TEDGlobal>Geneva
Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Auke Ijspeert: Robot, który pływa i biega jak traszka
Filmed:
Readability: 4.8
2,016,271 views
Robotyk Auke Ijspeert projektuje bioroboty, czyli maszyny wzorowane na zwierzętach, które są zdolne do radzenia sobie z trudnym terenem i z powodzeniem mogłyby pojawiać się na kartach powieści science-fiction. Proces tworzenia takich robotów prowadzi do ulepszania maszyn używanych do prac polowych, domowych czy ratowniczych. Roboty te nie tylko imitują naturę, ale też pomagają nam lepiej zrozumieć naszą biologię, ujawniając nieznane wcześniej sekrety rdzenia kręgowego.
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
Oto Pleurobot.
00:15
Pleurobot is a robot that we designed
to closely mimic a salamander species
to closely mimic a salamander species
1
3400
3616
Został zaprojektowany
na wzór gatunku zwanego traszką Waltla.
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
Pleurobot potrafi chodzić
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
i, jak zobaczycie później, także pływać.
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Może was zastanawiać,
po co go stworzyliśmy.
po co go stworzyliśmy.
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
Został skonstruowany
jako narzędzie naukowe w neuronauce
jako narzędzie naukowe w neuronauce
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
we współpracy z neurobiologami,
żeby zrozumieć poruszanie się zwierząt,
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
a szczególnie, jak rdzeń kręgowy
kontroluje poruszanie się.
kontroluje poruszanie się.
Im dłużej zajmuję się biorobotyką,
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
tym bardziej jestem
pod wrażeniem lokomocji zwierząt.
pod wrażeniem lokomocji zwierząt.
Jeśli pomyślicie o pływającym delfinie,
biegnącym lub skaczącym kocie
biegnącym lub skaczącym kocie
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
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
albo nawet o nas, ludziach,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
kiedy biegamy lub gramy w tenisa,
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
zauważycie, że robimy niezwykłe rzeczy.
Nasz układ nerwowy rozwiązuje
skomplikowany problem kontroli ruchu.
skomplikowany problem kontroli ruchu.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
Musi perfekcyjnie koordynować
pracę około 200 mięśni,
pracę około 200 mięśni,
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
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
bo inaczej upadamy lub źle się poruszamy.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
Moim celem jest zrozumieć, jak to działa.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Zwierzęca lokomocja składa się
z czterech głównych komponentów.
z czterech głównych komponentów.
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
Pierwszym jest ciało.
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
Nigdy nie powinniśmy lekceważyć tego,
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
w jakim stopniu biomechanika
uprościła już lokomocję zwierząt.
uprościła już lokomocję zwierząt.
Następny jest rdzeń kręgowy,
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
w którym znajdziemy liczne odruchy
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
tworzące sensomotoryczną pętlę koordynacji
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
między aktywnością neuronową
w rdzeniu kręgowym,
w rdzeniu kręgowym,
a aktywnością mechaniczną.
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
Trzecim komponentem są
centralne generatory wzorców.
centralne generatory wzorców.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
To bardzo interesujące
obiegi w rdzeniu kręgowym,
obiegi w rdzeniu kręgowym,
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
które potrafią same generować
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
bardzo skoordynowane
rytmicznie wzorce aktywności,
rytmicznie wzorce aktywności,
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
odbierając jedynie
bardzo proste sygnały wejściowe.
bardzo proste sygnały wejściowe.
01:47
And these input signals
33
95720
1216
Te sygnały pochodzące
z modulacji zstępującej
w górnych partiach mózgu,
w górnych partiach mózgu,
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
jak kora ruchowa,
móżdżek czy jądra podstawne,
móżdżek czy jądra podstawne,
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
modulują aktywność rdzenia kręgowego,
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
kiedy się poruszamy.
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
Interesujące jest, w jakim stopniu
podstawowe komponenty,
podstawowe komponenty,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
rdzeń kręgowy z ciałem,
rozwiązują znaczną część
problemu lokomocji.
problemu lokomocji.
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
Kiedy odetnie się głowę kurze,
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
a ona będzie biegać jeszcze przez moment,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
widać, że podstawowe komponenty,
czyli rdzeń kręgowy i ciało,
czyli rdzeń kręgowy i ciało,
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
odpowiadają za znaczną część lokomocji.
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Nie łatwo zrozumieć, jak to działa,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
bo po pierwsze
rejestrowanie aktywności
rdzenia kręgowego jest bardzo trudne.
rdzenia kręgowego jest bardzo trudne.
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
Znacznie łatwiej jest wszczepić
elektrody w korę ruchową
elektrody w korę ruchową
niż w rdzeń kręgowy chroniony przez kręgi.
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
Szczególnie trudno to zrobić u ludzi.
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
02:29
A second difficulty is that locomotion
is really due to a very complex
is really due to a very complex
51
137560
3776
Druga trudność jest taka,
że lokomocja działa dzięki bardzo złożonej
że lokomocja działa dzięki bardzo złożonej
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
i dynamicznej interakcji między
wszystkimi czterema komponentami.
wszystkimi czterema komponentami.
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
Bardzo trudno jest ustalić,
jaką mają rolę w czasie.
jaką mają rolę w czasie.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
Bioroboty, takie jak Pleurobot,
oraz modele matematyczne
oraz modele matematyczne
mogą być wtedy bardzo pomocne.
02:44
can really help.
55
152640
1200
Co to jest biorobotyka?
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
Jest to bardzo aktywna
dziedzina badań w zakresie robotyki,
dziedzina badań w zakresie robotyki,
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
w której ludzie chcą czerpać
inspirację od zwierząt,
inspirację od zwierząt,
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
żeby posłać roboty w teren,
jak roboty poszukiwawcze
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
czy do prac polowych.
02:59
or field robots.
61
167160
1200
Głównym celem jest
czerpanie inspiracji od zwierząt,
czerpanie inspiracji od zwierząt,
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
żeby stworzyć roboty
do prac w trudnych miejscach,
do prac w trudnych miejscach,
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
jak schody, góry, las,
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
gdzie wciąż mają one trudności,
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
a zwierzęta radzą sobie znacznie lepiej.
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
Robot może być również
wspaniałym narzędziem naukowym.
wspaniałym narzędziem naukowym.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
Istnieją ciekawe projekty,
wykorzystujące roboty
wykorzystujące roboty
jako narzędzia naukowe w neuronauce,
biomechanice czy hydrodynamice.
biomechanice czy hydrodynamice.
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
Właśnie po to powstał Pleurobot.
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
W moim laboratorium
współpracujemy z neurobiologami,
współpracujemy z neurobiologami,
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
jak Jean-Marie Cabelguen
z Bordeaux we Francji,
z Bordeaux we Francji,
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
tworząc i testując na robotach
modele rdzenia kręgowego.
modele rdzenia kręgowego.
Chcemy zacząć od prostych rzeczy.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
Dlatego zaczynamy od prostych zwierząt,
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
jak minogi, które są bardzo
prymitywnymi rybami,
prymitywnymi rybami,
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
a potem stopniowo przechodzimy
do bardziej złożonej lokomocji,
do bardziej złożonej lokomocji,
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
jak u traszki,
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
ale też u ssaków,
03:45
in mammals.
80
213720
1200
jak kota i człowieka,
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
Robot staje się interesującym narzędziem
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
w sprawdzaniu naszych modeli.
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
Pleurobot jest dla mnie
spełnieniem marzeń.
spełnieniem marzeń.
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
Mniej więcej 20 lat temu
tworzyłem już na komputerze
tworzyłem już na komputerze
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
symulacje lokomocji minoga i traszki,
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
robiąc doktorat.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Jednak zawsze wiedziałem,
że symulacje są tylko przybliżeniem.
że symulacje są tylko przybliżeniem.
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
Symulując właściwości fizyczne
w wodzie, błocie lub na złożonym podłożu,
w wodzie, błocie lub na złożonym podłożu,
bardzo trudno jest odpowiednio
odwzorować to na komputerze.
odwzorować to na komputerze.
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
Może warto mieć prawdziwego
robota i właściwości fizyczne?
robota i właściwości fizyczne?
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Jednym z moich ulubionych
zwierząt jest traszka,
zwierząt jest traszka,
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
bo jako płaz
jest naprawdę kluczowa
z punktu widzenia ewolucji.
z punktu widzenia ewolucji.
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
Tworzy doskonałe połączenie
pomiędzy pływaniem,
pomiędzy pływaniem,
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
charakterystycznym dla ryb,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
a poruszaniem się czworonogów,
jak u ssaków - kotów i ludzi.
jak u ssaków - kotów i ludzi.
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
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
Współczesna traszka
ma dużo wspólnego
z pierwszymi kręgowcami lądowymi,
z pierwszymi kręgowcami lądowymi,
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
więc jest prawie żywą skamieliną,
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
która daje nam dostęp do przodka
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
naszego i wszystkich lądowych
zwierząt czworonożnych.
zwierząt czworonożnych.
Traszki pływają,
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
wykonując tak zwany ruch węgorzowy,
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
czyli płynnie rozprzestrzeniając
falę aktywności mięśni od głowy po ogon.
falę aktywności mięśni od głowy po ogon.
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
Jeśli postawimy traszkę na ziemi,
przestawi się ona na ruch
zwany chodem kłusowym.
zwany chodem kłusowym.
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
Pojawia się okresowa aktywacja kończyn,
które są bardzo dobrze skoordynowane
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
z falą stojącą, jaką wykonuje ich ciało.
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
05:05
and that's exactly the gait
that you are seeing here on Pleurobot.
that you are seeing here on Pleurobot.
110
293200
3656
Dokładnie ten sam ruch wykonuje Pleurobot.
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Bardzo zaskakujące i fascynujące jest to,
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
że to wszystko może robić
sam rdzeń kręgowy i ciało.
sam rdzeń kręgowy i ciało.
Gdyby wziąć traszkę
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
pozbawioną głowy
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
i elektrycznie stymulować rdzeń kręgowy,
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
przy niskim poziomie stymulacji
wywoła to ruch przypominający chód.
wywoła to ruch przypominający chód.
Przy mocniejszej stymulacji
ruch ten staje się szybszy.
ruch ten staje się szybszy.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
W pewnym momencie przekraczamy próg,
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
a zwierzę automatycznie
przełącza się na pływanie.
przełącza się na pływanie.
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
Niesamowite.
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
Prosta zmiana ogólnego napędu,
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
tak jakbyśmy wciskali pedał gazu
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
modulacji zstępującej
do rdzenia kręgowego,
do rdzenia kręgowego,
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
powoduje przełączenie między
dwoma różnymi sposobami poruszania się.
dwoma różnymi sposobami poruszania się.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
To samo zaobserwowano u kotów.
Kiedy stymuluje się rdzeń kręgowy kota,
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
można przechodzić
z chodu w kłus lub galop.
z chodu w kłus lub galop.
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
U ptaków można przechodzić między chodem
na niskim poziomie stymulacji
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
a trzepotaniem skrzydeł
na wysokim poziomie stymulacji.
na wysokim poziomie stymulacji.
To pokazuje, że rdzeń kręgowy
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
jest bardzo złożonym
kontrolerem lokomocji.
kontrolerem lokomocji.
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
Zbadaliśmy szczegółowo lokomocję traszki
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
i uzyskaliśmy dostęp do wykonującego
nagrania aparatu rentgenowskiego
nagrania aparatu rentgenowskiego
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
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
profesora Martina Fischera
z Uniwersytetu w Jenie w Niemczech.
z Uniwersytetu w Jenie w Niemczech.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
Dzięki temu mamy wspaniałą maszynę
do szczegółowego nagrywania
wszystkich ruchów kości.
wszystkich ruchów kości.
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Oto, co zrobiliśmy.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
Przede wszystkim dowiedzieliśmy się,
które kości są dla nas istotne
które kości są dla nas istotne
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
i zebraliśmy całą bazę danych
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
ich ruchów w 3D,
zarówno na ziemi, jak i w wodzie,
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
żeby uzyskać kompletną bazę
zachowań motorycznych,
zachowań motorycznych,
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
jakie może wykonać zwierzę.
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
Naszym zadaniem jako robotyków
było skopiowanie ich do naszego robota.
było skopiowanie ich do naszego robota.
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
Przeprowadziliśmy całą optymalizację,
żeby znaleźć odpowiednią strukturę,
żeby znaleźć odpowiednią strukturę,
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
gdzie umieścić mechanizmy ruchowe
i jak je połączyć ze sobą,
i jak je połączyć ze sobą,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
żeby jak najdokładniej
odwzorować te ruchy.
odwzorować te ruchy.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Tak narodził się Pleurobot.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Spójrzmy, jak blisko mu
do prawdziwego zwierzęcia.
do prawdziwego zwierzęcia.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
To, co widzicie, jest niemal
bezpośrednim porównaniem
bezpośrednim porównaniem
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
sposobu chodzenia zwierzęcia i Pleurobota.
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
To niemal identyczne odwzorowanie
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
wykonywanych ruchów.
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
Widać to jeszcze lepiej, puszczając
nagranie od końca, w zwolnionym tempie.
nagranie od końca, w zwolnionym tempie.
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Co lepsze, możemy odtworzyć pływanie.
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
W tym celu ubieramy robota w skafander.
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Śmiech)
Wtedy możemy umieścić go w wodzie,
żeby zaczął odtwarzać ruchy pływackie.
żeby zaczął odtwarzać ruchy pływackie.
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
Byliśmy z tego bardzo zadowoleni,
bo jest to trudne do zrealizowania.
bo jest to trudne do zrealizowania.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
Właściwości fizyczne interakcji
są skomplikowane.
są skomplikowane.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
Nasz robot jest znacznie
większy niż małe zwierzę,
większy niż małe zwierzę,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
musieliśmy więc dokonać
dynamicznego skalowania częstotliwości,
dynamicznego skalowania częstotliwości,
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
żeby upewnić się, że mamy
te same właściwości interakcji.
te same właściwości interakcji.
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
Jak widzicie, stworzyliśmy
bardzo wierne odwzorowanie,
bardzo wierne odwzorowanie,
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
z czego jesteśmy bardzo zadowoleni.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Powróćmy do rdzenia kręgowego.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Z Jean-Marie Cabelguenem stworzyliśmy
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
model obwodu rdzenia kręgowego.
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
Co ciekawe, traszka nadal ma
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
bardzo prymitywny obwód,
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
podobny do tego u minoga,
tej prymitywnej ryby
przypominającej węgorza.
przypominającej węgorza.
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
Wygląda to tak, jakby w procesie ewolucji
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
dodane zostały nowe oscylatory neuronowe
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
kontrolujące poruszanie nogami.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
Wiemy, gdzie znajdują się te oscylatory,
ale stworzyliśmy matematyczny model,
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
żeby sprawdzić, jak je połączyć,
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
żeby umożliwić zmianę
między dwoma sposobami ruchu.
między dwoma sposobami ruchu.
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
Sprawdzaliśmy to na robocie.
Wygląda to tak.
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
Macie tu wcześniejszą wersję Pleurobota,
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
w pełni kontrolowaną
przez nasz model rdzenia kręgowego
przez nasz model rdzenia kręgowego
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
zaimplementowany robotowi.
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
Za pomocą pilota
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
przesyłamy robotowi
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
dwa hamujące sygnały,
które normalnie otrzymałby
które normalnie otrzymałby
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
z wyższych partii mózgu.
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
Co ciekawe, bawiąc się tymi sygnałami,
możemy kontrolować
prędkość, kierunek i typ ruchu.
prędkość, kierunek i typ ruchu.
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
08:41
For instance,
192
509600
1216
Dla przykładu,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
stymulując w niskim stopniu,
otrzymujemy chód,
otrzymujemy chód,
a w pewnym momencie,
jeśli stymulujemy bardziej,
jeśli stymulujemy bardziej,
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
chód bardzo szybko zmienia się w pływanie.
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
Co więcej, możemy również skręcać
przez mocniejszą stymulację
jednej strony rdzenia.
jednej strony rdzenia.
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
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Myślę, że to piękne,
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
jak natura rozdzieliła kontrolę,
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
żeby przydzielić wiele zadań
rdzeniowi kręgowemu,
rdzeniowi kręgowemu,
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
tak żeby wyższe partie mózgu
nie musiały się zajmować każdym mięśniem.
nie musiały się zajmować każdym mięśniem.
Muszą się tylko zajmować
zaawansowaną modulacją,
zaawansowaną modulacją,
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
a koordynacja wszystkich mięśni
jest zadaniem rdzenia kręgowego.
jest zadaniem rdzenia kręgowego.
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
Przejdźmy do lokomocji kotów
i znaczenia biomechaniki.
i znaczenia biomechaniki.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Oto inny projekt,
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
w którym badaliśmy biomechanikę kotów,
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
chcąc zobaczyć, jak bardzo
morfologia wspomaga lokomocję.
morfologia wspomaga lokomocję.
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
Odkryliśmy trzy ważne
właściwości kończyn.
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
Po pierwsze, kończyna kota
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
przypomina trochę pantograf.
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
Pantograf jest strukturą mechaniczną,
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
zawsze utrzymującą wyższy
i niższy segment równolegle.
i niższy segment równolegle.
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
Prosty geometryczny system,
który koordynuje nieco
który koordynuje nieco
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
wewnętrzny ruch segmentów.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
Po drugie, kończyny kota są bardzo lekkie.
Większość mięśni znajduje się w tułowiu,
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
dzięki czemu kończyny są mniej bezwładne
i można nimi szybko poruszać.
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
09:58
The last final important property is this
very elastic behavior of the cat limb,
very elastic behavior of the cat limb,
220
586240
3816
Ostatnią ważną właściwością
jest duża elastyczność kocich kończyn,
jest duża elastyczność kocich kończyn,
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
która pozwala operować
oddziaływaniem i siłami.
oddziaływaniem i siłami.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
Tak właśnie zaprojektowaliśmy Cheetah-Cub.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
Zaprośmy zatem Cheetah-Cub na scenę.
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
To jest Peter Eckert,
który doktoryzuje się z tego robota.
który doktoryzuje się z tego robota.
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
Jak widzicie, jest to słodkie maleństwo.
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
Wygląda trochę jak zabawka,
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
ale tak naprawdę został użyty
jako narzędzie naukowe
jako narzędzie naukowe
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
do zbadania właściwości kocich nóg.
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Jest on bardzo uległy, lekki
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
i elastyczny,
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
można go przyciskać i nie popsuje się.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
Będzie raczej podskakiwał.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
Ta elastyczność jest bardzo istotna.
Widać tu też właściwości
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
tych trzech segmentów nóg,
które działają jak pantograf.
które działają jak pantograf.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
Co ciekawe, ten dynamiczny chód
jest uzyskiwany tylko w otwartej pętli,
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
bez czujników i skomplikowanych
pętli sprzężenia zwrotnego.
pętli sprzężenia zwrotnego.
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
To ciekawe, bo oznacza,
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
że już sama mechanika
stabilizuje ten szybki chód,
stabilizuje ten szybki chód,
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
i że tak naprawdę dobra mechanika
znacznie upraszcza lokomocję.
znacznie upraszcza lokomocję.
Możemy nawet trochę
przeszkadzać w lokomocji,
przeszkadzać w lokomocji,
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
co zobaczycie w następnym filmie.
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
Można wykonać parę ćwiczeń,
w których robot zejdzie po schodach
w których robot zejdzie po schodach
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
i nie przewróci się,
co było dla nas zaskoczeniem.
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
To tylko mała perturbacja.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
Spodziewałem się,
że robot zaraz się przewróci,
że robot zaraz się przewróci,
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
bo nie było czujników
czy sprzężenia zwrotnego.
czy sprzężenia zwrotnego.
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
A jednak, mechanika stabilizowała chód
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
i robot nie upadł.
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Oczywiście, zwiększając krok
i dodając przeszkody,
i dodając przeszkody,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
będziemy potrzebować pełnych pętli
sterowania, odruchów i całej reszty.
sterowania, odruchów i całej reszty.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Ważne jest, że przy małej perturbacji
ta mechanika dobrze się spisuje.
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
Myślę, że to bardzo ważne przesłanie
od biomechaniki i robotyki dla neurologii,
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
że nie należy lekceważyć tego,
w jakim stopniu ciało wspomaga lokomocję.
w jakim stopniu ciało wspomaga lokomocję.
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
Jak się to odnosi do ludzkiej lokomocji?
Człowiek porusza się w sposób
bardziej złożony niż koty i traszki.
bardziej złożony niż koty i traszki.
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
Jednak ludzki układ nerwowy
jest bardzo podobny
jest bardzo podobny
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
do układów innych kręgowców.
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
Szczególnie rdzeń kręgowy
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
jest kluczowym narzędziem
kontroli ludzkiej lokomocji.
kontroli ludzkiej lokomocji.
Dlatego jeśli dojdzie
do uszkodzenia rdzenia,
do uszkodzenia rdzenia,
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
skutki są dramatyczne.
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
Taka osoba może stać się
paraplegikiem lub tetraplegikiem,
paraplegikiem lub tetraplegikiem,
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
bo mózg traci łączność
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
z rdzeniem kręgowym.
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
Traci szczególnie modulację zstępującą
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
do inicjowania i modulowania lokomocji.
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
Ważnym celem neuroprotetyki
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
jest reaktywacja tej komunikacji
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
przy użyciu stymulacji
elektrycznej czy chemicznej.
elektrycznej czy chemicznej.
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
Jest na świecie kilka zespołów,
które właśnie tym się zajmują,
które właśnie tym się zajmują,
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
głównie na Politechnice EPFL.
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
Grégoire Courtine i Silvestro Micera
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
współpracują ze mną.
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Żeby zrobić to dobrze, należy zrozumieć,
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
jak działa rdzeń kręgowy,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
jak oddziałuje na ciało
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
i jak mózg się z nim komunikuje.
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
Roboty i modele zaprezentowane tu dzisiaj
będą, miejmy nadzieję,
odgrywać kluczową rolę
odgrywać kluczową rolę
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
w realizacji tych bardzo ważnych celów.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Dziękuję.
(Brawa)
12:54
(Applause)
287
762560
4560
Bruno Giussani: Auke, widziałem
w twoim laboratorium inne roboty,
w twoim laboratorium inne roboty,
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
które na przykład podczas pływania
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
mierzą poziom zanieczyszczenia.
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Ale co do tego jednego,
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
wspomniałeś w swojej prelekcji
o pewnym projekcie pobocznym,
o pewnym projekcie pobocznym,
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
poszukiwanie i ratowanie,
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
i ten robot ma na nosie kamerę.
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Auke Ijspeert: Oczywiście.
Mamy kilka projektów pobocznych,
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
w których chcielibyśmy użyć robotów
do poszukiwań i akcji ratowniczych,
do poszukiwań i akcji ratowniczych,
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
więc ten robot cię teraz widzi.
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
Naszym marzeniem jest, żeby w razie
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
zawalenia się lub zalania budynku,
czyli sytuacji bardzo niebezpiecznej
dla ratowników, a nawet psów,
dla ratowników, a nawet psów,
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
móc wysłać tam robota,
który może czołgać się, pływać, chodzić,
który może czołgać się, pływać, chodzić,
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
z kamerą do badania terenu
i szukania osób, które przeżyły,
i szukania osób, które przeżyły,
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
umożliwiając nawet kontakt z nimi.
BG: Oczywiście zakładając,
że nie przestraszą się go.
że nie przestraszą się go.
13:49
BG: Of course, assuming the survivors
don't get scared by the shape of this.
don't get scared by the shape of this.
305
817240
3576
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
AI: Tak, powinnyśmy chyba
nieco zmienić jego wygląd,
nieco zmienić jego wygląd,
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
bo ktoś mógłby dostać zawału
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
ze strachu, że robot go pożre.
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
Zmieniając wygląd i wzmacniając robota,
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
możemy z niego zrobić świetne narzędzie.
Dziękuję bardzo tobie i twojemu zespołowi.
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
ABOUT THE SPEAKER
Auke Ijspeert - RoboticistAuke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience.
Why you should listen
Auke Ijspeert is a professor at the EPFL (the Swiss Federal Institute of Technology at Lausanne), and head of the Biorobotics Laboratory (BioRob). He has a BSc/MSc in Physics from the EPFL and a PhD in artificial intelligence from the University of Edinburgh, with John Hallam and David Willshaw as advisors. He carried out postdocs at IDSIA and EPFL with Jean-Daniel Nicoud and Luca Gambardella, and at the University of Southern California, with Michael Arbib and Stefan Schaal.
Ijspeert is interested in using numerical simulations and robots to get a better understanding of animal locomotion and movement control, and in using inspiration from biology to design novel types of robots and locomotion controllers.
Auke Ijspeert | Speaker | TED.com