TEDGlobal>Geneva
Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Ауке Ишпеерт: Робот, който тича и плува като саламандър
Filmed:
Readability: 4.8
2,016,271 views
Създателят на роботи Ауке Ишпеерт проектира биороботи - машини по образец на истински животни, които са способни да се справят със сложен терен и биха се чувствали у дома си на страниците на научно-фантастичен роман. Процесът на създаване на тези роботи води до по-добра автоматизация, която може да се използва за работа на открито, обслужване, търсене и спасяване. Но роботите не просто копират природата - те ни помагат да разберем по-добре собствената си биология, разкривайки непознати досега тайни на гръбначния мозък.
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
Това е Плюробот.
00:15
Pleurobot is a robot that we designed
to closely mimic a salamander species
to closely mimic a salamander species
1
3400
3616
Проектирахме Плюробота точно
да наподобява един вид саламандър
да наподобява един вид саламандър
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
на име Pleurodeles waltl.
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
Плюроботът може да ходи,
както виждате тук и
както виждате тук и
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
както ще видите по-късно,
може и да плува.
може и да плува.
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Може да попитате
защо проектирахме този робот?
защо проектирахме този робот?
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
Всъщност, роботът бе проектиран като
научен инструмент по невробиология.
научен инструмент по невробиология.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
На практика го проектирахме
заедно с невробиолозите,
заедно с невробиолозите,
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
за да разберем как се движат животните
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
и най-вече как гръбначният мозък
контролира движението.
контролира движението.
00:41
But the more I work in biorobotics,
10
29560
1696
Но колкото повече се занимавам
с биороботика,
с биороботика,
00:43
the more I'm really impressed
by animal locomotion.
by animal locomotion.
11
31280
2381
толкова по-истински ме впечатляват
движенията на животните.
движенията на животните.
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
Представeте си плуващ делфин
или котка, която тича или скача наоколо
или котка, която тича или скача наоколо
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
или дори ние, хората,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
по време на джогинг или тенис
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
правим удивителни неща.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
На практика нервната ни система решава
много, много сложна задача за контрола.
много, много сложна задача за контрола.
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
Тя трябва съвършено да координира
около 200 мускула,
около 200 мускула,
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
защото ако координацията е лоша,
ние падаме или правим лошо движение.
ние падаме или правим лошо движение.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
Целта ми е да разбера как става това.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Зад движенията на животните
стоят четири главни компонента.
стоят четири главни компонента.
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
Първият компонент е самото тяло
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
и никога не трябва да подценяваме
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
степента, до която биомеханиката
вече е опростила движенията му.
вече е опростила движенията му.
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
После имаме гръбначния мозък,
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
в гръбначния мозък откриваме рефлексите,
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
многобройни рефлекси, които създават
верига за сетивно-двигателна координация
верига за сетивно-двигателна координация
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
между нервната активност в гръбначния
мозък и механичната дейност.
мозък и механичната дейност.
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
Третият компонент са централните
генератори на модели.
генератори на модели.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
Те са много интересни вериги в
гръбначния мозък на гръбначните животни,
гръбначния мозък на гръбначните животни,
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
които сами могат да генерират
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
много координирани, премерени
модели на активност,
модели на активност,
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
получавайки само
много прости входящи импулси.
много прости входящи импулси.
01:47
And these input signals
33
95720
1216
И тези входящи импулси,
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
идващи от низходящата модулация
от по-висшите части на мозъка
от по-висшите части на мозъка
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
като моторния кортекс, малкия мозък,
базалните ганглии
базалните ганглии
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
ще модулират активността
на гръбначния мозък,
на гръбначния мозък,
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
докато правим движения.
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
Но интересното е до каква степен
един компонент от по-низш порядък,
един компонент от по-низш порядък,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
гръбначният мозък заедно с тялото,
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
вече решава голяма част от
двигателната задача.
двигателната задача.
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
Това вероятно ви е познато от факта,
че можем да отрежем главата на пиле
че можем да отрежем главата на пиле
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
и то да продължи да тича още малко,
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
показвайки, че само долната част,
гръбначният мозък и тялото
гръбначният мозък и тялото
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
вече решават голяма част от движението.
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Да разберем как става това е доста сложно,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
защото преди всичко
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
да се запише активността в гръбначния
мозък е много трудно.
мозък е много трудно.
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
Доста по-лесно е да се поставят
електроди в моторния кортекс,
електроди в моторния кортекс,
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
отколкото в гръбначния мозък, защото
той е защитен от прешлените.
той е защитен от прешлените.
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
Много е трудно, особено при хората.
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 трудност e, че движението
се предизвиква от много сложно
се предизвиква от много сложно
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
и много динамично взаимодействие
между тези четири компонента.
между тези четири компонента.
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
Много е трудно да се проследи
ролята на всеки от тях във времето.
ролята на всеки от тях във времето.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
Ето къде наистина могат да помогнат
биороботи като Плюробота
биороботи като Плюробота
02:44
can really help.
55
152640
1200
и математически модели.
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
Какво е биороботика?
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
Биороботиката е много активно поле
на проучвания в роботиката,
на проучвания в роботиката,
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
в което хората се вдъхновяват
от животните,
от животните,
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
за да накарат роботите да излязат навън -
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
като сервизни роботи или
роботи-търсачи и спасители
роботи-търсачи и спасители
02:59
or field robots.
61
167160
1200
или полеви роботи.
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
Голямата цел тук е да черпим идеи
от животните,
от животните,
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
за да създадем роботи,
справящи се със сложен терен -
справящи се със сложен терен -
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
стълби, планини, гори,
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
места, където роботите
още имат проблеми
още имат проблеми
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
и където животните се справят
много по-добре.
много по-добре.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
Роботът може да е също и
прекрасен научен инструмент.
прекрасен научен инструмент.
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
Има някои много хубави проекти,
в които се използват роботи като
в които се използват роботи като
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
научни инструменти в невробиологията,
биомеханиката, хидродинамиката.
биомеханиката, хидродинамиката.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
И точно това е целта на Плюробота.
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
В лабораторията ми си сътрудничим
с невробиолози
с невробиолози
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
като Жан-Мари Кабелген,
невробиолог в Бордо, Франция
невробиолог в Бордо, Франция
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
и искаме да създадем образци на гръбначен
мозък, които да утвърдим върху роботи.
мозък, които да утвърдим върху роботи.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
Искаме да започнем с нещо просто.
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
Хубаво е да е с просто устроени животни
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
като миногите, които са
много примитивни риби
много примитивни риби
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
и после постепенно да вървим
към по-сложно движение
към по-сложно движение
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
като при саламандрите,
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
а също и при котките и хората,
03:45
in mammals.
80
213720
1200
при бозайниците.
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
Тук роботът се превръща
в интересен инструмент
в интересен инструмент
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
за утвърждаване на моделите ни.
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
Всъщност, за мен Плюроботът е
нещо като сбъдната мечта.
нещо като сбъдната мечта.
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
Преди около 20 години
вече работех на компютър и
вече работех на компютър и
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
правех симулации на движението
на миногите и саламандъра
на миногите и саламандъра
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
по време на докторантурата си.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Но винаги съм знаел, че симулациите ми
са просто приближения.
са просто приближения.
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
Да симулираш физика във вода или
в кал, или на сложен терен -
в кал, или на сложен терен -
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
много е трудно да се симулира вярно
това на компютър.
това на компютър.
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
Защо да нямам истински робот
и реална физика?
и реална физика?
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Измежду всички животни един от
любимците ми е саламандърът.
любимците ми е саламандърът.
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
Може да попитате защо -
защото е земноводно и
защото е земноводно и
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
наистина е важен
от еволюционна гледна точка.
от еволюционна гледна точка.
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
Той е чудесна връзка
между плуването
между плуването
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
при змиорките или рибите
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
и движението на четириногите, каквото е
при бозайниците, котките и хората.
при бозайниците, котките и хората.
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
Всъщност съвременният саламандър
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
е много близък до първите
земни гръбначни,
земни гръбначни,
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
той е едва ли не живо изкопаемо,
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
което ни свързва с праотците ни,
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
предшествениците на всички
земни четириноги.
земни четириноги.
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
Саламандърът плува
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
чрез т.нар. плуваща походка на змиорка -
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
вълна от мускулна активност
се разпространява от главата до опашката.
се разпространява от главата до опашката.
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
Ако сложите саламандъра на земята,
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
той минава към т.нар. подтичваща походка.
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
В този случай имаме периодично
активиране на крайниците,
активиране на крайниците,
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
които много добре се координират
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
с вълнообразното движение
на изправеното тяло
на изправеното тяло
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
и точно тази походка виждате тук
при Плюробота.
при Плюробота.
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Всъщност, изненадващ и удивителен е
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
фактът, че всичко това може да се генерира
само от гръбначния мозък и тялото.
само от гръбначния мозък и тялото.
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
Т.е. ако вземем саламандър
без церебрална функция -
без церебрална функция -
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
не е приятно, но махаме главата -
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
и ако стимулираме с електричество
гръбначния мозък,
гръбначния мозък,
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
леката стимулация ще предизвика
ходеща походка.
ходеща походка.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
Ако стимулираме малко повече,
походката се ускорява.
походката се ускорява.
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
И в един момент стигаме до прага
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
и животното автоматично
преминава към плуване.
преминава към плуване.
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
Това е поразително.
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
Промяна само на глобалния импулс,
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
като натискане на педала на газта
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
на низходящата модулация към
гръбначния мозък,
гръбначния мозък,
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
предизвиква пълно превключване
между две много различни походки.
между две много различни походки.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
На практика същото се
наблюдава и при котките.
наблюдава и при котките.
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
Ако стимулирате гръбначния мозък
на котка,
на котка,
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
може да превключвате между
ходене, подтичване и галоп.
ходене, подтичване и галоп.
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
Или при птиците - може да накарате
птица да премине от ходене
птица да премине от ходене
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
при лека стимулация
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
към пляскане с криле
при силна стимулация.
при силна стимулация.
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
Това наистина показва,
че гръбначният мозък
че гръбначният мозък
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
е много усъвършенстван контрольор
на движението.
на движението.
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
Изучихме по-подробно
движението на саламандъра,
движението на саламандъра,
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
на практика имахме достъп до
много добър видео рентген
много добър видео рентген
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
при професор Мартин Фишер
от Университета Йена в Германия.
от Университета Йена в Германия.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
Благодарение на това, наистина
имахме удивителна машина
имахме удивителна машина
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
да записва всички движения
на костите с големи подробности.
на костите с големи подробности.
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Това и направихме.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
В общи линии решихме
кои кости са важни за нас
кои кости са важни за нас
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
и се сдобихме с движението им в 3D.
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
Събрахме цяла база данни с движения,
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
на земята и във водата, за да
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
се сдобием реално с база данни
с двигателни поведения,
с двигателни поведения,
06:31
that a real animal can do.
144
379589
1244
които едно истинско животно
може да има.
може да има.
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
После работата ни като създатели на
роботи бе да я копираме в нашия робот.
роботи бе да я копираме в нашия робот.
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
Направихме пълен оптимизационен процес,
за да намерим вярната структура,
за да намерим вярната структура,
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
къде да поставим моторите,
как да ги свържем,
как да ги свържем,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
така че да могат да повторят
движенията възможно най-добре.
движенията възможно най-добре.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Ето как се роди Плюроботът.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Да видим колко се доближава
до истинското животно.
до истинското животно.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
Тук виждате почти
пряко сравнение
пряко сравнение
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
на походките на истинския
саламандър и Плюробота.
саламандър и Плюробота.
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
Виждате, че имаме сходство
почти едно към едно
почти едно към едно
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
в походката.
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
Ако върнете бавно назад,
ще го видите по-добре.
ще го видите по-добре.
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Но дори още по-добре
се справяме с плуването.
се справяме с плуването.
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
Затова имаме сух костюм,
в който обличаме робота,
в който обличаме робота,
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Смях)
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
после влизаме във водата и
повтаряме плуващите походки.
повтаряме плуващите походки.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
Тук сме много щастливи,
защото това се постига трудно.
защото това се постига трудно.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
Физиката на взаимодействието
е сложна.
е сложна.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
Роботът ни е много по-голям
от малкo животинче,
от малкo животинче,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
затова трябваше да направим т.нар.
динамично мащабиране на честотите,
динамично мащабиране на честотите,
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
за да сме сигурни, че имаме същата
физика на взаимодействие.
физика на взаимодействие.
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
Както виждате, накрая имаме
много близко подобие
много близко подобие
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
и това ни прави много, много щастливи.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Да разгледаме гръбначния мозък.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Това, което направихме тук
с Жан-Мари Кабелген
с Жан-Мари Кабелген
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
е да моделираме веригите
на гръбначния мозък.
на гръбначния мозък.
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
Интересното е, че саламандърът
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
е запазил много примитивна верига,
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
която доста прилича на
тази на миногите,
тази на миногите,
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
онези примитивни риби,
подобни на змиорки
подобни на змиорки
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
и изглежда, че с еволюцията
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
са прибавени нови невронни
осцилатори да управляват крайниците
осцилатори да управляват крайниците
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
и да движат краката.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
Ние знаем къде са новите
невронни осцилатори,
невронни осцилатори,
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
но направихме математически модел, за да
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
видим как трябва да се комбинират,
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
за да позволят прехода между двете
много различни походки.
много различни походки.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
Проверихме това върху робот.
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
Ето как изглежда той.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
Тук виждате по-старо поколение
Плюробот,
Плюробот,
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
който изцяло се управлява от
нашия модел гръбначен мозък,
нашия модел гръбначен мозък,
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
програмиран върху робота.
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
Единственото, което правим
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
е да пращаме на робота дистанционно
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
двата низходящи сигнала, които
той обичайно трябва да получи
той обичайно трябва да получи
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
от по-висшите части на мозъка.
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
Интересното е, че играейки си
с тези сигнали,
с тези сигнали,
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
можем напълно да контролираме
скоростта, посоката и походката.
скоростта, посоката и походката.
08:41
For instance,
192
509600
1216
Например,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
когато стимулираме слабо,
предизвикваме ходещата походка
предизвикваме ходещата походка
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
и в един момент, ако стимулираме силно,
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
много бързо превключваме
към плуваща походка.
към плуваща походка.
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
И накрая, можем да превключим
много гладко
много гладко
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
само като стимулираме повече едната
страна на гръбначния мозък.
страна на гръбначния мозък.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Мисля, че е истински красив
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
начинът, по който природата е
разпределила контрола,
разпределила контрола,
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
давайки голяма отговорност
на гръбначния мозък,
на гръбначния мозък,
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
така че висшата част на мозъка да не
трябва да се тревожи за всеки мускул.
трябва да се тревожи за всеки мускул.
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
Тя отговаря само за модулацията
на високо ниво
на високо ниво
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
и е работа на гръбначния мозък
да координира всички мускули.
да координира всички мускули.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
Сега да преминем към движението
при котките и значението на биомеханиката.
при котките и значението на биомеханиката.
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Това е друг проект,
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
в който изучавахме биомеханиката
на котката
на котката
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
и искахме да разберем доколко
морфологията подпомага движението.
морфологията подпомага движението.
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
И открихме три важни критерия
при свойствата,
при свойствата,
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
основно на крайниците.
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
Първият е, че един котешки крайник
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
малко или повече има структурата
на пантограф.
на пантограф.
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
Пантографът е механична структура,
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
която запазва горния и долните сегменти
винаги успоредни.
винаги успоредни.
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, която
един вид координира малко
един вид координира малко
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
вътрешното движение на сегментите.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
Второто свойство на котешките крайници е,
че са много леки.
че са много леки.
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
Повечето мускули са в трупа,
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
което е добра идея, защото тогава
крайниците имат слаба инертност
крайниците имат слаба инертност
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
и могат да се движат много бързо.
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
Последното важно свойство е
голямата гъвкавост на котешкия крайник,
голямата гъвкавост на котешкия крайник,
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
за да се справя с въздействия и сили.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
Така проектирахме Гепардчето.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
Да поканим Гепардчето на сцената.
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
Питър Екърт прави докторската си
дисертация с този робот
дисертация с този робот
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
и както виждате, той е сладък малък робот.
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
Прилича малко на играчка,
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
но го използвахме като научен инструмент,
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
за да проучим свойствата на
краката на котката.
краката на котката.
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Виждате, много е податлив,
много лек,
много лек,
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
а също и много гъвкав,
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
така че лесно можете да го натиснете
без да се счупи.
без да се счупи.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
Всъщност, само ще подскочи.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
Голямата гъвкавост като свойство
също е много важна.
също е много важна.
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
Виждате също и свойствата
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
на тези три сегмента на крака
като пантограф.
като пантограф.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
Интересното е, че тази
доста динамична походка
доста динамична походка
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
се придобива само при отворена верига,
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
което означава без сензори, без
сложни вериги за обратна връзка.
сложни вериги за обратна връзка.
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
Интересно е, защото означава,
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
че само механиката вече е стабилизирала
тази доста бърза походка
тази доста бърза походка
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
и че истински добрата механика вече
съществено опростява движението.
съществено опростява движението.
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
До такава степен, че можем дори
да нарушим малко движението,
да нарушим малко движението,
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
както ще видите в следващото видео,
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
например като правим упражнения, караме
робота да слезе едно стъпало надолу
робота да слезе едно стъпало надолу
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
и роботът няма да падне,
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
което беше изненада за нас.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
Това е малкo смущение.
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
Очаквах роботът веднага да падне,
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
защото няма сензори и
бърза верига за обратна връзка.
бърза верига за обратна връзка.
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
Но не, механиката сама
стабилизира походката
стабилизира походката
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
и роботът не падна.
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Очевидно, ако направим по-голяма стъпка
и имаме препятствия,
и имаме препятствия,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
ни трябват веригите за пълен контрол,
рефлексите и всичко останало.
рефлексите и всичко останало.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Но важното тук е, че
при малко смущение,
при малко смущение,
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
механиката е наред.
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
И мисля, че това е много важно послание
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
от биомеханиката и роботиката
към невробиологията -
към невробиологията -
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
не подценявайте степента, в която
тялото вече помага на движението.
тялото вече помага на движението.
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
Как се отнася това до
движението при хората?
движението при хората?
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
Ясно е, че човешките движения са по-сложни
от тези на котката и саламандъра,
от тези на котката и саламандъра,
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
но в същото време нервната система
на хората много прилича
на хората много прилича
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
на тази при другите гръбначни.
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
Специално гръбначният мозък
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
също е основният контрольор
на движението при хората.
на движението при хората.
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
Затова, ако има увреждане на
гръбначния мозък,
гръбначния мозък,
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
то има драматични последствия.
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
Човек може да се парализира от кръста
надолу или всичките му крайници.
надолу или всичките му крайници.
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
Така е , защото мозъкът
губи комуникацията си
губи комуникацията си
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
с гръбначния мозък.
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
По-точно той губи
низходящата модулация
низходящата модулация
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
да инициира и модулира движение.
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
Важна цел на невропротезирането е
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
да може да възстанови тази комуникация,
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
използвайки електрически или
химически стимулации.
химически стимулации.
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
Има няколко екипа в света,
които правят точно това,
които правят точно това,
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
особено в EPFL.
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
Колегите ми Грегоар Куртин
и Силвестро Мичера,
и Силвестро Мичера,
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
с които си сътрудничим.
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Но за да направим това успешно,
е много важно да разберем
е много важно да разберем
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
как работи гръбначният мозък,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
как си взаимодейства с тялото
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
и как мозъкът общува
с гръбначния мозък.
с гръбначния мозък.
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
Точно тук роботите и моделите,
които представих днес,
които представих днес,
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
надявам се, ще играят важна роля
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
за постигането на тези много важни цели.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Благодаря ви.
12:54
(Applause)
287
762560
4560
(Аплодисменти)
13:04
Bruno Giussani: Auke, I've seen
in your lab other robots
in your lab other robots
288
772100
2636
Б.Джусани: Ауке, виждал съм в
лабораторията ти роботи
лабораторията ти роботи
13:06
that do things like swim in pollution
289
774760
2456
да правят неща като плуване в
замърсена среда
замърсена среда
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
и измерване на замърсяването,
докато плуват.
докато плуват.
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Но за този
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
ти спомена в беседата си
като страничен проект
като страничен проект
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
търсене и спасяване
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
и той има камера на носа си.
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Ауке Ишпеерт: Точно така. Роботът...
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
Имаме странични 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
в които искаме да използваме
роботите за търсене и спасяване,
роботите за търсене и спасяване,
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
затова този робот сега те вижда.
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
Голямата ни мечта е при трудна ситуация,
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
като рухнала сграда или
наводнена сграда,
наводнена сграда,
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
когато е много опасно за спасителен екип
и дори за кучета-спасители,
и дори за кучета-спасители,
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
защо да не изпратим робот, който
може да пълзи, плува, ходи
може да пълзи, плува, ходи
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
с камера в себе си, за да проучи
и идентифицира оцелелите и
и идентифицира оцелелите и
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
по възможност да създаде
комуникационна връзка с оцелелия.
комуникационна връзка с оцелелия.
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
БД: Разбира се, ако оцелелите не се
изплашат от формата на това.
изплашат от формата на това.
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
АИ: Да, може би трябва да променим
малко външния вид,
малко външния вид,
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
защотo, опасявам се, оцелелият
може да умре от инфаркт
може да умре от инфаркт
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
само от тревога, че това
ще го изяде.
ще го изяде.
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
Но с промяна на външния вид
и като го направим по-здрав,
и като го направим по-здрав,
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
сигурен съм, можем да го превърнем
в добър инструмент.
в добър инструмент.
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
БД: Благодаря ти много.
На теб и на твоя екип.
На теб и на твоя екип.
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