TEDGlobal>Geneva
Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander
Ауке Эсперт: Робот, который бегает и плавает, как саламандра
Filmed:
Readability: 4.8
2,016,271 views
Ауке Эсперт — инженер, который создаёт биороботов. Это машины, смоделированные по образу животных и способные справиться с любой сложной поверхностью. Они могли бы появиться и дома на страницах научно-фантастического романа. Создание таких роботов приводит к усовершенствованию промышленных роботов для их последующего использования при полевых работах, обслуживании, поисковых и спасательных работах. Однако эти роботы не только имитируют окружающую нас природу. Они помогают нам лучше понять собственную биологию, раскрывая до сих пор неведомые тайны спинного мозга.
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.
Это «Плевробот».
00:12
This is Pleurobot.
0
760
1840
00:15
Pleurobot is a robot that we designed
to closely mimic a salamander species
to closely mimic a salamander species
1
3400
3616
Мы спроектировали его, чтобы лучше
скопировать один вид саламандры —
скопировать один вид саламандры —
00:19
called Pleurodeles waltl.
2
7040
1400
иглистого тритона.
00:21
Pleurobot can walk, as you can see here,
3
9240
2256
Как видите, «Плевробот» может ходить,
00:23
and as you'll see later, it can also swim.
4
11520
2040
а также плавать — это вы увидите позже.
00:26
So you might ask,
why did we design this robot?
why did we design this robot?
5
14280
2191
Вы спросите:
зачем мы создали этого робота?
зачем мы создали этого робота?
00:28
And in fact, this robot has been designed
as a scientific tool for neuroscience.
as a scientific tool for neuroscience.
6
16960
3762
Дело в том, что создан он в качестве
инструмента для нейробиологии.
инструмента для нейробиологии.
00:33
Indeed, we designed it
together with neurobiologists
together with neurobiologists
7
21400
2496
Мы создавали его вместе с нейробиологами,
00:35
to understand how animals move,
8
23920
1896
чтобы понять, как животные двигаются,
00:37
and especially how the spinal cord
controls locomotion.
controls locomotion.
9
25840
2760
в частности, как спинной мозг
управляет движением.
управляет движением.
Чем дольше я работаю
в биоробототехнике,
в биоробототехнике,
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
тем больше меня поражает
движение животных.
движение животных.
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
Если мы представим плавающего дельфина
или кошку, которая везде бегает и прыгает,
или кошку, которая везде бегает и прыгает,
00:50
or even us as humans,
13
38240
1576
или даже самих себя, людей,
00:51
when you go jogging or play tennis,
14
39840
1816
бегающих трусцой, играющих в теннис,
00:53
we do amazing things.
15
41680
1240
мы делаем удивительные вещи.
00:55
And in fact, our nervous system solves
a very, very complex control problem.
a very, very complex control problem.
16
43880
4136
И правда, наша нервная система решает
очень трудные вопросы управления.
очень трудные вопросы управления.
Ей нужно полностью координировать
работу примерно 200 мускулов,
работу примерно 200 мускулов,
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
а если координация нарушена,
мы падаем или двигаемся с трудом.
мы падаем или двигаемся с трудом.
01:07
And my goal is to understand
how this works.
how this works.
19
55560
2720
Моя задача — понять этот принцип работы.
01:11
There are four main components
behind animal locomotion.
behind animal locomotion.
20
59160
2840
Движение животных включает
в себя четыре составляющие.
в себя четыре составляющие.
01:14
The first component is just the body,
21
62800
1936
Первая — это само тело.
01:16
and in fact we should never underestimate
22
64760
1976
Не стоит недооценивать то,
01:18
to what extent the biomechanics
already simplify locomotion in animals.
already simplify locomotion in animals.
23
66760
3480
как биомеханика уже упростила
систему передвижения животных.
систему передвижения животных.
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
Далее, есть спинной мозг,
01:24
and in the spinal cord you find reflexes,
25
72400
1976
в котором сосредоточены рефлексы.
01:26
multiple reflexes that create
a sensorimotor coordination loop
a sensorimotor coordination loop
26
74400
3456
Многочисленные рефлексы создают
сенсомоторный узел координации
сенсомоторный узел координации
01:29
between neural activity in the spinal cord
and mechanical activity.
and mechanical activity.
27
77880
3480
между нервной активностью спинного
мозга и механическим движением.
мозга и механическим движением.
01:34
A third component
are central pattern generators.
are central pattern generators.
28
82000
2976
Третья составляющая —
центральные генераторы моделей.
центральные генераторы моделей.
01:37
These are very interesting circuits
in the spinal cord of vertebrate animals
in the spinal cord of vertebrate animals
29
85000
3896
Это очень интересные цепи спинного мозга
позвоночных животных,
позвоночных животных,
01:40
that can generate, by themselves,
30
88920
1616
которые могут сами воспроизвести
01:42
very coordinated
rhythmic patterns of activity
rhythmic patterns of activity
31
90560
2736
скоординированные ритмические
модели активности,
модели активности,
01:45
while receiving
only very simple input signals.
only very simple input signals.
32
93320
2376
получив довольно простые входящие сигналы.
Эти сигналы, в свою очередь,
01:47
And these input signals
33
95720
1216
поступают из нисходящей модуляции
высших отделов головного мозга,
высших отделов головного мозга,
01:48
coming from descending modulation
from higher parts of the brain,
from higher parts of the brain,
34
96960
3056
01:52
like the motor cortex,
the cerebellum, the basal ganglia,
the cerebellum, the basal ganglia,
35
100040
2696
например, двигательной зоны коры,
мозжечка и базальных ядер.
мозжечка и базальных ядер.
01:54
will all modulate activity
of the spinal cord
of the spinal cord
36
102760
2136
Эти сигналы управляют активностью
спинного мозга во время движения.
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
Но интересно, насколько составляющая
низшего уровня,
низшего уровня,
02:01
the spinal cord, together with the body,
39
109640
1936
спинной мозг вместе с телом,
02:03
already solve a big part
of the locomotion problem.
of the locomotion problem.
40
111600
2456
в бóльшей мере отвечают за движение.
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
Возможно, вы знаете,
что если отрубить курице голову,
что если отрубить курице голову,
туловище будет ещё двигаться,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
показывая, что низшая часть —
спинной мозг и тело —
спинной мозг и тело —
02:10
showing that just the lower part,
spinal cord and body,
spinal cord and body,
43
118937
2539
02:13
already solve a big part of locomotion.
44
121500
1873
в бóльшей мере отвечают
за передвижение.
за передвижение.
02:15
Now, understanding how this works
is very complex,
is very complex,
45
123397
2459
Понять принцип этой работы очень сложно,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
потому что, во-первых,
02:19
recording activity in the spinal cord
is very difficult.
is very difficult.
47
127200
2620
очень трудно записать
активность спинного мозга.
активность спинного мозга.
Легче вживить электроды
в двигательную зону коры головного мозга,
в двигательную зону коры головного мозга,
02:21
It's much easier to implant electrodes
in the motor cortex
in the motor cortex
48
129844
2772
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected by the vertebrae.
because it's protected by the vertebrae.
49
132640
3056
чем в спинной мозг,
поскольку его защищают позвонки.
поскольку его защищают позвонки.
02:27
Especially in humans, very hard to do.
50
135720
1816
С людьми это особенно сложно.
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
Ещё одна трудность состоит в том,
что движение происходит благодаря
что движение происходит благодаря
сложному и динамичному взаимодействию
данных четырёх составляющих.
данных четырёх составляющих.
02:33
and very dynamic interaction
between these four components.
between these four components.
52
141360
3056
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
Поэтому тяжело выяснить,
какова роль каждого с течением времени.
какова роль каждого с течением времени.
02:40
This is where biorobots like Pleurobot
and mathematical models
and mathematical models
54
148880
3736
Именно биороботы наподобие «Плевробота»
и математические модели
и математические модели
02:44
can really help.
55
152640
1200
могут помочь.
Что такое биоробототехника?
02:47
So what's biorobotics?
56
155480
1256
02:48
Biorobotics is a very active field
of research in robotics
of research in robotics
57
156760
2736
Это развивающиеся исследования
в сфере робототехники,
в сфере робототехники,
02:51
where people want to
take inspiration from animals
take inspiration from animals
58
159520
2456
где люди, вдохновившись образами животных,
02:54
to make robots to go outdoors,
59
162000
2456
хотят создать роботов
для работы вне помещения,
для работы вне помещения,
02:56
like service robots
or search and rescue robots
or search and rescue robots
60
164480
2656
например, служебных, поисково-спасательных
02:59
or field robots.
61
167160
1200
или полевых роботов.
03:00
And the big goal here
is to take inspiration from animals
is to take inspiration from animals
62
168880
2696
Главная задача: вдохновиться животными,
чтобы создавать роботов,
чтобы создавать роботов,
03:03
to make robots that can handle
complex terrain --
complex terrain --
63
171600
2336
которые могут осилить сложную территорию —
03:05
stairs, mountains, forests,
64
173960
1616
лестницы, горы, леса, —
места, где у роботов ещё
возникают проблемы,
возникают проблемы,
03:07
places where robots
still have difficulties
still have difficulties
65
175600
2016
03:09
and where animals
can do a much better job.
can do a much better job.
66
177640
2056
а животные справляются гораздо лучше.
03:11
The robot can be a wonderful
scientific tool as well.
scientific tool as well.
67
179720
2496
Робот может быть замечательным
инструментом для исследований.
инструментом для исследований.
03:14
There are some very nice projects
where robots are used,
where robots are used,
68
182240
2620
Есть несколько проектов,
где задействованы роботы.
где задействованы роботы.
03:16
like a scientific tool for neuroscience,
for biomechanics or for hydrodynamics.
for biomechanics or for hydrodynamics.
69
184884
3972
Это нейробиология, биомеханика
или гидродинамика.
или гидродинамика.
03:20
And this is exactly
the purpose of Pleurobot.
the purpose of Pleurobot.
70
188880
2120
В этом и заключается задача «Плевробота».
03:23
So what we do in my lab
is to collaborate with neurobiologists
is to collaborate with neurobiologists
71
191600
2936
В моей лаборатории мы сотрудничаем
с нейробиологами,
с нейробиологами,
в частности, с Жаном-Мари Кабелгеном,
нейробиологом из Бордо, Франция.
нейробиологом из Бордо, Франция.
03:26
like Jean-Marie Cabelguen,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
a neurobiologist in Bordeaux in France,
72
194560
3216
03:29
and we want to make spinal cord models
and validate them on robots.
and validate them on robots.
73
197800
4040
Мы хотим создать модели спинного мозга
и проверить их на роботах.
и проверить их на роботах.
03:34
And here we want to start simple.
74
202480
1616
Мы хотим начать с простого.
03:36
So it's good to start with simple animals
75
204120
1976
Лучше начинать с простых животных,
например с миноги,
самой примитивной рыбы,
самой примитивной рыбы,
03:38
like lampreys, which are
very primitive fish,
very primitive fish,
76
206120
2256
03:40
and then gradually
go toward more complex locomotion,
go toward more complex locomotion,
77
208400
2496
затем постепенно переходить
к сложным типам движения,
к сложным типам движения,
03:42
like in salamanders,
78
210920
1256
которые есть у саламандр,
03:44
but also in cats and in humans,
79
212200
1496
кошек, людей,
03:45
in mammals.
80
213720
1200
у млекопитающих.
03:47
And here, a robot becomes
an interesting tool
an interesting tool
81
215880
2376
И тут робот становится
интересным инструментом
интересным инструментом
03:50
to validate our models.
82
218280
1936
для проверки наших моделей.
03:52
And in fact, for me, Pleurobot
is a kind of dream becoming true.
is a kind of dream becoming true.
83
220240
3016
Для меня «Плевробот» — это что-то
вроде осуществившейся мечты.
вроде осуществившейся мечты.
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
Около 20 лет назад
я уже работал на компьютере
я уже работал на компьютере
03:58
making simulations of lamprey
and salamander locomotion
and salamander locomotion
85
226560
2656
и моделировал движения
миноги и саламандры,
миноги и саламандры,
04:01
during my PhD.
86
229240
1536
занимаясь своей кандидатской.
04:02
But I always knew that my simulations
were just approximations.
were just approximations.
87
230800
3376
Но я всегда знал,
что моё моделирование приблизительно.
что моё моделирование приблизительно.
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
Как физические процессы в воде, грязи
или смешанной почве сложно моделировать,
или смешанной почве сложно моделировать,
так же трудно смоделировать это
правильно и на компьютере.
правильно и на компьютере.
04:10
it's very hard to simulate that
properly on a computer.
properly on a computer.
89
238200
2656
04:12
Why not have a real robot
and real physics?
and real physics?
90
240880
2040
Отчего не использовать робота и физику?
04:15
So among all these animals,
one of my favorites is the salamander.
one of my favorites is the salamander.
91
243600
3136
Одно из моих любимых животных —
саламандра.
саламандра.
04:18
You might ask why,
and it's because as an amphibian,
and it's because as an amphibian,
92
246760
3456
Вы можете спросить: «Почему?»
Потому что это амфибия.
Потому что это амфибия.
04:22
it's a really key animal
from an evolutionary point of view.
from an evolutionary point of view.
93
250240
2856
С точки зрения эволюции,
это животное ключевое.
это животное ключевое.
04:25
It makes a wonderful link
between swimming,
between swimming,
94
253120
2056
Оно умеет плавать,
04:27
as you find it in eels or fish,
95
255200
1896
как рыба или угорь,
04:29
and quadruped locomotion,
as you see in mammals, in cats and humans.
as you see in mammals, in cats and humans.
96
257120
4120
и передвигаться так,
как это делают млекопитающие.
как это делают млекопитающие.
04:34
And in fact, the modern salamander
97
262160
1656
Современная саламандра
04:35
is very close to the first
terrestrial vertebrate,
terrestrial vertebrate,
98
263840
2376
очень похожа на первое
наземное позвоночное.
наземное позвоночное.
04:38
so it's almost a living fossil,
99
266240
1536
Это почти живое ископаемое,
и благодаря ему мы получаем
нашего предка,
нашего предка,
04:39
which gives us access to our ancestor,
100
267800
1936
04:41
the ancestor to all terrestrial tetrapods.
101
269760
2920
предка всех наземных четвероногих.
04:45
So the salamander swims
102
273240
1376
Поэтому саламандра плавает
04:46
by doing what's called
an anguilliform swimming gait,
an anguilliform swimming gait,
103
274640
2496
подобно угрю,
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
поэтому получается волна из-за движения
мускулов от головы до хвоста.
мускулов от головы до хвоста.
04:53
And if you place
the salamander on the ground,
the salamander on the ground,
105
281440
2176
А если поставить саламандру на землю,
04:55
it switches to what's called
a walking trot gait.
a walking trot gait.
106
283640
2336
она переключается на быстрый шаг.
Здесь видна периодическая
активность конечностей,
активность конечностей,
04:58
In this case, you have nice
periodic activation of the limbs
periodic activation of the limbs
107
286000
2863
05:00
which are very nicely coordinated
108
288887
1609
которая хорошо координируется
05:02
with this standing wave
undulation of the body,
undulation of the body,
109
290520
2656
благодаря стабильному
волнообразному движению тела.
волнообразному движению тела.
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
Эту походку как раз и можно
увидеть на примере «Плевробота».
увидеть на примере «Плевробота».
05:08
Now, one thing which is very surprising
and fascinating in fact
and fascinating in fact
111
296880
2976
Самое поразительное то,
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
что всё это может воспроизвести
спинной мозг и тело.
спинной мозг и тело.
05:16
So if you take
a decerebrated salamander --
a decerebrated salamander --
113
304040
2000
Если взять саламандру с удалённым мозгом,
05:18
it's not so nice
but you remove the head --
but you remove the head --
114
306064
2016
что, конечно, плохо, но голова удаляется,
если с помощью электричества
стимулировать спинной мозг
стимулировать спинной мозг
05:20
and if you electrically
stimulate the spinal cord,
stimulate the spinal cord,
115
308104
2672
05:22
at low level of stimulation
this will induce a walking-like gait.
this will induce a walking-like gait.
116
310800
3256
низкими волнами, то саламандра
начнёт «идти».
начнёт «идти».
Если немного увеличить стимуляцию,
походка ускорится.
походка ускорится.
05:26
If you stimulate a bit more,
the gait accelerates.
the gait accelerates.
117
314080
2456
На каком-то этапе есть некий предел,
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
05:30
and automatically,
the animal switches to swimming.
the animal switches to swimming.
119
318480
2536
и автоматически животное
переключается на плавание.
переключается на плавание.
05:33
This is amazing.
120
321040
1376
Это удивительно.
05:34
Just changing the global drive,
121
322440
1496
Лишь смена глобального привода,
05:35
as if you are pressing the gas pedal
122
323960
1736
будто нажатие на педаль акселератора
05:37
of descending modulation
to your spinal cord,
to your spinal cord,
123
325720
2136
нисходящей модуляции спинного мозга,
05:39
makes a complete switch
between two very different gaits.
between two very different gaits.
124
327880
3000
полностью переключает
два разных вида движений.
два разных вида движений.
05:44
And in fact, the same
has been observed in cats.
has been observed in cats.
125
332440
2576
Тот же самый эффект наблюдали
на примере кошек.
на примере кошек.
05:47
If you stimulate the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
Если стимулировать спинной мозг кошки,
05:49
you can switch between
walk, trot and gallop.
walk, trot and gallop.
127
337080
2216
можно переключать её с ходьбы
на быстрый шаг и бег.
на быстрый шаг и бег.
05:51
Or in birds, you can make a bird
switch between walking,
switch between walking,
128
339320
2736
Или у птиц можно переключать
режим ходьбы
режим ходьбы
05:54
at a low level of stimulation,
129
342080
1456
при низкой стимуляции,
05:55
and flapping its wings
at high-level stimulation.
at high-level stimulation.
130
343560
2816
а при высокой —
вызывать хлопанье крыльями.
вызывать хлопанье крыльями.
05:58
And this really shows that the spinal cord
131
346400
2016
Это доказывает, что спинной мозг —
06:00
is a very sophisticated
locomotion controller.
locomotion controller.
132
348440
2416
сложно устроенный регулятор движения.
06:02
So we studied salamander locomotion
in more detail,
in more detail,
133
350880
2456
Поэтому мы изучили движение
саламандры подробнее.
саламандры подробнее.
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
Мы получили доступ к рентгеновской
видеомашине
видеомашине
06:08
from Professor Martin Fischer
in Jena University in Germany.
in Jena University in Germany.
135
356480
3576
профессора Мартина Фишера
из Йенского университета в Германии.
из Йенского университета в Германии.
06:12
And thanks to that,
you really have an amazing machine
you really have an amazing machine
136
360080
2576
Благодаря ему у нас есть
потрясающая машина
потрясающая машина
06:14
to record all the bone motion
in great detail.
in great detail.
137
362680
2456
для детальной записи движения костей.
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
Вот что мы сделали.
06:18
So we basically figured out
which bones are important for us
which bones are important for us
139
366440
3176
В основном мы выяснили,
какие кости важны для нас,
какие кости важны для нас,
06:21
and collected their motion in 3D.
140
369640
3016
и спроектировали их движение
в трёхмерном изображении.
в трёхмерном изображении.
06:24
And what we did is collect
a whole database of motions,
a whole database of motions,
141
372680
2696
Мы собрали полную базу данных движений
на земле и в воде.
06:27
both on ground and in water,
142
375400
1656
06:29
to really collect a whole database
of motor behaviors
of motor behaviors
143
377080
2484
Собрали полную базу данных
двигательного поведения
двигательного поведения
06:31
that a real animal can do.
144
379589
1244
настоящего животного.
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
Задача робототехники в том,
чтобы повторить это в нашем роботе.
чтобы повторить это в нашем роботе.
06:36
So we did a whole optimization process
to find out the right structure,
to find out the right structure,
146
384033
3383
Мы провели полную оптимизацию,
чтобы найти подходящую конструкцию,
чтобы найти подходящую конструкцию,
06:39
where to place the motors,
how to connect them together,
how to connect them together,
147
387440
2656
где разместить двигатели,
как их соединить,
как их соединить,
06:42
to be able to replay
these motions as well as possible.
these motions as well as possible.
148
390120
2880
как лучше воспроизвести данные движения.
06:45
And this is how Pleurobot came to life.
149
393680
2360
Вот каким образом «Плевробот» ожил.
06:49
So let's look at how close
it is to the real animal.
it is to the real animal.
150
397200
2416
Посмотрим, насколько он похож
на реальное животное.
на реальное животное.
06:52
So what you see here
is almost a direct comparison
is almost a direct comparison
151
400960
2496
Вы видите здесь почти точное совпадение
06:55
between the walking
of the real animal and the Pleurobot.
of the real animal and the Pleurobot.
152
403480
2696
походки животного и «Плевробота».
06:58
You can see that we have
almost a one-to-one exact replay
almost a one-to-one exact replay
153
406200
2736
Как видите, у нас получается
почти точное воспроизведение
почти точное воспроизведение
07:00
of the walking gait.
154
408960
1256
этой походки.
Если перемотать медленно назад,
это видно гораздо лучше.
это видно гораздо лучше.
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
Но что ещё лучше — робот плавает.
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
Мы надеваем на него гидрокостюм —
07:12
(Laughter)
158
420960
1096
(Смех)
07:14
and then we can go in water
and start replaying the swimming gaits.
and start replaying the swimming gaits.
159
422080
3176
затем мы можем поместить его в воду
и включить плавание.
и включить плавание.
07:17
And here, we were very happy,
because this is difficult to do.
because this is difficult to do.
160
425280
3336
Мы очень обрадовались результатам работы,
так как это трудно сделать.
так как это трудно сделать.
07:20
The physics of interaction are complex.
161
428640
2216
Физика взаимодействия — предмет сложный.
Наш робот гораздо больше
живого существа.
живого существа.
07:22
Our robot is much bigger
than a small animal,
than a small animal,
162
430880
2416
07:25
so we had to do what's called
dynamic scaling of the frequencies
dynamic scaling of the frequencies
163
433320
3056
Нам пришлось динамически
изменить масштаб частот,
изменить масштаб частот,
чтобы убедиться,
что физика взаимодействия такая же.
что физика взаимодействия такая же.
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
В итоге у нас выходит
почти точное совпадение,
почти точное совпадение,
07:33
and we were very, very happy with this.
166
441200
1880
чему мы были очень рады.
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
А теперь вернёмся к спинному мозгу.
07:37
So here what we did
with Jean-Marie Cabelguen
with Jean-Marie Cabelguen
168
445720
2296
Вместе с Жаном-Мари Кабелгеном
мы создали
мы создали
07:40
is model the spinal cord circuits.
169
448040
2240
модель системы спинного мозга.
07:43
And what's interesting
is that the salamander
is that the salamander
170
451040
2136
Интересно, что у саламандры
07:45
has kept a very primitive circuit,
171
453200
1620
сохранилась примитивная система,
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
очень похожая на систему миноги,
07:49
this primitive eel-like fish,
173
457520
1976
примитивной угреподобной рыбы.
07:51
and it looks like during evolution,
174
459520
1736
Кажется, что во время эволюции
добавились новые нервные вибраторы
для управления конечностями,
для управления конечностями,
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
для их движения.
07:57
And we know where
these neural oscillators are
these neural oscillators are
177
465680
2176
Мы знаем, где находятся
эти новые вибраторы;
эти новые вибраторы;
07:59
but what we did was to make
a mathematical model
a mathematical model
178
467880
2256
мы создали математическую модель,
чтобы понять, как соединить их
08:02
to see how they should be coupled
179
470160
1616
08:03
to allow this transition
between the two very different gaits.
between the two very different gaits.
180
471800
2936
для перехода из одного вида
походки в другую.
походки в другую.
08:06
And we tested that on board of a robot.
181
474760
2560
Мы протестировали эту модель на роботе.
08:09
And this is how it looks.
182
477680
1200
Вот как это выглядит.
08:18
So what you see here
is a previous version of Pleurobot
is a previous version of Pleurobot
183
486920
3016
Здесь вы видите прежнюю
модель «Плевробота».
модель «Плевробота».
08:21
that's completely controlled
by our spinal cord model
by our spinal cord model
184
489960
3096
Он полностью управляется
нашей моделью спинного мозга,
нашей моделью спинного мозга,
08:25
programmed on board of the robot.
185
493080
1600
запрограммированной в роботе.
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
Мы лишь
08:28
is send to the robot
through a remote control
through a remote control
187
496520
2176
посылаем роботу в удалённом режиме
08:30
the two descending signals
it normally should receive
it normally should receive
188
498720
2496
два нисходящих сигнала,
которые он получит
которые он получит
из верхнего отдела головного мозга.
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
Интересно, что, посылая эти сигналы,
08:38
we can completely control
speed, heading and type of gait.
speed, heading and type of gait.
191
506200
2800
мы можем управлять скоростью,
направлением и движением.
направлением и движением.
08:41
For instance,
192
509600
1216
Например,
08:42
when we stimulate at a low level,
we have the walking gait,
we have the walking gait,
193
510840
3576
если у нас стимуляция низкая,
получается движение шагом,
получается движение шагом,
08:46
and at some point, if we stimulate a lot,
194
514440
1976
но если её немного усилить,
08:48
very rapidly it switches
to the swimming gait.
to the swimming gait.
195
516440
2160
то робот быстро переключится
на плавание.
на плавание.
08:51
And finally, we can also
do turning very nicely
do turning very nicely
196
519480
2216
Наконец, можно включить поворот,
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
больше стимулируя одну часть
спинного мозга.
спинного мозга.
08:58
And I think it's really beautiful
198
526200
1616
По-моему, замечательно,
08:59
how nature has distributed control
199
527840
2256
что природа распределила
систему управления,
систему управления,
09:02
to really give a lot of responsibility
to the spinal cord
to the spinal cord
200
530120
2856
чтобы предоставить большýю ответственность
спинному мозгу.
спинному мозгу.
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
А верхнему отделу головного мозга
нечего беспокоиться о каждом мускуле,
нечего беспокоиться о каждом мускуле,
09:08
It just has to worry
about this high-level modulation,
about this high-level modulation,
202
536680
2536
ему приходится отвечать
за высокоуровневую модуляцию.
за высокоуровневую модуляцию.
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
Работа спинного мозга заключается
в координации всех мускулов.
в координации всех мускулов.
09:14
So now let's go to cat locomotion
and the importance of biomechanics.
and the importance of biomechanics.
204
542840
3520
Теперь рассмотрим движения кошки
и значимость биомеханики.
и значимость биомеханики.
09:19
So this is another project
205
547080
1256
Вот другой проект,
09:20
where we studied cat biomechanics,
206
548360
2416
где мы изучали биомеханику кошки
09:22
and we wanted to see how much
the morphology helps locomotion.
the morphology helps locomotion.
207
550800
3896
и хотели узнать, насколько морфология
помогает движению.
помогает движению.
09:26
And we found three important
criteria in the properties,
criteria in the properties,
208
554720
3616
Мы обнаружили три важных критерия
данных свойств,
данных свойств,
09:30
basically, of the limbs.
209
558360
1320
а особенно конечностей.
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
Первый: конечность кошки
09:34
more or less looks
like a pantograph-like structure.
like a pantograph-like structure.
211
562320
2696
чем-то похожа на пантограф.
09:37
So a pantograph is a mechanical structure
212
565040
2216
Пантограф — это механизм,
09:39
which keeps the upper segment
and the lower segments always parallel.
and the lower segments always parallel.
213
567280
3400
который параллельно поддерживает
верхний и нижний сегменты.
верхний и нижний сегменты.
09:43
So a simple geometrical system
that kind of coordinates a bit
that kind of coordinates a bit
214
571600
3096
Простая геометрическая система
данного типа немного координирует
данного типа немного координирует
09:46
the internal movement of the segments.
215
574720
1816
внутреннее движение сегментов.
09:48
A second property of cat limbs
is that they are very lightweight.
is that they are very lightweight.
216
576560
3056
Второе свойство заключается
в лёгкости конечностей кошки.
в лёгкости конечностей кошки.
Большинство мышц находятся в туловище,
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
что очень хорошо, поскольку
у конечностей низкая инерция,
у конечностей низкая инерция,
09:56
and can be moved very rapidly.
219
584440
1776
а передвигаются они очень быстро.
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
И последнее свойство —
это эластичность конечностей,
это эластичность конечностей,
10:02
so to handle impacts and forces.
221
590080
2656
что позволяет справляться с ударами.
10:04
And this is how we designed Cheetah-Cub.
222
592760
2336
Вот как мы создали детёныша гепарда.
10:07
So let's invite Cheetah-Cub onstage.
223
595120
2200
Давайте пригласим его на сцену.
10:14
So this is Peter Eckert,
who does his PhD on this robot,
who does his PhD on this robot,
224
602160
3656
Это Питер Экерт. Он изучает этого робота
и работает над диссертацией.
и работает над диссертацией.
10:17
and as you see, it's a cute little robot.
225
605840
2056
Как видите, это маленький
прелестный робот.
прелестный робот.
Он похож на игрушку,
10:19
It looks a bit like a toy,
226
607920
1256
10:21
but it was really used
as a scientific tool
as a scientific tool
227
609200
2056
но использовали его в научных целях
10:23
to investigate these properties
of the legs of the cat.
of the legs of the cat.
228
611280
3296
для изучения конечностей кошки.
10:26
So you see, it's very compliant,
very lightweight,
very lightweight,
229
614600
2616
Он очень податливый, лёгкий
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
и пружинящий.
10:30
so you can easily press it down
and it will not break.
and it will not break.
231
618520
2776
Если на него слегка надавить,
он не сломается.
он не сломается.
10:33
It will just jump, in fact.
232
621320
1456
Он будет подпрыгивать.
10:34
And this very elastic property
is also very important.
is also very important.
233
622800
2880
Такая гибкость очень важна.
10:39
And you also see a bit these properties
234
627160
1896
Вы видите данные свойства
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph.
of the leg as pantograph.
235
629080
2400
трёх участков ноги на примере пантографа.
10:44
Now, what's interesting
is that this quite dynamic gait
is that this quite dynamic gait
236
632280
2776
Интересно, что такая довольно
динамичная походка
динамичная походка
10:47
is obtained purely in open loop,
237
635080
1896
достигается только при открытом цикле,
10:49
meaning no sensors,
no complex feedback loops.
no complex feedback loops.
238
637000
3136
т.е. без сенсоров и сложных
цепей обратной связи.
цепей обратной связи.
10:52
And that's interesting, because it means
239
640160
2416
Это означает,
10:54
that just the mechanics
already stabilized this quite rapid gait,
already stabilized this quite rapid gait,
240
642600
4016
что только механика стабилизировала
эту довольно быструю походку,
эту довольно быструю походку,
10:58
and that really good mechanics
already basically simplify locomotion.
already basically simplify locomotion.
241
646640
4176
и она же в основном упрощает движение.
11:02
To the extent that we can even
disturb a bit locomotion,
disturb a bit locomotion,
242
650840
3296
Мы можем нарушить движение
в какой-то мере,
в какой-то мере,
11:06
as you will see in the next video,
243
654160
1656
как видно на следующем видео,
11:07
where we can for instance do some exercise
where we have the robot go down a step,
where we have the robot go down a step,
244
655840
3896
где мы можем провести тренировку,
заставляя робота пройти через ступеньку.
заставляя робота пройти через ступеньку.
11:11
and the robot will not fall over,
245
659760
1616
Робот не упадёт.
11:13
which was a surprise for us.
246
661400
1576
Этот тест нас удивил.
Это лишь малое нарушение.
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
11:16
I was expecting the robot
to immediately fall over,
to immediately fall over,
248
664440
2416
Я ожидал, что робот упадёт сразу,
11:18
because there are no sensors,
no fast feedback loop.
no fast feedback loop.
249
666880
2436
так как нет сенсоров
и быстрой цепи обратной связи.
и быстрой цепи обратной связи.
11:21
But no, just the mechanics
stabilized the gait,
stabilized the gait,
250
669340
2196
Однако механика
стабилизировала движение,
стабилизировала движение,
11:23
and the robot doesn't fall over.
251
671560
1576
потому робот и не падает.
11:25
Obviously, if you make the step bigger,
and if you have obstacles,
and if you have obstacles,
252
673160
3136
Понятно, что если ступенька будет выше,
если появятся препятствия,
если появятся препятствия,
11:28
you need the full control loops
and reflexes and everything.
and reflexes and everything.
253
676320
3656
необходимо полностью контролировать
цепи, рефлексы и всё остальное.
цепи, рефлексы и всё остальное.
11:32
But what's important here
is that just for small perturbation,
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
Однако, чтобы справиться
с небольшими изменениями,
с небольшими изменениями,
11:34
the mechanics are right.
255
682960
1496
механики достаточно.
11:36
And I think this is
a very important message
a very important message
256
684480
2096
По-моему, это важный сигнал
11:38
from biomechanics and robotics
to neuroscience,
to neuroscience,
257
686600
2191
нейробиологии от биомеханики
и робототехники.
и робототехники.
11:40
saying don't underestimate to what extent
the body already helps locomotion.
the body already helps locomotion.
258
688815
4680
Его смысл: оценить по достоинству
помощь тела при движении.
помощь тела при движении.
11:47
Now, how does this relate
to human locomotion?
to human locomotion?
259
695440
2160
Как это относится к движениям человека?
11:49
Clearly, human locomotion is more complex
than cat and salamander locomotion,
than cat and salamander locomotion,
260
697960
3640
Система движения человека намного
сложнее, чем у кошки и саламандры,
сложнее, чем у кошки и саламандры,
11:54
but at the same time, the nervous system
of humans is very similar
of humans is very similar
261
702360
3136
но в то же время нервная система
человека очень похожа
человека очень похожа
11:57
to that of other vertebrates.
262
705520
1576
на систему позвоночных животных.
11:59
And especially the spinal cord
263
707120
1456
В частности, спинной мозг —
12:00
is also the key controller
for locomotion in humans.
for locomotion in humans.
264
708600
2640
это ключевой орган
управления движением у людей.
управления движением у людей.
12:03
That's why, if there's a lesion
of the spinal cord,
of the spinal cord,
265
711760
2416
Вот почему повреждение спинного мозга
12:06
this has dramatic effects.
266
714200
1496
грозит тяжёлыми последствиями.
12:07
The person can become
paraplegic or tetraplegic.
paraplegic or tetraplegic.
267
715720
2776
Человек может страдать параличом ног
или рук и ног.
или рук и ног.
12:10
This is because the brain
loses this communication
loses this communication
268
718520
2376
Это происходит потому, что головной мозг
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
теряет связь со спинным.
12:14
Especially, it loses
this descending modulation
this descending modulation
270
722200
2216
Он теряет нисходящую модуляцию
12:16
to initiate and modulate locomotion.
271
724440
1920
для начала и модулирования движения.
12:19
So a big goal of neuroprosthetics
272
727640
1696
Важная задача нейропротезирования —
12:21
is to be able to reactivate
that communication
that communication
273
729360
2376
иметь возможность возобновить эту связь
12:23
using electrical or chemical stimulations.
274
731760
2440
электрическим
или химическим стимулированием.
или химическим стимулированием.
12:26
And there are several teams
in the world that do exactly that,
in the world that do exactly that,
275
734840
2936
Несколько групп занимаются этим,
например Федеральная политехническая
школа Лозанны.
школа Лозанны.
12:29
especially at EPFL.
276
737800
1216
12:31
My colleagues Grégoire Courtine
and Silvestro Micera,
and Silvestro Micera,
277
739040
2496
Это мои коллеги Грегуар Куртин
и Сильвестро Мисера,
и Сильвестро Мисера,
12:33
with whom I collaborate.
278
741560
1240
с которыми я сотрудничаю.
12:35
But to do this properly,
it's very important to understand
it's very important to understand
279
743960
3096
Чтобы выполнить эту работу как следует,
важно понимать,
важно понимать,
12:39
how the spinal cord works,
280
747080
1736
как функционирует спинной мозг,
12:40
how it interacts with the body,
281
748840
1696
как он взаимодействует с телом,
12:42
and how the brain
communicates with the spinal cord.
communicates with the spinal cord.
282
750560
2480
каким образом головной мозг
связывается со спинным.
связывается со спинным.
12:45
This is where the robots
and models that I've presented today
and models that I've presented today
283
753800
2896
В этом вопросе представленные мной
сегодня роботы и модели,
сегодня роботы и модели,
12:48
will hopefully play a key role
284
756720
1896
будем надеяться, сыграют ключевую роль
12:50
towards these very important goals.
285
758640
2656
для достижения важных целей.
12:53
Thank you.
286
761320
1216
Спасибо.
12:54
(Applause)
287
762560
4560
(Аплодисменты)
13:04
Bruno Giussani: Auke, I've seen
in your lab other robots
in your lab other robots
288
772100
2636
Бруно Джуссани: Я видел у вас
других роботов,
других роботов,
13:06
that do things like swim in pollution
289
774760
2456
которые могут плавать в загрязнённой воде,
13:09
and measure the pollution while they swim.
290
777240
2456
измеряя при этом степень загрязнённости.
13:11
But for this one,
291
779720
1216
Говоря об этом роботе,
13:12
you mentioned in your talk,
like a side project,
like a side project,
292
780960
3480
вы упомянули о побочном проекте —
поиск и спасательные работы.
13:17
search and rescue,
293
785640
1216
13:18
and it does have a camera on its nose.
294
786880
2176
И на носу у робота как раз есть камера.
13:21
Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot --
295
789080
2496
Аке Иджспирт: Верно. Поэтому робот…
13:23
We have some spin-off projects
296
791600
1429
Есть несколько проектов,
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
где бы мы хотели использовать роботов
при таких операциях.
при таких операциях.
13:28
so this robot is now seeing you.
298
796520
1576
В данный момент робот вас видит.
13:30
And the big dream is to,
if you have a difficult situation
if you have a difficult situation
299
798120
3176
Наша главная мечта такова:
если возникает тяжёлая ситуация,
если возникает тяжёлая ситуация,
13:33
like a collapsed building
or a building that is flooded,
or a building that is flooded,
300
801320
3616
например, есть разрушенное
или подтопленное здание,
или подтопленное здание,
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
и в него очень опасно проникнуть
спасателям или даже собакам,
спасателям или даже собакам,
13:40
why not send in a robot
that can crawl around, swim, walk,
that can crawl around, swim, walk,
302
808320
2896
можно направить туда робота,
который по-разному двигается
который по-разному двигается
13:43
with a camera onboard
to do inspection and identify survivors
to do inspection and identify survivors
303
811240
3176
с камерой, чтобы провести осмотр
и найти уцелевших
и найти уцелевших
13:46
and possibly create
a communication link with the survivor.
a communication link with the survivor.
304
814440
2776
и, возможно, установить связь
с оставшимися в живых.
с оставшимися в живых.
13:49
BG: Of course, assuming the survivors
don't get scared by the shape of this.
don't get scared by the shape of this.
305
817240
3576
БД: Конечно, если предположить,
что уцелевшие не испугаются его вида.
что уцелевшие не испугаются его вида.
13:52
AI: Yeah, we should probably
change the appearance quite a bit,
change the appearance quite a bit,
306
820840
3296
АИ: Да, нам следует немного
изменить его внешний вид,
изменить его внешний вид,
13:56
because here I guess a survivor
might die of a heart attack
might die of a heart attack
307
824160
2816
потому что уцелевший мог бы
умереть от сердечного приступа,
умереть от сердечного приступа,
13:59
just of being worried
that this would feed on you.
that this would feed on you.
308
827000
2536
испугавшись, что эта штука
может его съесть.
может его съесть.
14:01
But by changing the appearance
and it making it more robust,
and it making it more robust,
309
829560
2856
Но изменив его вид и сделав его прочнее,
14:04
I'm sure we can make
a good tool out of it.
a good tool out of it.
310
832440
2056
я уверен, можно создать
хороший инструмент.
хороший инструмент.
14:06
BG: Thank you very much.
Thank you and your team.
Thank you and your team.
311
834520
2286
БД.: Спасибо большое
вам и вашей команде.
вам и вашей команде.
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