動,
01:47
And these input輸入 signals信號
33
95720
1216
而這些輸入訊號,
01:48
coming未來 from descending modulation調製
from higher更高 parts部分 of the brain,
34
96960
3056
就是從大腦內較高部位
發射出來的「下行性調控」訊號,
01:52
like the motor發動機 cortex皮質,
the cerebellum小腦, the basal基礎 ganglia神經節,
35
100040
2696
就如同運動皮質層、
小腦,基底核一樣,
01:54
will all modulate調製 activity活動
of the spinal cord
36
102760
2136
而當我們在做肢體活動的時候,
01:56
while we do locomotion運動.
37
104920
1456
它能夠調控脊髓的所有活動。
01:58
But what's interesting有趣 is to what extent程度
just a low-level低級別 component零件,
38
106400
3216
有趣的是,在某些程度上,
02:01
the spinal cord, together一起 with the body身體,
39
109640
1936
這些脊髓,連同身體,
02:03
already已經 solve解決 a big part部分
of the locomotion運動 problem問題.
40
111600
2456
已經可以解決大部份肢體的活動問題。
02:06
You probably大概 know it by the fact事實
that you can cut the head off a chicken,
41
114080
3422
你大概也知道一個事實,
當一隻雞被砍頭之後,
它還可以再跑一會兒,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
02:10
showing展示 that just the lower降低 part部分,
spinal cord and body身體,
43
118937
2539
這表示,僅僅較低部位的脊髓和身體,
02:13
already已經 solve解決 a big part部分 of locomotion運動.
44
121500
1873
已經解決了大部份肢體活動的問題。
02:15
Now, understanding理解 how this works作品
is very complex複雜,
45
123397
2459
要理解這是如何運作的,
其實也蠻複雜的,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
因為,首先,
02:19
recording記錄 activity活動 in the spinal cord
is very difficult.
47
127200
2620
要記錄脊髓裡面的活動非常困難。
02:21
It's much easier更輕鬆 to implant注入 electrodes電極
in the motor發動機 cortex皮質
48
129844
2772
在大腦運動皮層植入電極遠比
在脊髓植入電極容易,
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected保護 by the vertebrae椎骨.
49
132640
3056
因為它被脊椎骨保護著。
02:27
Especially特別 in humans人類, very hard to do.
50
135720
1816
尤其是在人類身上,非常難辦到。
02:29
A second第二 difficulty困難 is that locomotion運動
is really due應有 to a very complex複雜
51
137560
3776
第二個困難,有很大的原因是,
肢體行動在這四個元件之間,
是非常複雜且動態交互作用著的。
02:33
and very dynamic動態 interaction相互作用
between之間 these four components組件.
52
141360
3056
02:36
So it's very hard to find out
what's the role角色 of each over time.
53
144440
3240
所以每次要找出那一個元件
擔任那一個角色,真的是很困難。
這也是為什麼機械生物,
02:40
This is where biorobotsbiorobots like PleurobotPleurobot
and mathematical數學的 models楷模
54
148880
3736
02:44
can really help.
55
152640
1200
在建立像是機械蠑螈和
數學模組上很有幫助的原因。
所以甚麼是機械生物呢?
02:47
So what's biorobotics生物機器人?
56
155480
1256
02:48
Biorobotics生物機器人 is a very active活性 field領域
of research研究 in robotics機器人
57
156760
2736
機械生物是機械科研裡
一個非常活躍的領域,
02:51
where people want to
take inspiration靈感 from animals動物
58
159520
2456
人們都想從動物裡得到啟發,
02:54
to make robots機器人 to go outdoors在戶外,
59
162000
2456
製成一些可以到户外去的機械人,
02:56
like service服務 robots機器人
or search搜索 and rescue拯救 robots機器人
60
164480
2656
像是一些服務業機械人,
或是可從事搜索和救援的機械人
02:59
or field領域 robots機器人.
61
167160
1200
或是農耕機械人。
而主要目的就是,
要從動物身上得到啟發
03:00
And the big goal目標 here
is to take inspiration靈感 from animals動物
62
168880
2696
03:03
to make robots機器人 that can handle處理
complex複雜 terrain地形 --
63
171600
2336
來製造一些機械人,
可以處理一些複雜的地形--
03:05
stairs樓梯, mountains, forests森林,
64
173960
1616
像是樓梯、山脈、森林、
03:07
places地方 where robots機器人
still have difficulties困難
65
175600
2016
一些機械人仍然遇到困難的地方,
03:09
and where animals動物
can do a much better job工作.
66
177640
2056
以及動物可以做得更好的地方。
03:11
The robot機器人 can be a wonderful精彩
scientific科學 tool工具 as well.
67
179720
2496
機械人同樣也是神奇的科研工具,
03:14
There are some very nice不錯 projects項目
where robots機器人 are used,
68
182240
2620
有些很棒的科研項目利用機械人
03:16
like a scientific科學 tool工具 for neuroscience神經科學,
for biomechanics生物力學 or for hydrodynamics流體動力學.
69
184884
3972
做為腦神經、生物力學
或水力學的科研工具。
03:20
And this is exactly究竟
the purpose目的 of PleurobotPleurobot.
70
188880
2120
而這就是做機械蠑螈的目的。
在我的實驗室,我們夥同腦神經生物學家
03:23
So what we do in my lab實驗室
is to collaborate合作 with neurobiologists神經生物學家
71
191600
2936
03:26
like Jean-Marie讓 - 瑪麗· CabelguenCabelguen,
a neurobiologist神經生物學家 in Bordeaux波爾多 in France法國,
72
194560
3216
例如法國波爾多的腦神經生物學家
Jean-Marie Cabelguen,
03:29
and we want to make spinal cord models楷模
and validate驗證 them on robots機器人.
73
197800
4040
我們打算製作出脊髓的模型,
然後在機器人上驗証。
我們希望從簡單出發。
03:34
And here we want to start開始 simple簡單.
74
202480
1616
03:36
So it's good to start開始 with simple簡單 animals動物
75
204120
1976
所以從簡單的動物開始就好,
03:38
like lampreys七鰓鰻, which哪一個 are
very primitive原始 fish,
76
206120
2256
像是七鰓鰻,非常原始的魚類,
03:40
and then gradually逐漸
go toward more complex複雜 locomotion運動,
77
208400
2496
然後逐漸地邁向更複雜的肢體活動,
03:42
like in salamanders蠑螈,
78
210920
1256
像是蜥蜴,
03:44
but also in cats and in humans人類,
79
212200
1496
但也包含貓、人類,
03:45
in mammals哺乳動物.
80
213720
1200
哺乳動物等。
03:47
And here, a robot機器人 becomes
an interesting有趣 tool工具
81
215880
2376
所以,機械人成為了一個
03:50
to validate驗證 our models楷模.
82
218280
1936
可以驗証我們模型的有趣工具。
03:52
And in fact事實, for me, PleurobotPleurobot
is a kind of dream夢想 becoming變得 true真正.
83
220240
3016
事實上對我來說,機械蠑螈
算是圓了我一個夢想。
03:55
Like, more or less 20 years年份 ago
I was already已經 working加工 on a computer電腦
84
223280
3256
大概二十年前,在我博士班的期間,
03:58
making製造 simulations模擬 of lamprey七鰓鰻
and salamander locomotion運動
85
226560
2656
我已經在電腦上,製作一些
04:01
during my PhD博士.
86
229240
1536
七鰓鰻和蜥蜴肢體活動的模擬,
04:02
But I always knew知道 that my simulations模擬
were just approximations近似值.
87
230800
3376
但我一直以來都知道,
我的模擬只是粗略概算。
04:06
Like, simulating模擬 the physics物理 in water
or with mud or with complex複雜 ground地面,
88
234200
3976
像是在水中模擬物理現象,
或是在混雜泥土裡或是複雜的地表面上,
04:10
it's very hard to simulate模擬 that
properly正確 on a computer電腦.
89
238200
2656
這些都是很難在電腦上適當地模擬出來的。
04:12
Why not have a real真實 robot機器人
and real真實 physics物理?
90
240880
2040
為什麼不乾脆做一個
真實的機械人或真實的物體?
04:15
So among其中 all these animals動物,
one of my favorites最愛 is the salamander.
91
243600
3136
在眾多的動物裡,蜥蜴是我喜歡的其中之一。
04:18
You might威力 ask why,
and it's because as an amphibian兩棲動物,
92
246760
3456
你大概想知道為什麼,
因為以兩棲動物而言,
04:22
it's a really key animal動物
from an evolutionary發展的 point of view視圖.
93
250240
2856
從進化的角度來看,
蜥蜴其實是很重要的動物。
04:25
It makes品牌 a wonderful精彩 link鏈接
between之間 swimming游泳的,
94
253120
2056
它完美的串聯起
04:27
as you find it in eels鰻魚 or fish,
95
255200
1896
水棲動物的游泳
(像是鰻魚或魚)
04:29
and quadruped走獸 locomotion運動,
as you see in mammals哺乳動物, in cats and humans人類.
96
257120
4120
以及哺乳類動物的四肢活動
(像是貓或人)。
事實上,現代的蜥蜴
04:34
And in fact事實, the modern現代 salamander
97
262160
1656
04:35
is very close to the first
terrestrial陸生 vertebrate脊椎動物,
98
263840
2376
與第一代的陸棲脊椎動物非常相近,
04:38
so it's almost幾乎 a living活的 fossil化石,
99
266240
1536
幾乎就是一種活化石,
04:39
which哪一個 gives us access訪問 to our ancestor祖先,
100
267800
1936
讓我們可以接近自己的祖宗,
04:41
the ancestor祖先 to all terrestrial陸生 tetrapods四足動物.
101
269760
2920
所有陸棲四肢動物的祖宗。
蜥蜴是藉由一種稱為鰻游的泳態,
04:45
So the salamander swims游泳
102
273240
1376
04:46
by doing what's called
an anguilliformanguilliform swimming游泳的 gait步態,
103
274640
2496
來進行游泳的動作,
04:49
so they propagate傳播 a nice不錯 traveling旅行 wave
of muscle肌肉 activity活動 from head to tail尾巴.
104
277160
3640
它們從頭部到尾部的肌肉活動,
傳遞出一種很優美的游行波浪。
而當你把蜥蜴放在地面上時,
04:53
And if you place地點
the salamander on the ground地面,
105
281440
2176
04:55
it switches開關 to what's called
a walking步行 trot小跑 gait步態.
106
283640
2336
它又會轉化為快走的步態。
04:58
In this case案件, you have nice不錯
periodic定期 activation激活 of the limbs四肢
107
286000
2863
在這個案例,你有很好的
週期性肢體律動
05:00
which哪一個 are very nicely很好 coordinated協調
108
288887
1609
可以非常好地協調出
05:02
with this standing常設 wave
undulation波動 of the body身體,
109
290520
2656
這樣持續性波浪的身體起伏,
05:05
and that's exactly究竟 the gait步態
that you are seeing眼看 here on PleurobotPleurobot.
110
293200
3656
就如你們現在所看到的
機械蠑螈的步態。
05:08
Now, one thing which哪一個 is very surprising奇怪
and fascinating迷人 in fact事實
111
296880
2976
事實上,其中一件很令人訝異
卻又讚嘆的事實就是...
05:11
is the fact事實 that all this can be generated產生
just by the spinal cord and the body身體.
112
299880
4136
這些活動可以僅藉由
脊髓和身體就可以啟動了。
05:16
So if you take
a decerebrateddecerebrated salamander --
113
304040
2000
所以即使是一隻沒有腦袋的蜥蜴 --
05:18
it's not so nice不錯
but you remove去掉 the head --
114
306064
2016
那不是太好, 但當移除了頭顱--
05:20
and if you electrically
stimulate刺激 the spinal cord,
115
308104
2672
而你用電殛刺激脊髓,
05:22
at low level水平 of stimulation促進
this will induce促使 a walking-like行走狀 gait步態.
116
310800
3256
在低電流的刺激下,
會做出走路一樣的步態。
05:26
If you stimulate刺激 a bit more,
the gait步態 accelerates加速.
117
314080
2456
如果你稍稍加強刺激度,
步伐就會隨之加快。
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
到了若干程度,會有一個臨界點,
05:30
and automatically自動,
the animal動物 switches開關 to swimming游泳的.
119
318480
2536
隨後,動物會自動地
從行走轉為游泳
05:33
This is amazing驚人.
120
321040
1376
這真是神乎其技。
05:34
Just changing改變 the global全球 drive駕駛,
121
322440
1496
只是改變了中央的驅動器,
05:35
as if you are pressing緊迫 the gas加油站 pedal踏板
122
323960
1736
就如同你在踩油門一樣,
05:37
of descending modulation調製
to your spinal cord,
123
325720
2136
把下行性調控訊號傳遞到你的脊髓,
05:39
makes品牌 a complete完成 switch開關
between之間 two very different不同 gaits步態.
124
327880
3000
在兩種不一樣的模式間相互切換。
05:44
And in fact事實, the same相同
has been observed觀察到的 in cats.
125
332440
2576
其實同樣的情況,
在貓身上也觀察得到,
05:47
If you stimulate刺激 the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
如果你刺激一隻貓的脊髓,
05:49
you can switch開關 between之間
walk步行, trot小跑 and gallop馳騁.
127
337080
2216
你能夠在其間切換模式:
行走、緩跑和急步跑。
05:51
Or in birds鳥類, you can make a bird
switch開關 between之間 walking步行,
128
339320
2736
或在鳥類身上,你可以隨興
切換一隻小鳥,
05:54
at a low level水平 of stimulation促進,
129
342080
1456
在低電流時,走路,
05:55
and flapping its wings翅膀
at high-level高水平 stimulation促進.
130
343560
2816
在高電流刺激時,揮動翅膀。
05:58
And this really shows節目 that the spinal cord
131
346400
2016
而這告訴我們,
脊髓是個非常複雜精密的
肢體行動控制器。
06:00
is a very sophisticated複雜的
locomotion運動 controller調節器.
132
348440
2416
06:02
So we studied研究 salamander locomotion運動
in more detail詳情,
133
350880
2456
於是我們更仔細的研究蜥蜴的肢體行動,
06:05
and we had in fact事實 access訪問
to a very nice不錯 X-rayX-射線 video視頻 machine
134
353360
3096
其我們有一部很好的X光錄影機,
06:08
from Professor教授 Martin馬丁 Fischer菲舍爾
in Jena耶拿 University大學 in Germany德國.
135
356480
3576
是由德國 Jena 大學的 Martin Fischer 教授所提供。
06:12
And thanks謝謝 to that,
you really have an amazing驚人 machine
136
360080
2576
感謝有這部神奇的機器,
06:14
to record記錄 all the bone motion運動
in great detail詳情.
137
362680
2456
把所有的骨骼行動都仔細的紀錄下來。
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
這就是我們在做的事。
06:18
So we basically基本上 figured想通 out
which哪一個 bones骨頭 are important重要 for us
139
366440
3176
基本上,我們找出了
對我們來說重要的骨骼,
06:21
and collected their motion運動 in 3D.
140
369640
3016
並且收集它們的3D動作。
06:24
And what we did is collect蒐集
a whole整個 database數據庫 of motions運動,
141
372680
2696
我們所做的就是收集
整個骨骼的動作資料庫,
06:27
both on ground地面 and in water,
142
375400
1656
從水上到陸上,
06:29
to really collect蒐集 a whole整個 database數據庫
of motor發動機 behaviors行為
143
377080
2484
實際地去收集一隻動物所有的
06:31
that a real真實 animal動物 can do.
144
379589
1244
移動行為資料庫。
06:32
And then our job工作 as roboticists機器人專家
was to replicate複製 that in our robot機器人.
145
380858
3150
而我們機械設計學家的工作就是,
將這些資料複製到我們的機械人。
06:36
So we did a whole整個 optimization優化 process處理
to find out the right structure結構體,
146
384033
3383
所以我們做了全方位的優化程序
來找出正確的結構、
06:39
where to place地點 the motors馬達,
how to connect them together一起,
147
387440
2656
在哪裡放置馬達、
06:42
to be able能夠 to replay重播
these motions運動 as well as possible可能.
148
390120
2880
如何把它們連接一起,
盡可能地重製出這些動作等等。
06:45
And this is how PleurobotPleurobot came來了 to life.
149
393680
2360
機械蠑螈就是這樣成型的。
讓我們來看看它跟
真正的動物有多近似。
06:49
So let's look at how close
it is to the real真實 animal動物.
150
397200
2416
你現在看到的是,
真正的動物和機械蠑螈在行走時
06:52
So what you see here
is almost幾乎 a direct直接 comparison對照
151
400960
2496
06:55
between之間 the walking步行
of the real真實 animal動物 and the PleurobotPleurobot.
152
403480
2696
直接對比的影片。
06:58
You can see that we have
almost幾乎 a one-to-one一到一個 exact精確 replay重播
153
406200
2736
你可以看到幾乎是一比一的比例,
07:00
of the walking步行 gait步態.
154
408960
1256
重演着走路的步態。
07:02
If you go backwards向後 and slowly慢慢地,
you see it even better.
155
410240
2600
如果你倒退或慢動作,你可以看得更清楚。
更棒的是,我們可以游泳。
07:07
But even better, we can do swimming游泳的.
156
415520
2376
07:09
So for that we have a dry suit適合
that we put all over the robot機器人 --
157
417920
3016
我們甚至為機械蠑螈穿上了潛水衣--
07:12
(Laughter笑聲)
158
420960
1096
(笑聲)
07:14
and then we can go in water
and start開始 replaying重播 the swimming游泳的 gaits步態.
159
422080
3176
然後我們可以到水裡,
開始重製游泳的泳態。
07:17
And here, we were very happy快樂,
because this is difficult to do.
160
425280
3336
我們對於此很高興,
因為這個真的很難。
07:20
The physics物理 of interaction相互作用 are complex複雜.
161
428640
2216
互動的物理現象相當複雜。
07:22
Our robot機器人 is much bigger
than a small animal動物,
162
430880
2416
我們的機械蠑螈要比小動物大很多,
07:25
so we had to do what's called
dynamic動態 scaling縮放 of the frequencies頻率
163
433320
3056
所以我們得找出
稱之為「等比例動態」的頻率,
07:28
to make sure we had
the same相同 interaction相互作用 physics物理.
164
436400
2336
來確定我們也得到了
一樣的互動物理現象。
07:30
But you see at the end結束,
we have a very close match比賽,
165
438760
2416
你可以看到,
最後我們可以非常接近地運動,
07:33
and we were very, very happy快樂 with this.
166
441200
1880
所以我們對此非常非常的高興。
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
現在我們來看看脊髓。
07:37
So here what we did
with Jean-Marie讓 - 瑪麗· CabelguenCabelguen
168
445720
2296
我們跟 Jean-Marie Cabelguen 一起
07:40
is model模型 the spinal cord circuits電路.
169
448040
2240
模擬了脊髓的迴路。
有趣的是,蜥蜴
07:43
And what's interesting有趣
is that the salamander
170
451040
2136
07:45
has kept不停 a very primitive原始 circuit電路,
171
453200
1620
保持了最原始的迴路,
07:46
which哪一個 is very similar類似
to the one we find in the lamprey七鰓鰻,
172
454844
2652
非常相近於我們找到的七鰓鰻,
07:49
this primitive原始 eel-like鰻魚樣 fish,
173
457520
1976
這個像鰻魚的原始魚類,
07:51
and it looks容貌 like during evolution演化,
174
459520
1736
看起來像是在進化期間,
07:53
new neural神經 oscillators振盪器
have been added添加 to control控制 the limbs四肢,
175
461280
2936
有新的神經振動器
會被加進來去控制肢體
07:56
to do the leg locomotion運動.
176
464240
1416
來帶動腿的行動。
07:57
And we know where
these neural神經 oscillators振盪器 are
177
465680
2176
我們知道這些神經振動器在哪裡,
07:59
but what we did was to make
a mathematical數學的 model模型
178
467880
2256
但我們要做的是,計算出數學模式,
08:02
to see how they should be coupled耦合
179
470160
1616
看看怎樣把他們配對起來,
08:03
to allow允許 this transition過渡
between之間 the two very different不同 gaits步態.
180
471800
2936
來讓這兩種非常不同的
動作可以自由轉換。
08:06
And we tested測試 that on board of a robot機器人.
181
474760
2560
我們就在機械蠑螈的電板上測試。
08:09
And this is how it looks容貌.
182
477680
1200
而它看起來就像是這樣。
08:18
So what you see here
is a previous以前 version of PleurobotPleurobot
183
486920
3016
這裡你們看到的是,
上一代版本的機械蠑螈,
08:21
that's completely全然 controlled受控
by our spinal cord model模型
184
489960
3096
完全由我們輸入在電路板上
08:25
programmed程序 on board of the robot機器人.
185
493080
1600
的脊髓模組程式所控制。
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
我們唯一做的是,
08:28
is send發送 to the robot機器人
through通過 a remote遠程 control控制
187
496520
2176
透過遥控器,向機械人發出
08:30
the two descending signals信號
it normally一般 should receive接收
188
498720
2496
兩組下行性調控訊號,而這通常源自於
08:33
from the upper part部分 of the brain.
189
501240
1600
腦部的上半部分。
08:35
And what's interesting有趣 is,
by playing播放 with these signals信號,
190
503480
2696
有趣的是,通過這些訊號
我們可以完全控制速度、前進、步、泳態。
08:38
we can completely全然 control控制
speed速度, heading標題 and type類型 of gait步態.
191
506200
2800
08:41
For instance,
192
509600
1216
比方說,
08:42
when we stimulate刺激 at a low level水平,
we have the walking步行 gait步態,
193
510840
3576
當我們透過低電流作出刺激時,
我們得到的是行走的狀態,
08:46
and at some point, if we stimulate刺激 a lot,
194
514440
1976
來到某種程度,
如果我們加強了刺激 ,
08:48
very rapidly急速 it switches開關
to the swimming游泳的 gait步態.
195
516440
2160
它會迅速地轉化為游泳的狀態。
08:51
And finally最後, we can also
do turning車削 very nicely很好
196
519480
2216
最後,我們也可輕鬆的轉向
08:53
by just stimulating刺激 more one side
of the spinal cord than the other.
197
521720
3520
主要在脊髓左右兩邊,
在其中的一邊加以刺激就可以了。
我覺得這真是漂亮
08:58
And I think it's really beautiful美麗
198
526200
1616
08:59
how nature性質 has distributed分散式 control控制
199
527840
2256
自然界先天的分配了控制權
09:02
to really give a lot of responsibility責任
to the spinal cord
200
530120
2856
把很多責任交付予脊髓,
09:05
so that the upper part部分 of the brain
doesn't need to worry擔心 about every一切 muscle肌肉.
201
533000
3656
所以大腦的上半部分
不需要再煩惱每一條肌肉。
09:08
It just has to worry擔心
about this high-level高水平 modulation調製,
202
536680
2536
大腦只負擔高層次的調節,
09:11
and it's really the job工作 of the spinal cord
to coordinate坐標 all the muscles肌肉.
203
539240
3576
協調各肌肉的任務,
就交付予脊髓了。
09:14
So now let's go to cat locomotion運動
and the importance重要性 of biomechanics生物力學.
204
542840
3520
現在我們來看看貓的行動
和生物力學的重要性。
09:19
So this is another另一個 project項目
205
547080
1256
這是另一個項目,
09:20
where we studied研究 cat biomechanics生物力學,
206
548360
2416
我們研究貓的生物力學,
09:22
and we wanted to see how much
the morphology形態學 helps幫助 locomotion運動.
207
550800
3896
而我們想知道形態學
對於肢體活動的幫助。
09:26
And we found發現 three important重要
criteria標準 in the properties性能,
208
554720
3616
我們得出了三個性質的標準,
09:30
basically基本上, of the limbs四肢.
209
558360
1320
基本上,就是肢體內的性質。
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
首先就是貓的肢體,
09:34
more or less looks容貌
like a pantograph-like受電弓樣 structure結構體.
211
562320
2696
大概類似導電弓架的結構。
09:37
So a pantograph受電弓 is a mechanical機械 structure結構體
212
565040
2216
導電弓架是一個機電的結構
09:39
which哪一個 keeps保持 the upper segment分割
and the lower降低 segments always parallel平行.
213
567280
3400
永恆的保持着
上部份和下部份的平行。
09:43
So a simple簡單 geometrical幾何 system系統
that kind of coordinates坐標 a bit
214
571600
3096
其實就是一個簡單的幾何系統,
09:46
the internal內部 movement運動 of the segments.
215
574720
1816
協調着各部位的內部移動。
09:48
A second第二 property屬性 of cat limbs四肢
is that they are very lightweight輕量級.
216
576560
3056
貓兒肢體的第二個性質是非常輕量。
09:51
Most of the muscles肌肉 are in the trunk樹幹,
217
579640
1856
大部份的肌肉集中在驅體內,
09:53
which哪一個 is a good idea理念,
because then the limbs四肢 have low inertia慣性
218
581520
2896
這是很棒的點子,因為這樣
肢體不會有低度的惰性
09:56
and can be moved移動 very rapidly急速.
219
584440
1776
反而能夠迅速的活動。
09:58
The last final最後 important重要 property屬性 is this
very elastic behavior行為 of the cat limb,
220
586240
3816
最後很重要的性質是,貓的肢體彈力很強,
10:02
so to handle處理 impacts影響 and forces軍隊.
221
590080
2656
有利於處理好衝擊力和震盪力。
10:04
And this is how we designed設計 Cheetah-Cub獵豹幼崽.
222
592760
2336
我們也是如此設計小獵豹的。
10:07
So let's invite邀請 Cheetah-Cub獵豹幼崽 onstage在舞台上.
223
595120
2200
現在有請小獵豹到台上來。
10:14
So this is Peter彼得 Eckert埃克特,
who does his PhD博士 on this robot機器人,
224
602160
3656
這位是 Peter Eckert,
他用這部機械人作他的博士學位研究,
10:17
and as you see, it's a cute可愛 little robot機器人.
225
605840
2056
你可以看到,這是一隻可愛的小機械。
10:19
It looks容貌 a bit like a toy玩具,
226
607920
1256
它看起來有點像是玩具,
10:21
but it was really used
as a scientific科學 tool工具
227
609200
2056
但其實卻是個科研工具,
10:23
to investigate調查 these properties性能
of the legs of the cat.
228
611280
3296
用來查證貓兒四腿的特質。
10:26
So you see, it's very compliant兼容,
very lightweight輕量級,
229
614600
2616
你可以看到,它非常柔韌,非常輕量,
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
同時也非常的彈性,
10:30
so you can easily容易 press it down
and it will not break打破.
231
618520
2776
所以你可以很輕鬆的
把它壓下而絲毫不損。
10:33
It will just jump, in fact事實.
232
621320
1456
實際上,它只會彈跳。
10:34
And this very elastic property屬性
is also very important重要.
233
622800
2880
這個彈力的性質也非常重要。
你同時也可以看到一些其他特質,
10:39
And you also see a bit these properties性能
234
627160
1896
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph受電弓.
235
629080
2400
就是導電弓架作為腳部的三個部份。
10:44
Now, what's interesting有趣
is that this quite相當 dynamic動態 gait步態
236
632280
2776
有趣的是,這很有動態,
10:47
is obtained獲得 purely純粹 in open打開 loop循環,
237
635080
1896
純粹來自開放式的迴路,
10:49
meaning含義 no sensors傳感器,
no complex複雜 feedback反饋 loops循環.
238
637000
3136
意思就是沒有探測器,
也沒有複雜的回饋迴路。
10:52
And that's interesting有趣, because it means手段
239
640160
2416
那是很有趣的,因為那意味著,
10:54
that just the mechanics機械學
already已經 stabilized穩定 this quite相當 rapid快速 gait步態,
240
642600
4016
單靠機械模式,
已能把這快速的步態穩定下來,
10:58
and that really good mechanics機械學
already已經 basically基本上 simplify簡化 locomotion運動.
241
646640
4176
所以只需要有很好的機械性,
基本上已能夠簡化肢體的活動。
11:02
To the extent程度 that we can even
disturb打擾 a bit locomotion運動,
242
650840
3296
在某程度上, 我們甚至可以對肢體行動,
作出一些干預,
11:06
as you will see in the next下一個 video視頻,
243
654160
1656
就正如你將看到的影像一樣,
11:07
where we can for instance do some exercise行使
where we have the robot機器人 go down a step,
244
655840
3896
比方說我們可以做一些運動,
讓機械人下樓梯,
11:11
and the robot機器人 will not fall秋季 over,
245
659760
1616
而且機械人不會跌倒,
11:13
which哪一個 was a surprise for us.
246
661400
1576
那其實讓我們很訝異。
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
這是輕微的干擾。
11:16
I was expecting期待 the robot機器人
to immediately立即 fall秋季 over,
248
664440
2416
我預期機械會立刻翻倒,
11:18
because there are no sensors傳感器,
no fast快速 feedback反饋 loop循環.
249
666880
2436
因為沒有探測器,也沒有迅速回饋的迴路。
11:21
But no, just the mechanics機械學
stabilized穩定 the gait步態,
250
669340
2196
但不,單靠機械模式已能把這步態穩定下來,
11:23
and the robot機器人 doesn't fall秋季 over.
251
671560
1576
而機械人並沒有翻倒。
11:25
Obviously明顯, if you make the step bigger,
and if you have obstacles障礙,
252
673160
3136
顯而易見,如果你跨大了步伐,
再加上你遇到了障礙物,
11:28
you need the full充分 control控制 loops循環
and reflexes反射 and everything.
253
676320
3656
你就會需要完整的控制迴路,
還要所有的反射動作及每樣東西。
11:32
But what's important重要 here
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
這裡重要的是,只是輕微的干擾,
11:34
the mechanics機械學 are right.
255
682960
1496
機械性能就正確了。
11:36
And I think this is
a very important重要 message信息
256
684480
2096
我相信這是很重要的訊息,
11:38
from biomechanics生物力學 and robotics機器人
to neuroscience神經科學,
257
686600
2191
從生物力學及機械學以至腦神經科學,
11:40
saying don't underestimate低估 to what extent程度
the body身體 already已經 helps幫助 locomotion運動.
258
688815
4680
不要低估身體其實在某種程度,
已經幫助了肢體行動。
11:47
Now, how does this relate涉及
to human人的 locomotion運動?
259
695440
2160
現在,這個跟人類肢體活動有甚麼關係呢?
11:49
Clearly明確地, human人的 locomotion運動 is more complex複雜
than cat and salamander locomotion運動,
260
697960
3640
非常明顯,人類的肢體活動,
遠遠比貓和蜥蜴的複雜,
11:54
but at the same相同 time, the nervous緊張 system系統
of humans人類 is very similar類似
261
702360
3136
但同時間,人類的神經系統
11:57
to that of other vertebrates脊椎動物.
262
705520
1576
卻又和其他的脊椎動物非常類近。
11:59
And especially特別 the spinal cord
263
707120
1456
尤其是脊髓,
12:00
is also the key controller調節器
for locomotion運動 in humans人類.
264
708600
2640
同樣也是人類肢體行動的關鍵控制器。
所以,這也是為什麼當脊髓有損害時,
12:03
That's why, if there's a lesion病變
of the spinal cord,
265
711760
2416
12:06
this has dramatic戲劇性 effects效果.
266
714200
1496
會帶來很嚴重的後果。
12:07
The person can become成為
paraplegic截癱 or tetraplegic四肢癱瘓.
267
715720
2776
那個人可能會變成
下半身癱瘓或四肢癱瘓。
12:10
This is because the brain
loses失去 this communication通訊
268
718520
2376
這是因為大腦失去了
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
與脊髓的溝通。
12:14
Especially特別, it loses失去
this descending modulation調製
270
722200
2216
尤其是大腦失去了啟動
12:16
to initiate發起 and modulate調製 locomotion運動.
271
724440
1920
和協調肢體活動作用的下行性調控訊號時。
12:19
So a big goal目標 of neuroprosthetics神經義肢
272
727640
1696
所以神經義肢的一個很大的目標
12:21
is to be able能夠 to reactivate激活
that communication通訊
273
729360
2376
就是可以重啟這個溝通,
12:23
using運用 electrical電動 or chemical化學 stimulations刺激.
274
731760
2440
借助電子或化學的刺激。
12:26
And there are several一些 teams球隊
in the world世界 that do exactly究竟 that,
275
734840
2936
世界上有好幾個隊伍
正在進行這樣的項目,
12:29
especially特別 at EPFLEPFL.
276
737800
1216
尤其是 EPFL 的隊伍。
12:31
My colleagues同事 GrGRégoiregoire Courtine庫爾蒂納
and Silvestro西爾維斯特 MiceraMicera,
277
739040
2496
和我一起合作的同事
12:33
with whom I collaborate合作.
278
741560
1240
Grégoire Courtine 和 Silvestro Micera 。
12:35
But to do this properly正確,
it's very important重要 to understand理解
279
743960
3096
要恰當地做好這事情,務必要明白
12:39
how the spinal cord works作品,
280
747080
1736
脊髓如何運作,
12:40
how it interacts交互 with the body身體,
281
748840
1696
它怎樣和身體互動,
12:42
and how the brain
communicates相通 with the spinal cord.
282
750560
2480
而大腦又怎樣和脊髓溝通。
12:45
This is where the robots機器人
and models楷模 that I've presented呈現 today今天
283
753800
2896
今天我向各位展示的機械和模型
12:48
will hopefully希望 play a key role角色
284
756720
1896
希望就是在這些非常重要的目標上
12:50
towards these very important重要 goals目標.
285
758640
2656
可以做出貢獻。
12:53
Thank you.
286
761320
1216
謝謝。
12:54
(Applause掌聲)
287
762560
4560
(掌聲)
13:04
Bruno布魯諾 Giussani吉薩尼: Auke奧克, I've seen看到
in your lab實驗室 other robots機器人
288
772100
2636
Bruno Giussani: 奧克, 我曾經在
你的實驗室裡,看過其他的機械人,
13:06
that do things like swim游泳 in pollution污染
289
774760
2456
做一些例如在污染環境中游泳的事情,
13:09
and measure測量 the pollution污染 while they swim游泳.
290
777240
2456
並在游泳期間測量污染程度。
13:11
But for this one,
291
779720
1216
但這一個,
13:12
you mentioned提到 in your talk,
like a side project項目,
292
780960
3480
你在演講時表示,這只是一個子項目,
負責搜索和救援,
13:17
search搜索 and rescue拯救,
293
785640
1216
它在鼻子上也安裝了照相機。
13:18
and it does have a camera相機 on its nose鼻子.
294
786880
2176
13:21
Auke奧克 IjspeertIjspeert: Absolutely絕對. So the robot機器人 --
295
789080
2496
奧克.捷思皮爾:對的。所以這個機械人--
13:23
We have some spin-off分拆 projects項目
296
791600
1429
我們有一些是分拆開來的項目
13:25
where we would like to use the robots機器人
to do search搜索 and rescue拯救 inspection檢查,
297
793053
3443
我們希望主要用作
搜索和救援的調察,
13:28
so this robot機器人 is now seeing眼看 you.
298
796520
1576
所以這位機械人現正看着你。
13:30
And the big dream夢想 is to,
if you have a difficult situation情況
299
798120
3176
而遠大的夢想就是,一旦你遭遇到困難
13:33
like a collapsed倒塌 building建造
or a building建造 that is flooded,
300
801320
3616
例如倒塌的建築物,
或是被淹沒的建築物,
這樣的情況,對救援隊、甚至救援狗而言
都是非常危險的,
13:36
and this is very dangerous危險
for a rescue拯救 team球隊 or even rescue拯救 dogs小狗,
301
804960
3336
13:40
why not send發送 in a robot機器人
that can crawl爬行 around, swim游泳, walk步行,
302
808320
2896
為什麼不用可以四處爬行、游泳
和行走的機械人取替,
13:43
with a camera相機 onboard在船上
to do inspection檢查 and identify鑑定 survivors倖存者
303
811240
3176
並加上照相機來協助調察和找出生還者,
甚至有可能與生還者建立溝通。
13:46
and possibly或者 create創建
a communication通訊 link鏈接 with the survivor倖存者.
304
814440
2776
BG: 當然,假設生還者沒有被它的外型嚇到。
13:49
BGBG: Of course課程, assuming假設 the survivors倖存者
don't get scared害怕 by the shape形狀 of this.
305
817240
3576
13:52
AIAI: Yeah, we should probably大概
change更改 the appearance出現 quite相當 a bit,
306
820840
3296
AI: 對,我們大概也需要
把它的外型改良一下,
不然生還者
可能會心臟病發而死亡,
13:56
because here I guess猜測 a survivor倖存者
might威力 die of a heart attack攻擊
307
824160
2816
13:59
just of being存在 worried擔心
that this would feed飼料 on you.
308
827000
2536
僅是擔心它會把你吃掉。
14:01
But by changing改變 the appearance出現
and it making製造 it more robust強大的,
309
829560
2856
把它的外型改良一下,
同時令它更耐用,
14:04
I'm sure we can make
a good tool工具 out of it.
310
832440
2056
我深信這能夠成為很好的工具。
14:06
BGBG: Thank you very much.
Thank you and your team球隊.
311
834520
2286
非常感謝。謝謝你和你的團隊。
Translated by lisa li
Reviewed by Yi-Fan Yu

▲Back to top

ABOUT THE SPEAKER
Auke Ijspeert - Roboticist
Auke 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.

More profile about the speaker
Auke Ijspeert | Speaker | TED.com

Data provided by TED.

This site was created in May 2015 and the last update was on January 12, 2020. It will no longer be updated.

We are currently creating a new site called "eng.lish.video" and would be grateful if you could access it.

If you have any questions or suggestions, please feel free to write comments in your language on the contact form.

Privacy Policy

Developer's Blog

Buy Me A Coffee