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Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Auke Ijspeert: Um robô que corre e nada como uma salamandra
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O roboticista Auke Ijspeert projeta biorrobôs, máquinas baseadas em animais reais que são capazes de lidar com terrenos complexos e apareceriam em casa nas páginas de um romance de ficção científica. O processo de criação desses robôs leva a uma melhor automação que pode ser usada em trabalho de campo, manutenção, e busca e resgate. Mas esses robôs não só imitam o mundo real, eles nos ajudam a entender melhor nossa própria biologia, desvendando segredos até então desconhecidos da medula espinhal.
Auke Ijspeert - Roboticist
Auke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience. Full bio
Auke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience. Full bio
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00:12
This is Pleurobot.
0
760
1840
Este é o Pleurobô.
00:15
Pleurobot is a robot that we designed
to closely mimic a salamander species
to closely mimic a salamander species
1
3400
3616
Ele é um robô que foi projetado
para imitar a espécie das salamandras
para imitar a espécie das salamandras
chamada: "Pleurodeles waltl".
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
Ele consegue andar, como podem ver,
e também consegue nadar,
como verão adiante.
como verão adiante.
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
Pode surgir a pergunta:
"Por que projetamos este robô?"
"Por que projetamos este robô?"
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
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
Ele foi projetado como uma ferramenta
científica para a neurociência.
científica para a neurociência.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
De fato, o desenvolvemos
com neurobiologistas
com neurobiologistas
para entender como os animais se movem
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
e, especialmente, como a medula espinhal
controla o movimento.
controla o movimento.
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
Mas quanto mais trabalho em biorrobótica,
00:41
But the more I work in biorobotics,
10
29560
1696
00:43
the more I'm really impressed
by animal locomotion.
by animal locomotion.
11
31280
2381
mais me impressiono pela locomoção animal.
00:45
If you think of a dolphin swimming
or a cat running or jumping around,
or a cat running or jumping around,
12
33920
4296
Se pensarmos num golfinho nadando,
num gato correndo ou pulando por aí...
num gato correndo ou pulando por aí...
ou ate mesmo em nós, humanos,
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
quando corremos ou jogamos tênis,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
fazemos coisas incríveis.
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
E de fato, nosso sistema nervoso resolve
um problema de controle muito complexo.
um problema de controle muito complexo.
Ele tem que coordenar, mais ou menos,
200 músculos perfeitamente,
200 músculos perfeitamente,
01:00
It has to coordinate
more or less 200 muscles perfectly,
more or less 200 muscles perfectly,
17
48040
3096
porque se a coordenação for ruim,
cairemos ou nos locomoveremos mal.
cairemos ou nos locomoveremos mal.
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
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
E meu objetivo é entender
como isso funciona.
como isso funciona.
Há quatro componentes principais
por trás da locomoção animal.
por trás da locomoção animal.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
O primeiro componente é o corpo em si,
e nunca deveríamos subestimar
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
em que medida a biomecânica
já simplifica a locomoção em animais.
já simplifica a locomoção em animais.
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
Depois, há a medula espinhal,
e nela há os reflexos;
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
múltiplos reflexos que criam
um circuito de coordenação sensório-motora
um circuito de coordenação sensório-motora
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
entre a atividade neuronal
na medula espinhal e a atividade mecânica.
na medula espinhal e a atividade mecânica.
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
O terceiro componente
são os geradores de padrão central.
são os geradores de padrão central.
São circuitos bem interessantes
na medula espinhal de animais vertebrados
na medula espinhal de animais vertebrados
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
que podem gerar, por si mesmos,
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
padrões rítmicos de atividade
bem coordenados
bem coordenados
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
enquanto recebem apenas
sinais de entrada bem simples.
sinais de entrada bem simples.
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
01:47
And these input signals
33
95720
1216
E esses sinais de entrada
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
que vêm da modulação descendente
das partes mais altas do cérebro,
das partes mais altas do cérebro,
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
como o córtex motor, o cerebelo,
os gânglios basais,
os gânglios basais,
irão modular a atividade
da medula espinhal
da medula espinhal
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
enquanto nos locomovemos.
01:56
while we do locomotion.
37
104920
1456
Mas o interessante é que apenas
um componente de baixo nível,
um componente de baixo nível,
01:58
But what's interesting is to what extent
just a low-level component,
just a low-level component,
38
106400
3216
a medula espinhal, com o corpo,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
já resolve a maior parte
do problema de locomoção.
do problema de locomoção.
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
Sabe-se disso, pois se a cabeça
de uma galinha for arrancada,
de uma galinha for arrancada,
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
ela ainda correrá um pouco,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
mostrando que apenas a parte baixa,
medula espinhal e corpo,
medula espinhal e corpo,
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
já resolve uma grande parte da locomoção.
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
Agora, entender como isso funciona
é bem complexo,
é bem complexo,
porque, em primeiro lugar,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
registrar a atividade
na medula espinhal é muito difícil.
na medula espinhal é muito difícil.
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
É mais fácil implantar eletrodos
no córtex motor
no córtex motor
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
do que na medula espinhal,
já que ela é protegida pelas vértebras.
já que ela é protegida pelas vértebras.
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
É muito difícil de se fazer em humanos.
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
A segunda dificuldade é que a locomoção
se dá numa complicadíssima
se dá numa complicadíssima
e muito dinâmica interação
entre esses quatro componentes.
entre esses quatro componentes.
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
Então é bem difícil descobrir
qual é o papel de cada um o tempo todo.
qual é o papel de cada um o tempo todo.
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
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
É aí que os biorrobôs, como o Pleurobô
e modelos matemáticos
e modelos matemáticos
podem ajudar.
02:44
can really help.
55
152640
1200
O que são os biorrobôs?
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
Os biorrobôs são um campo bem ativo
de pesquisa na Robótica,
de pesquisa na Robótica,
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
no qual as pessoas querem
se inspirar nos animais
se inspirar nos animais
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
para fazer com que os robôs
saiam ao ar livre,
saiam ao ar livre,
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
como os robôs de manutenção,
de pesquisa e resgate
de pesquisa e resgate
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
ou de campo.
02:59
or field robots.
61
167160
1200
E o maior objetivo
é se inspirar nos animais
é se inspirar nos animais
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
para que os robôs lidem
com terrenos complexos:
com terrenos complexos:
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
escadas, montanhas, florestas,
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
lugares onde eles ainda têm dificuldades
e onde os animais se viram muito melhor.
e onde os animais se viram muito melhor.
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
O robô pode ser uma maravilhosa
ferramenta científica também.
ferramenta científica também.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
Há uns projetos legais
em que os robôs são usados
em que os robôs são usados
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
como uma ferramenta científica
para a neurociência, biomecânica
para a neurociência, biomecânica
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
ou hidrodinâmica.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
E essa é exatamente
a finalidade do Pleurobô.
a finalidade do Pleurobô.
E o que fazemos no meu laboratório
é colaborar com neurobiologistas,
é colaborar com neurobiologistas,
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
como Jean-Marie Cabelguen,
um neurobiologista de Bordeaux, na França,
um neurobiologista de Bordeaux, na França,
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
e queremos fazer modelos
de medula espinhal e validá-los nos robôs.
de medula espinhal e validá-los nos robôs.
E queremos começar do básico.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
Então é bom começar com animais simples,
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
como as lampreias,
que são peixes bem primitivos
que são peixes bem primitivos
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
e aos poucos avançar
para a locomoção mais complexa,
para a locomoção mais complexa,
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
como a das salamandras,
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
mas também a dos gatos, humanos
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
e mamíferos.
03:45
in mammals.
80
213720
1200
E aqui o robô torna-se
uma interessante ferramenta
uma interessante ferramenta
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
para validar nossos modelos.
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
De fato, para mim, o Pleurobô
é um tipo de sonho se tornando realidade.
é um tipo de sonho se tornando realidade.
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
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
Há mais ou menos 20 anos,
eu já trabalhava no computador
eu já trabalhava no computador
fazendo simulações da locomoção
das lampreias e salamandras,
das lampreias e salamandras,
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
durante meu doutorado.
Mas eu sempre soube que minhas simulações
eram apenas aproximações.
eram apenas aproximações.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Por exemplo, simular a física na água,
ou na lama, ou num terreno complexo;
ou na lama, ou num terreno complexo;
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
é muito difícil simular isso
adequadamente num computador.
adequadamente num computador.
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
Por que não ter um robô real
e física real?
e física real?
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
Dentre todos esses animais,
um dos meus favoritos é a salamandra.
um dos meus favoritos é a salamandra.
Dá para questionar o porquê disso;
a razão é que, como um anfíbio,
a razão é que, como um anfíbio,
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
é um animal chave
do ponto de vista evolutivo.
do ponto de vista evolutivo.
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
Ela faz uma maravilhosa ligação
entre o nado,
entre o nado,
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
como se vê nas enguias ou peixes,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
e a locomoção quadrúpede,
como se vê nos mamíferos, gatos e humanos.
como se vê nos mamíferos, gatos e humanos.
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
Na verdade, a salamandra moderna
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
é bem próxima do primeiro
vertebrado terrestre,
vertebrado terrestre,
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
então ela é quase um fóssil vivo
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
que nos dá acesso ao nosso ancestral,
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
o ancestral de todos
os tetrápodes terrestres.
os tetrápodes terrestres.
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
A salamandra nada
ao fazer o que se chama
natação anguiliforme.
natação anguiliforme.
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
Ela propaga uma interessante onda
de atividade muscular, da cabeça à cauda.
de atividade muscular, da cabeça à cauda.
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
E se a salamandra for posta no chão,
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
ela muda para o que se chama
caminhada em marcha.
caminhada em marcha.
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
Neste caso, há uma interessante
ativação periódica dos membros,
ativação periódica dos membros,
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
que são muito bem coordenados,
com esta ondulação estacionária do corpo,
com esta ondulação estacionária do corpo,
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
e esta é exatamente a marcha
que se vê aqui no Pleurobô.
que se vê aqui no Pleurobô.
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
Agora, uma coisa que é bem surpreendente
e fascinante, na verdade,
e fascinante, na verdade,
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
é o fato de que tudo isso pode ser gerado
apenas pela medula espinhal e o corpo.
apenas pela medula espinhal e o corpo.
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
Então, se pegarmos
uma salamandra sem o cérebro...
uma salamandra sem o cérebro...
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
não é tão legal,
pois se remove sua cabeça...
pois se remove sua cabeça...
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
e estimularmos eletricamente
a medula espinhal,
a medula espinhal,
num nível baixo de estimulação,
isso induzirá a uma caminhada em marcha.
isso induzirá a uma caminhada em marcha.
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
Se a estimulação for um pouco maior,
a marcha acelera.
a marcha acelera.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
Em determinado ponto, há um limiar
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
e, automaticamente,
o animal começa a nadar.
o animal começa a nadar.
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
Isso é incrível!
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
Apenas mudando o estímulo global,
como se estivesse pisando no acelerador
como se estivesse pisando no acelerador
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
da modulação descendente
à medula espinhal,
à medula espinhal,
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
faz com que ocorra uma mudança completa
entre duas marchas bem diferentes.
entre duas marchas bem diferentes.
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
O mesmo fenômeno foi observado em gatos.
Estimulando a medula espinhal de um gato,
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
pode-se mudar entre o caminhar,
o trote e o galope.
o trote e o galope.
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
Ou em pássaros, pode-se mudar
entre caminhada,
entre caminhada,
num nível baixo de estimulação,
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
e o bater de asas num nível alto.
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
E isso mostra que a medula espinhal
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
é um controlador de locomoção
muito sofisticado.
muito sofisticado.
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
Então estudamos a locomoção
da salamandra detalhadamente,
da salamandra detalhadamente,
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
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
e conseguimos ter acesso
a uma máquina de vídeo de raio X
a uma máquina de vídeo de raio X
do Professor Martin Fischer
na Universidade de Jena, na Alemanha.
na Universidade de Jena, na Alemanha.
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
E graças a isso, há uma máquina incrível
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
para registrar toda a movimentação
de ossos detalhadamente.
de ossos detalhadamente.
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
Foi isso o que fizemos.
Basicamente, descobrimos quais ossos
são importantes para nós
são importantes para nós
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
e coletamos seus movimentos em 3D.
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
O que fizemos foi coletar
um banco de dados completo de movimentos,
um banco de dados completo de movimentos,
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
tanto na terra como na água,
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
para ter um banco de dados pleno
dos comportamentos motores
dos comportamentos motores
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
que um animal de verdade tem.
06:31
that a real animal can do.
144
379589
1244
E nosso trabalho como roboticistas
foi replicar isso no robô.
foi replicar isso no robô.
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
Fizemos um completo processo de otimização
para encontrar a estrutura certa,
para encontrar a estrutura certa,
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
onde colocar os motores, como conectá-los,
para ser capaz de reproduzir os movimentos
da melhor forma possível.
da melhor forma possível.
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
E foi assim que o Pleurobô veio à vida.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Vamos ver então a sua semelhança
em relação a um animal real.
em relação a um animal real.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
O que se vê aqui
é quase uma comparação direta
é quase uma comparação direta
entre o caminhar de um animal real
e o Pleurobô.
e o Pleurobô.
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
Pode-se notar que temos
uma reprodução quase exata
uma reprodução quase exata
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
da caminhada em marcha.
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
Se formos lentamente,
a percepção é ainda melhor.
a percepção é ainda melhor.
07:02
If you go backwards and slowly,
you see it even better.
you see it even better.
155
410240
2600
07:07
But even better, we can do swimming.
156
415520
2376
Mas melhor ainda, podemos fazê-lo nadar.
Para isso temos um traje impermeável
que colocamos pelo robô inteiro;
que colocamos pelo robô inteiro;
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
(Risos)
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
e então podemos colocá-lo na água
e a começar a reproduzir o nado.
e a começar a reproduzir o nado.
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
Ficamos muito felizes aqui,
porque isso é bem difícil de se fazer.
porque isso é bem difícil de se fazer.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
A física de interação é complexa.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
Nosso robô é muito maior
do que um animal pequeno,
do que um animal pequeno,
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
então fizemos o que se chama
de escalonamento dinâmico das frequências,
de escalonamento dinâmico das frequências,
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
para assegurar que tínhamos
as mesmas interações físicas.
as mesmas interações físicas.
07:28
to make sure we had
the same interaction physics.
the same interaction physics.
164
436400
2336
07:30
But you see at the end,
we have a very close match,
we have a very close match,
165
438760
2416
Mas nota-se que obtivemos
uma relação bem próxima
uma relação bem próxima
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
e ficamos muito, muito felizes com isso.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
Vamos então para a medula espinhal.
O que fizemos aqui
com Jean-Marie Cabelguen
com Jean-Marie Cabelguen
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
é um modelo de circuitos
da medula espinhal.
da medula espinhal.
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
O interessante é que a salamandra
manteve um circuito muito primitivo,
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
07:46
which is very similar
to the one we find in the lamprey,
to the one we find in the lamprey,
172
454844
2652
que é muito parecido
com o que encontramos na lampreia,
com o que encontramos na lampreia,
esta enguia primitiva;
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
e parece que durante a evolução,
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
novos osciladores neuronais foram
adicionados para controlar os membros,
adicionados para controlar os membros,
07:53
new neural oscillators
have been added to control the limbs,
have been added to control the limbs,
175
461280
2936
07:56
to do the leg locomotion.
176
464240
1416
para fazer a locomoção da pata.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
Sabemos onde estão
esses osciladores,
esses osciladores,
mas o que fizemos
foi criar um modelo matemático
foi criar um modelo matemático
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
para ver como eles poderiam ser acoplados
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
para permitir a transição entre esses dois
movimentos díspares.
movimentos díspares.
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
E testamos isso a bordo de um robô.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
E é assim que fica.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
O que se vê aqui
é a versão anterior do Pleurobô
é a versão anterior do Pleurobô
que é completamente controlada
pelo nosso modelo de medula espinhal
pelo nosso modelo de medula espinhal
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
programada a bordo do robô.
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
E a única coisa que fazemos
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
é enviar ao robô,
por um controle remoto,
por um controle remoto,
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
os dois sinais descendentes
que ele normalmente receberia
que ele normalmente receberia
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
da parte superior do cérebro.
08:33
from the upper part of the brain.
189
501240
1600
08:35
And what's interesting is,
by playing with these signals,
by playing with these signals,
190
503480
2696
E ao brincar com esses sinais,
podemos controlar completamente
a velocidade, direção e tipo de movimento.
a velocidade, direção e tipo de movimento.
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
Por exemplo,
quando estimulamos num nível baixo,
temos o movimento de caminhada,
temos o movimento de caminhada,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
e num determinado ponto,
se estimulamos muito,
se estimulamos muito,
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
rapidamente ele muda para o nado.
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
E finalmente, podemos também
fazer desvios com destreza,
fazer desvios com destreza,
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
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
apenas ao estimular mais um lado
da medula espinhal do que outro.
da medula espinhal do que outro.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
Eu acho muito bonito,
o modo como a natureza
distribuiu o controle
distribuiu o controle
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
para dar à medula espinhal
muita responsabilidade,
muita responsabilidade,
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
assim, a parte superior do cérebro
não precisa se preocupar com cada músculo,
não precisa se preocupar com cada músculo,
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
mas apenas com a modulação de alto nível,
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
e esse é o trabalho da medula espinhal
para coordenar todos os músculos.
para coordenar todos os músculos.
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
Vamos agora para a locomoção dos gatos
e a importância da biomecânica.
e a importância da biomecânica.
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
Este é outro projeto,
no qual estudamos a biomecânica dos gatos
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
e queremos ver o quanto a morfologia
ajuda na locomoção.
ajuda na locomoção.
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
E encontramos três critérios
importantes nas propriedades
importantes nas propriedades
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
dos membros, basicamente.
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
A primeira é que o membro de um gato
parece mais ou menos
como uma estrutura pantográfica.
como uma estrutura pantográfica.
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
Um pantógrafo é uma estrutura mecânica
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
que mantém o segmento superior
e inferior sempre paralelos.
e inferior sempre paralelos.
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
Um sistema geométrico simples
que coordena um pouco
que coordena um pouco
o movimento interno dos segmentos.
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
A segunda propriedade dos membros
dos gatos é que eles são bem leves.
dos gatos é que eles são bem leves.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
09:51
Most of the muscles are in the trunk,
217
579640
1856
A maioria dos músculos está no tronco,
uma boa ideia, já que os membros
têm baixa inércia
têm baixa inércia
09:53
which is a good idea,
because then the limbs have low inertia
because then the limbs have low inertia
218
581520
2896
e podem se mover bem rápido.
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
O último item importante
é este jeito elástico dos membros felinos,
é este jeito elástico dos membros felinos,
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
para lidar com impactos e forças.
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
E é assim como projetamos o Cheetah-Cub.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
Vamos chamar o Cheetah-Cub ao palco.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
Este é Peter Eckert,
que faz seu doutorado neste robô,
que faz seu doutorado neste robô,
e como se pode ver, é um robozinho bonito.
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
Parece um brinquedo,
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
mas foi usado mesmo
como uma ferramenta científica
como uma ferramenta científica
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
para investigar as propriedades
das patas dos gatos.
das patas dos gatos.
Como se nota, ele é bem dócil, bem leve
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
e também bem elástico;
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
então dá até para pressioná-lo
que ele não vai quebrar.
que ele não vai quebrar.
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
Ele vai apenas pular, na verdade.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
E essa propriedade bem elástica
é também muito importante.
é também muito importante.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
E dá para ver também
um pouco dessas propriedades
um pouco dessas propriedades
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
desses três segmentos
da pata como um pantógrafo.
da pata como um pantógrafo.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
O que é mais interessante
é que esta caminhada bem dinâmica
é que esta caminhada bem dinâmica
é obtida exclusivamente em malha aberta,
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
ou seja, sem sensores,
sem malhas complexas de feedback.
sem malhas complexas de feedback.
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
E isso é interessante, já que significa
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
que apenas a mecânica conseguiu
estabilizar esta marcha bem rápida
estabilizar esta marcha bem rápida
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
e que a boa mecânica
praticamente simplifica a locomoção.
praticamente simplifica a locomoção.
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
Na medida em que pudermos
dificultar um pouco a locomoção,
dificultar um pouco a locomoção,
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
como se pode ver no próximo vídeo,
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
em que fazemos um exercício
no qual o robô desce um degrau,
no qual o robô desce um degrau,
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
e ele não cai,
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
o que foi uma surpresa para nós.
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
Este é um pequeno obstáculo.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
Eu esperava que o robô
fosse cair imediatamente,
fosse cair imediatamente,
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
pois não há sensores,
nenhuma malha rápida de feedback.
nenhuma malha rápida de feedback.
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
Mas não, somente a mecânica
estabilizou a marcha,
estabilizou a marcha,
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
e o robô não cai.
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
Claro, se você aumentar o degrau
e se você tiver obstáculos,
e se você tiver obstáculos,
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
será preciso malhas de controle completas,
reflexos e tudo mais.
reflexos e tudo mais.
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
Mas o que importa aqui
é que para um pequeno obstáculo,
é que para um pequeno obstáculo,
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
a mecânica é justa.
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
E creio que isso seja
uma mensagem bem importante
uma mensagem bem importante
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
da biomecânica e da robótica
para a neurociência,
para a neurociência,
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
dizendo para não subestimar o poder
do corpo em ajudar na locomoção.
do corpo em ajudar na locomoção.
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
Agora, qual é a relação disso
com a locomoção humana?
com a locomoção humana?
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
A locomoção humana é mais complexa
do que a de um gato ou salamandra,
do que a de um gato ou salamandra,
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
mas, ao mesmo tempo,
o sistema nervoso humano é bem similar
o sistema nervoso humano é bem similar
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
ao dos outros vertebrados.
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
Particularmente a medula espinhal
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
é também o controle fundamental
para a locomoção nos humanos.
para a locomoção nos humanos.
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
É por isso que se há
uma lesão na medula espinhal,
uma lesão na medula espinhal,
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
ocorrem danos graves.
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
A pessoa pode ficar
paraplégica ou tetraplégica.
paraplégica ou tetraplégica.
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
Isso porque o cérebro
perde a comunicação
perde a comunicação
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
com a medula espinhal.
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
Precisamente, ele perde
a modulação descendente
a modulação descendente
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
para iniciar e modular a locomoção.
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
Um grande objetivo da neuroprostética
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
é ser capaz de reativar essa comunicação
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
usando estimulações elétricas e químicas.
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
E há várias equipes no mundo
que fazem exatamente isso,
que fazem exatamente isso,
especialmente na EPFL.
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
Meus colegas Grégoire Courtine
e Silvestro Micera,
e Silvestro Micera,
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
com os quais eu colaboro.
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Mas para fazer isso adequadamente,
é muito importante entender
é muito importante entender
como funciona a medula espinhal,
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
como ela interage com o corpo
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
e como o cérebro se comunica com ela.
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
É aí que os robôs e modelos
que eu apresentei hoje
que eu apresentei hoje
terão, tomara, um papel fundamental
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
em direção a esses importantes objetivos.
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
Obrigado.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
(Aplausos)
12:54
(Applause)
287
762560
4560
Bruno Giussani: Auke, eu vi
outros robôs em seu laboratório
outros robôs em seu laboratório
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
que fazem coisas como nadar na poluição
e medi-la enquanto nadam.
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
Mas este aqui,
13:11
But for this one,
291
779720
1216
você citou na sua palestra,
como um projeto à parte,
como um projeto à parte,
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
faz busca e regate,
e ele tem uma câmera no nariz.
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
Auke Ijspeert: Claro. O robô...
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Temos alguns projetos derivados
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
que gostaríamos de ter os robôs
fazendo inspeções de busca e resgate,
fazendo inspeções de busca e resgate,
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
então agora o robô está vendo você.
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
E o grande sonho é que se você tiver
uma situação complicada,
uma situação complicada,
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
como um prédio desmoronado
ou que está inundado,
ou que está inundado,
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
e isso é muito perigoso
para equipes ou mesmo cães de resgate,
para equipes ou mesmo cães de resgate,
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
por que não enviar um robô
que pode rastejar, nadar, andar,
que pode rastejar, nadar, andar,
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
com uma câmera a bordo para inspecionar,
identificar sobreviventes
identificar sobreviventes
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
e talvez criar um link
de comunicação com o sobrevivente?
de comunicação com o sobrevivente?
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
BG: Claro, considerando
que os sobreviventes não fiquem com medo
que os sobreviventes não fiquem com medo
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
pela forma disso.
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
AI: É, nós devíamos
mudar um pouco a aparência,
mudar um pouco a aparência,
porque eu acho que aqui o sobrevivente
poderia morrer de infarto
poderia morrer de infarto
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
ao temer que isso fosse
se alimentar dele.
se alimentar dele.
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
Mas ao mudarmos a aparência
e torná-lo mais robusto,
e torná-lo mais robusto,
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
estou certo de que será
uma boa ferramenta.
uma boa ferramenta.
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
BG: Muito obrigado.
Obrigado a você e à sua equipe.
Obrigado a você e à sua equipe.
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