TED2002
Robert Full: Robots inspired by cockroach ingenuity
Роберт Фул о технике и эволюции
Filmed:
Readability: 3.6
1,087,679 views
В ходе эволюции насекомые и животные сумели развить поразительные навыки, но, как отмечает Роберт Фул, многие животные технически чрезвычайно сложно устроены. Секрет в том, чтобы копировать только то, что нужно. Он показывает как инженеры могут перенять у животных их хитрости.
Robert Full - Biologist
Robert Full studies cockroach legs and gecko feet. His research is helping build tomorrow's robots, based on evolution's ancient engineering. Full bio
Robert Full studies cockroach legs and gecko feet. His research is helping build tomorrow's robots, based on evolution's ancient engineering. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:19
Welcome. If I could have the first slide, please?
0
1000
5000
Здравствуйте. Можно, пожалуйста, первый слайд?
00:33
Contrary to calculations made by some engineers, bees can fly,
1
15000
5000
Вопреки расчётам некоторых инженеров, пчёлы могут летать,
00:38
dolphins can swim, and geckos can even climb
2
20000
7000
дельфины могут плавать, а гекконы даже взбираться
00:45
up the smoothest surfaces. Now, what I want to do, in the short time I have,
3
27000
6000
по самым гладким вертикальным поверхностям. За время этой короткой презентации
00:51
is to try to allow each of you to experience
4
33000
4000
я хочу дать вам возможность испытать
00:55
the thrill of revealing nature's design.
5
37000
6000
глубокое волнение от открытия того, как конструирует свои творения природа.
01:01
I get to do this all the time, and it's just incredible.
6
43000
2000
Я занимаюсь этим постоянно и не перестаю удивляться.
01:03
I want to try to share just a little bit of that with you in this presentation.
7
45000
6000
И сегодня я хочу поделиться с вами хотя бы небольшой частью этих наблюдений.
01:09
The challenge of looking at nature's designs --
8
51000
2000
Сложность в наблюдении за природными инженерными решениями —
01:11
and I'll tell you the way that we perceive it, and the way we've used it.
9
53000
4000
и я расскажу вам о том, как мы их постигаем и используем.
01:15
The challenge, of course, is to answer this question:
10
57000
2000
Сложность, собственно, в следующем вопросе:
01:17
what permits this extraordinary performance of animals
11
59000
3000
какие особенные характеристики позволяют животным
01:20
that allows them basically to go anywhere?
12
62000
3000
передвигаться, в общем-то, где угодно?
01:23
And if we could figure that out, how can we implement those designs?
13
65000
7000
И если нам удастся разобраться, как мы сможем применить такие разработки?
01:30
Well, many biologists will tell engineers, and others,
14
72000
3000
Биологи, конечно же, ответят инженерам и всем остальным,
01:33
organisms have millions of years to get it right;
15
75000
3000
что у живых организмов были миллионы лет чтобы найти верное применение;
01:36
they're spectacular; they can do everything wonderfully well.
16
78000
3000
они впечатляют; они что угодно выполняют поразительно удачно.
01:39
So, the answer is bio-mimicry: just copy nature directly.
17
81000
4000
Итак, решение — это «био-мимикрия» — прямое подражание природе.
01:43
We know from working on animals that the truth is
18
85000
5000
Работая с животными, мы поняли,
01:48
that's exactly what you don't want to do -- because evolution works
19
90000
4000
что как-раз этого делать не нужно, потому что эволюция
01:52
on the just-good-enough principle, not on a perfecting principle.
20
94000
3000
использует принцип «достаточного качества», а не совершенствования.
01:55
And the constraints in building any organism, when you look at it,
21
97000
4000
И ограничения в устройстве любого организма, если присмотреться,
01:59
are really severe. Natural technologies have incredible constraints.
22
101000
5000
очень жёсткие. У природных конструкций невероятные ограничения.
02:04
Think about it. If you were an engineer and I told you
23
106000
3000
Только представьте себе. Если бы вы были инженером и я сказал бы вам,
02:07
that you had to build an automobile, but it had to start off to be this big,
24
109000
5000
что вы должны сконструировать автомобиль, но в начале он должен быть вот такого размера,
02:12
then it had to grow to be full size and had to work every step along the way.
25
114000
4000
а затем он должен вырасти вот на столько, но в процессе роста он должен постоянно ездить.
02:16
Or think about the fact that if you build an automobile, I'll tell you that you also -- inside it --
26
118000
4000
Теперь представтье, что вы как-то всё же построили автомобиль, и теперь я говорю вам,
02:20
have to put a factory that allows you to make another automobile.
27
122000
4000
что ещё у него внутри должен быть завод, чтоб строить другие автомобили.
02:24
(Laughter)
28
126000
2000
(Смех в зале)
02:26
And you can absolutely never, absolutely never, because of history
29
128000
4000
И вам нельзя, совершенно нельзя, из-за предыстории
02:30
and the inherited plan, start with a clean slate.
30
132000
4000
и унаследованного устройства, начать с чистого листа.
02:34
So, organisms have this important history.
31
136000
3000
Итак, у организмов есть эта важная предыстория.
02:37
Really evolution works more like a tinkerer than an engineer.
32
139000
5000
В действительности эволюция работает скорее как жестянщик, чем как инженер.
02:42
And this is really important when you begin to look at animals.
33
144000
3000
И понимание этого факта становится по-настоящему важным, если посмотреть на животных.
02:45
Instead, we believe you need to be inspired by biology.
34
147000
7000
Мы считаем, что инженер должен черпать вдохновение в работе природы.
02:52
You need to discover the general principles of nature,
35
154000
4000
Необходимо открыть её основные принципы
02:56
and then use these analogies when they're advantageous.
36
158000
3000
и затем использовать их аналоги, если они полезны.
03:02
This is a real challenge to do this, because animals,
37
164000
3000
Это по-настоящему серьёзный вызов,
03:05
when you start to really look inside them -- how they work --
38
167000
3000
потому что когда начинаешь изучать животных, изучать то, как они устроены,
03:08
appear hopelessly complex. There's no detailed history
39
170000
4000
оказывается что они бесконечно сложны. И негде узнать о технологическом процессе,
03:12
of the design plans, you can't go look it up anywhere.
40
174000
3000
негде посмотреть историю чертежей.
03:15
They have way too many motions for their joints, too many muscles.
41
177000
4000
У них слишком много возможных движений суставов, слишком много мышц.
03:19
Even the simplest animal we think of, something like an insect,
42
181000
3000
Даже у простейших животных, даже у насекомых
03:22
and they have more neurons and connections than you can imagine.
43
184000
3000
есть больше нейронов и связей, чем мы можем представить.
03:25
How can you make sense of this? Well, we believed --
44
187000
5000
Как во всём этом разобраться? Ну, мы посчитали
03:30
and we hypothesized -- that one way animals could work simply,
45
192000
5000
и выдвинули гипотезу, что вообще-то животные могут двигаться просто,
03:35
is if the control of their movements
46
197000
3000
если контроль их движений
03:38
tended to be built into their bodies themselves.
47
200000
6000
является частью качеств самой конструкции их тела.
03:44
What we discovered was that two-, four-, six- and eight-legged animals
48
206000
7000
Мы обнаружили, что двух-, четырёх-, шести- и восьминогие животные
03:51
all produce the same forces on the ground when they move.
49
213000
3000
прилагают к земле один и тот же тип усилия, когда движутся.
03:54
They all work like this kangaroo, they bounce.
50
216000
4000
Они все передвигаются как этот кенгуру, они прыгают.
03:58
And they can be modeled by a spring-mass system that we call the spring mass system
51
220000
4000
И механику их движения можно смоделировать системой пружин, которую мы и называем «система пружин»,
04:02
because we're biomechanists. It's actually a pogo stick.
52
224000
3000
потому что мы биомеханики, а вообще-то она напоминает тренажёр «Кузнечик».
04:05
They all produce the pattern of a pogo stick. How is that true?
53
227000
4000
Все животные движутся по тому же принципу, что эта пружина. Как это может быть?
04:09
Well, a human, one of your legs works like two legs of a trotting dog,
54
231000
6000
Одна нога человека работает, как две ноги бегущей рысцой собаки
04:15
or works like three legs, together as one, of a trotting insect,
55
237000
4000
или как три ноги бегущего насекомого взятые вместе,
04:19
or four legs as one of a trotting crab.
56
241000
2000
или как четыре ноги бегущего краба.
04:21
And then they alternate in their propulsion,
57
243000
4000
Движущая сила у этих животных различается,
04:25
but the patterns are all the same. Almost every organism we've looked at this way
58
247000
5000
но принцип движения у всех одинаков. Почти у всех животных, которых мы рассмотрели.
04:30
-- you'll see next week, I'll give you a hint,
59
252000
2000
Хотя на следующей неделе — выдам вам маленький секрет —
04:32
there'll be an article coming out that says that really big things
60
254000
3000
выйдет статья, где говорится, что некоторые очень большие животные,
04:35
like T. rex probably couldn't do this, but you'll see that next week.
61
257000
4000
такие, как тиранозавр Рекс, вероятно не могли так двигаться, но об этом — на следующей неделе.
04:39
Now, what's interesting is the animals, then -- we said -- bounce along
62
261000
2000
Интересным является также следующий факт: мы упомянули,
04:41
the vertical plane this way, and in our collaborations with Pixar,
63
263000
3000
что животные совершают прыжки вверх-вниз; и в нашей работе с «Pixar»,
04:44
in "A Bug's Life," we discussed the
64
266000
2000
когда мы обсуждали мультфильм «Приключения Флика»,
04:46
bipedal nature of the characters of the ants.
65
268000
3000
зашёл разговор о том, что персонажи изображены, как ходящие на двух ногах.
04:49
And we told them, of course, they move in another plane as well.
66
271000
2000
Мы сказали им, что муравьи вообще-то могут передвигаться и в другой плоскости,
04:51
And they asked us this question. They say, "Why model
67
273000
3000
на что нам задали вопрос: «Почему в таком случае
04:54
just in the sagittal plane or the vertical plane,
68
276000
2000
вы моделируете движение животных только в вертикальной плоскости,
04:56
when you're telling us these animals are moving
69
278000
2000
если вы говорите нам, что они могут также двигаться
04:58
in the horizontal plane?" This is a good question.
70
280000
3000
и в горизонтальной?» Хороший вопрос!
05:01
Nobody in biology ever modeled it this way.
71
283000
3000
Никто из биологов никогда не строил таких моделей.
05:04
We took their advice and we modeled the animals moving
72
286000
4000
Мы решили последовать их совету и смоделировать движение животного
05:08
in the horizontal plane as well. We took their three legs,
73
290000
3000
так же и в горизонтальной плоскости. Мы взяли три ноги
05:11
we collapsed them down as one.
74
293000
1000
и посчитали создаваемый ими импульс как для одной.
05:12
We got some of the best mathematicians in the world
75
294000
3000
Мы привлекли одних из лучших математиков в мире.
05:15
from Princeton to work on this problem.
76
297000
2000
Специалисты из Принстона работали над этой проблемой.
05:17
And we were able to create a model
77
299000
3000
И нам удалось создать модель,
05:20
where animals are not only bouncing up and down,
78
302000
1000
которая воссоздаёт не только прыжковое движение животного вверх-вниз,
05:21
but they're also bouncing side to side at the same time.
79
303000
4000
но ещё и прыжки из стороны в сторону вместе с этим.
05:25
And many organisms fit this kind of pattern.
80
307000
2000
И оказалось — движение многих животных вписывается в такую схему.
05:27
Now, why is this important to have this model?
81
309000
2000
Почему для нас так было важно её создать?
05:29
Because it's very interesting. When you take this model
82
311000
3000
Потому что это очень интересно. Когда вы берёте эту модель
05:32
and you perturb it, you give it a push,
83
314000
3000
и приводите её в движение, даёте ей толчёк,
05:35
as it bumps into something, it self-stabilizes, with no brain
84
317000
4000
сталкиваясь с препятствием, она сама стабилизирует себя — не имея ни мозга,
05:39
or no reflexes, just by the structure alone.
85
321000
4000
ни рефлексов — благодаря одной лишь структуре!
05:43
It's a beautiful model. Let's look at the mathematics.
86
325000
5000
Это прекрасная модель. Давайте оценим математическую красоту её формул.
05:48
(Laughter)
87
330000
2000
(Смех в зале)
05:50
That's enough!
88
332000
1000
Хватит.
05:51
(Laughter)
89
333000
4000
(Смех в зале)
05:55
The animals, when you look at them running,
90
337000
2000
Если посмотреть на бегущее животное,
05:57
appear to be self-stabilizing like this,
91
339000
3000
то окажется, что оно стабилизирует своё положение,
06:00
using basically springy legs. That is, the legs can do
92
342000
3000
обходясь в основном, пружинящими ногами. То есть их ноги
06:03
computations on their own; the control algorithms, in a sense,
93
345000
3000
и делают вычисления; в том смысле, что алгоритмы управления
06:06
are embedded in the form of the animal itself.
94
348000
3000
встроены в саму форму животного.
06:09
Why haven't we been more inspired by nature and these kinds of discoveries?
95
351000
7000
Почему же нас не вдохновляют открытия подобные этому, да и сама природа?
06:16
Well, I would argue that human technologies are really different from
96
358000
4000
Человеческие технологии значительно отличаются от того, что создаёт природа,
06:20
natural technologies, at least they have been so far.
97
362000
3000
ну, или по крайней мере до сих пор отличались.
06:23
Think about the typical kind of robot that you see.
98
365000
5000
Представьте себе обычного робота.
06:28
Human technologies have tended to be large, flat,
99
370000
3000
Люди склонны конструировать большое, плоское,
06:31
with right angles, stiff, made of metal. They have rolling devices
100
373000
5000
с прямыми углами, жёсткое, металлическое. С вращающимися механизмами
06:36
and axles. There are very few motors, very few sensors.
101
378000
3000
и осями. С малым количеством моторов и сенсоров.
06:39
Whereas nature tends to be small, and curved,
102
381000
5000
Тогда как природа, напротив, стремится сделать компактным, с плавными линиями;
06:44
and it bends and twists, and has legs instead, and appendages,
103
386000
3000
всё гнётся, скручивается, с ногами и отростками;
06:47
and has many muscles and many, many sensors.
104
389000
3000
а так же много мышц и много сенсоров.
06:50
So it's a very different design. However, what's changing,
105
392000
4000
Настолько это иной подход. Однако, вот что меняет всё,
06:54
what's really exciting -- and I'll show you some of that next --
106
396000
2000
что действительно вдохновляет — я продемонстрирую вам следом —
06:56
is that as human technology takes on more of the characteristics
107
398000
3000
когда человек начинает применять технологии характерные
06:59
of nature, then nature really can become a much more useful teacher.
108
401000
6000
для природы. И тогда она становится по-настоящему ценным наставником.
07:05
And here's one example that's really exciting.
109
407000
2000
Вот один из примеров тому.
07:07
This is a collaboration we have with Stanford.
110
409000
2000
Наше сотрудничество со Стэнфордом.
07:09
And they developed this new technique, called Shape Deposition Manufacturing.
111
411000
4000
Там была разработана новая технология — «Производство форм-носителей» (Shape Deposition Manufacturing).
07:13
It's a technique where they can mix materials together and mold any shape
112
415000
4000
Эта технология позволяет смешивать разные материалы и выплавлять любую форму,
07:17
that they like, and put in the material properties.
113
419000
4000
закладывая в материал определённые качества.
07:21
They can embed sensors and actuators right in the form itself.
114
423000
3000
Стало возможным встраивать сенсоры и исполнительные механизмы в саму форму.
07:24
For example, here's a leg: the clear part is stiff,
115
426000
5000
Вот, например, нога. Прозрачная часть — жёсткая,
07:29
the white part is compliant, and you don't need any axles there or anything.
116
431000
3000
белая часть — гибкая. И для этого не нужно ни осей, ни чего-либо подобного.
07:32
It just bends by itself beautifully.
117
434000
3000
Она просто прекрасно гнётся. Сама.
07:35
So, you can put those properties in. It inspired them to show off
118
437000
3000
Можно просто задать необходимые качества материала. Разработчики решили показать, на что способны,
07:38
this design by producing a little robot they named Sprawl.
119
440000
6000
сконструировав маленького робота, которого они назвали «Ползун» (Sprawl).
07:44
Our work has also inspired another robot, a biologically inspired bouncing robot,
120
446000
4000
Наши исследования также вдохновили инженеров на создание ещё одного прыгающего робота.
07:48
from the University of Michigan and McGill
121
450000
2000
Он был собран конструкторами из Мичиганского университета и университета МакГилл.
07:50
named RHex, for robot hexapod, and this one's autonomous.
122
452000
8000
Робота назвали «Шестиног» (RHex); и он может работать автономно.
07:58
Let's go to the video, and let me show you some of these animals moving
123
460000
3000
Давайти перейдём к видео и посмотрим на некоторых животных в движении.
08:01
and then some of the simple robots
124
463000
2000
А потом на некторых простых роботов,
08:03
that have been inspired by our discoveries.
125
465000
3000
конструкторы которых черпали вдохновения в наших исследованиях.
08:06
Here's what some of you did this morning, although you did it outside,
126
468000
4000
Сейчас вы видите то, чем занимались некоторые из вас сегодня утром. Вы, правда, делали это на улице,
08:10
not on a treadmill.
127
472000
2000
а не на беговой дорожке.
08:12
Here's what we do.
128
474000
3000
А вот что устроили мы.
08:15
(Laughter)
129
477000
2000
(Смех в зале)
08:17
This is a death's head cockroach. This is an American cockroach
130
479000
5000
Это таракан «Мёртвая голова». А это американский таракан,
08:22
you think you don't have in your kitchen.
131
484000
1000
про которого вы думаете, что у вас на кухне такого нет.
08:23
This is an eight-legged scorpion, six-legged ant, forty-four-legged centipede.
132
485000
7000
Это восьминогий сорпион. Шестиногий муравей. Сорокачетырёхногая многоножка.
08:30
Now, I said all these animals are sort of working like pogo sticks --
133
492000
3000
Как я уже говорил, ноги всех этих животных работают как пружины —
08:33
they're bouncing along as they move. And you can see that
134
495000
4000
их движение — это прыжки, посмотрите.
08:37
in this ghost crab, from the beaches of Panama and North Carolina.
135
499000
3000
Вот бежит краб-привидение с пляжей Панамы и Северной Каролины.
08:40
It goes up to four meters per second when it runs.
136
502000
3000
Развивает скорость до четырёх метров в секунду, когда разгонится.
08:43
It actually leaps into the air, and has aerial phases
137
505000
3000
В действительности он подпрыгивает и пролетает какое-то расстояние в воздухе.
08:46
when it does it, like a horse, and you'll see it's bouncing here.
138
508000
4000
Посмотрите, как лошадь несётся.
08:50
What we discovered is whether you look at the leg of a human
139
512000
3000
Мы обнаружили, что неважно, рассматриваем ли мы ногу человека,
08:53
like Richard, or a cockroach, or a crab, or a kangaroo,
140
515000
6000
таракана, краба или кенгуру —
08:59
the relative leg stiffness of that spring is the same for everything we've seen so far.
141
521000
5000
у всех, рассмотренных на сегодня пружин, относительная жёсткость одна и та же.
09:04
Now, what good are springy legs then? What can they do?
142
526000
2000
Какие же плюсы дают ноги-пружины, в чём их особенность?
09:06
Well, we wanted to see if they allowed the animals
143
528000
2000
Мы собирались для начала выяснить
09:08
to have greater stability and maneuverability.
144
530000
3000
обеспечивают ли они животным большую манёвренность и устойчивость.
09:11
So, we built a terrain that had obstacles three times the hip height
145
533000
4000
Для этого мы построили полигон, на котором были установлены препятствия высотой в три бедра
09:15
of the animals that we're looking at.
146
537000
1000
животных, которых мы исследовали.
09:16
And we were certain they couldn't do this. And here's what they did.
147
538000
4000
Мы были уверены, что им не удастся пройти эту полосу препятствий. Но вот посмотрите, что произошло.
09:20
The animal ran over it and it didn't even slow down!
148
542000
3000
Животное пробегает этот полигон даже не сбрасывая скорости.
09:23
It didn't decrease its preferred speed at all.
149
545000
2000
Оно легко движется с той скоростью, с которой хочет.
09:25
We couldn't believe that it could do this. It said to us
150
547000
3000
Мы не верили своим глазам. То, что мы увидели, натолкнуло нас на мысль,
09:28
that if you could build a robot with very simple, springy legs,
151
550000
5000
что если создать робота с даже очень простыми ногами-пружинами,
09:33
you could make it as maneuverable as any that's ever been built.
152
555000
6000
он будет гораздо манёвренней, чем все роботы, которые когда-либо создавлись ранее.
09:39
Here's the first example of that. This is the Stanford
153
561000
2000
Вот первый пример такого подхода. По Стэнфордской технологии
09:41
Shape Deposition Manufactured robot, named Sprawl.
154
563000
3000
«Производство форм-носителей» был создан робот «Ползун» (Sprawl).
09:44
It has six legs -- there are the tuned, springy legs.
155
566000
6000
У него шесть ног — слаженно работающие ноги-пружины.
09:50
It moves in a gait that an insect uses, and here it is
156
572000
3000
Он движется так же, как движутся насекомые.
09:53
going on the treadmill. Now, what's important about this robot,
157
575000
7000
Посмотрите, как он проходит беговую дорожку. Отличительной чертой этого робота является то,
10:00
compared to other robots, is that it can't see anything,
158
582000
3000
что он ничего не видит,
10:03
it can't feel anything, it doesn't have a brain, yet it can maneuver
159
585000
6000
ничего не чувствует, не имеет мозга и несмотря на это —
10:09
over these obstacles without any difficulty whatsoever.
160
591000
6000
он может с лёгкостью преодолевать все эти препятствия.
10:15
It's this technique of building the properties into the form.
161
597000
4000
Это и есть технология закладывания качеств в форму.
10:19
This is a graduate student. This is what he's doing to his thesis project --
162
601000
3000
Это выпускник университета. Вот что он делает со своим дипломным проектом.
10:22
very robust, if a graduate student
163
604000
2000
Очень вынослив — даже когда студент
10:24
does that to his thesis project.
164
606000
2000
вытворяет такое со своим проектом.
10:26
(Laughter)
165
608000
1000
(Смех в зале)
10:27
This is from McGill and University of Michigan. This is the RHex,
166
609000
4000
А вот этот робот из университета МакГилл и Мичиганского университета. Это «Шестиног» (RHex).
10:31
making its first outing in a demo.
167
613000
3000
Впервые отправляется на тест-драйв.
10:34
(Laughter)
168
616000
4000
(Смех в зале)
10:38
Same principle: it only has six moving parts,
169
620000
5000
Принцип движения у него тот же. Просто у него шесть движущихся элементов.
10:43
six motors, but it has springy, tuned legs. It moves in the gait of the insect.
170
625000
6000
И шесть моторов. Синхронно работающие пружинящие ноги. Движется так же, как насекомые.
10:49
It has the middle leg moving in synchrony with the front,
171
631000
4000
Средняя нога движется синхронно с передней и задней ногами с другой стороны.
10:53
and the hind leg on the other side. Sort of an alternating tripod,
172
635000
4000
Своеобразная попеременная тренога.
10:57
and they can negotiate obstacles just like the animal.
173
639000
4000
И эти роботы могут справлятся с препятствиями так же, как это делают животные.
11:01
(Laughter)
174
643000
6000
(Смех в зале)
11:07
(Voice: Oh my God.)
175
649000
1000
Голос из зала: «Ох ты ж!»
11:08
(Applause)
176
650000
5000
(Аплодисменты)
11:13
Robert Full: It'll go on different surfaces -- here's sand --
177
655000
2000
Он может передвигаться по разным поверхностям. По песку, например.
11:15
although we haven't perfected the feet yet, but I'll talk about that later.
178
657000
5000
Мы ещё не доработали конструкцию ног окончательно, но об этом я расскужу вам позже.
11:20
Here's RHex entering the woods.
179
662000
3000
«Шестиног» отправляется в лес.
11:23
(Laughter)
180
665000
2000
(Смех в зале)
11:38
Again, this robot can't see anything, it can't feel anything,
181
680000
4000
Как и «Ползун», этот робот ничего не видит и ничего не чувствует.
11:42
it has no brain. It's just working with a tuned mechanical system,
182
684000
6000
У него нет мозга. Это просто хорошо отлаженная механическая система,
11:48
with very simple parts, but inspired from the fundamental dynamics of the animal.
183
690000
10000
которая собрана из очень простых частей, но основана на фундаментальном принципе биомеханики животного.
11:58
(Voice: Ah, I love him, Bob.) RF: Here's it going down a pathway.
184
700000
8000
Голос из зала: «Я его обожаю, Боб.» Роберт Фул: «Вот он идёт по тропинке.»
12:06
I presented this to the jet propulsion lab at NASA, and they said
185
708000
3000
Я делал его презентацию в лаборатории ракетных двигателей НАСА.
12:09
that they had no ability to go down craters to look for ice,
186
711000
4000
Они сказали, что они не могут пока спускаться в кратеры, чтобы посмотреть есть ли там лёд
12:13
and life, ultimately, on Mars. And he said --
187
715000
4000
и определить есть ли жизнь на Марсе в конце-концов. И особенно
12:17
especially with legged-robots, because they're way too complicated.
188
719000
2000
это трудно сделать с помощью шагающих роботов, из-за их слишком сложной конструкции.
12:19
Nothing can do that. And I talk next. I showed them this video
189
721000
5000
И ни какие роботы не смогут. Затем выступил я. Показал им это видео
12:24
with the simple design of RHex here. And just to convince them
190
726000
3000
с просто устроенным «Шестиногом». Чтобы окончательно убедить их,
12:27
we should go to Mars in 2011, I tinted the video orange
191
729000
4000
что на Марс можно лететь уже в 2011, я подкрасил видео в оранжевый тон,
12:31
just to give them the sense of being on Mars.
192
733000
3000
просто чтоб создать эффект присутствия на Марсе.
12:34
(Laughter)
193
736000
1000
(Смех в зале)
12:35
(Applause)
194
737000
6000
(Аплодисменты)
12:43
Another reason why animals have extraordinary performance,
195
745000
3000
Ещё одна причина, по которой животные так устойчивы и манёвренны в движении
12:46
and can go anywhere, is because they have an effective interaction
196
748000
3000
и могут передвигаться по самым разным поверхностям, состоит в том,
12:49
with the environment. The animal I'm going to show you,
197
751000
3000
что у них прекрасное сцепление с поверхностью.
12:52
that we studied to look at this, is the gecko.
198
754000
4000
Сейчас я покажу вам геккона. Именно его мы изучали.
12:56
We have one here and notice its position. It's holding on.
199
758000
7000
Обратите внимание, как он держится.
13:03
Now I'm going to challenge you. I'm going show you a video.
200
765000
3000
А сейчас я хочу вас проверить. Я покажу вам одно видео.
13:06
One of the animals is going to be running on the level,
201
768000
2000
На нём один из гекконов будет бежать по горизонтальной поверхности,
13:08
and the other one's going to be running up a wall. Which one's which?
202
770000
4000
а другой будет бежать вверх по стене. Попробуйте определить кто из них?
13:12
They're going at a meter a second. How many think the one on the left
203
774000
5000
Они бегут со скоростью метр в секунду. Кто думает, что тот, который слева,
13:17
is running up the wall?
204
779000
2000
бежит по стене?
13:19
(Applause)
205
781000
4000
(Аплодисменты)
13:23
Okay. The point is it's really hard to tell, isn't it? It's incredible,
206
785000
5000
Трудно отличить, правда? Это невероятно.
13:28
we looked at students do this and they couldn't tell.
207
790000
2000
Мы задавали тот же вопрос студентам, и они тоже не смогли ответить.
13:30
They can run up a wall at a meter a second, 15 steps per second,
208
792000
3000
Геккон бежит по стене со скоростью метр в секунду. Пятнадцать шагов в секунду.
13:33
and they look like they're running on the level. How do they do this?
209
795000
4000
Но выглядит это так, как будто он бежит по земле. Как ему это удаётся?
13:37
It's just phenomenal. The one on the right was going up the hill.
210
799000
6000
Это поразительно. Тот, которого вы видите справа взбегал по склону холма.
13:43
How do they do this? They have bizarre toes. They have toes
211
805000
4000
Как они это делают? У них удивительно устроенные пальцы.
13:47
that uncurl like party favors when you blow them out,
212
809000
4000
Они разворачиваются как праздничные свистелки, когда в них дуют,
13:51
and then peel off the surface, like tape.
213
813000
3000
а затем создают с поверхностью сцепление, как клейкая лента.
13:54
Like if we had a piece of tape now, we'd peel it this way.
214
816000
2000
Если бы мы имели полоску клейкой ленты и сначала лепили её на стену, а потом отрывали,
13:56
They do this with their toes. It's bizarre! This peeling inspired
215
818000
7000
Мы бы делали то же самое, что геккон делает за счёт своих пальцев. Это просто невероятно.
14:03
iRobot -- that we work with -- to build Mecho-Geckos.
216
825000
3000
Мы работаем с компанией iRobot над созданием «механических гекконов» (Mecho-Geckos).
14:06
Here's a legged version and a tractor version, or a bulldozer version.
217
828000
7000
Вот модель с ногами, вот на гусеничном ходу. А вот бульдозер.
14:13
Let's see some of the geckos move with some video,
218
835000
2000
Давайте посмотрим, как двигаются гекконы на видео.
14:15
and then I'll show you a little bit of a clip of the robots.
219
837000
3000
А потом посмотрим короткое видео про роботов.
14:18
Here's the gecko running up a vertical surface. There it goes,
220
840000
3000
Вот геккон бежит по вертикальной поверхности в реальном времени.
14:21
in real time. There it goes again. Obviously, we have to slow this down a little bit.
221
843000
7000
Вот опять. Очевидно, что нужно замедлить запись немного.
14:28
You can't use regular cameras.
222
850000
2000
Обычная камера здесь не подойдёт.
14:30
You have to take 1,000 pictures per second to see this.
223
852000
3000
Чтобы рассмотреть то, что нас интересует, нужно снимать 1000 кадров в секунду.
14:33
And here's some video at 1,000 frames per second.
224
855000
3000
Вот тоже самое видео снятое с такой частотой кадров.
14:36
Now, I want you to look at the animal's back.
225
858000
2000
Обратите внимание на его спину.
14:38
Do you see how much it's bending like that? We can't figure that out --
226
860000
3000
Видите, насколько она гнётся? Мы не можем понять, как это возможно.
14:41
that's an unsolved mystery. We don't know how it works.
227
863000
3000
Это пока неразрешённая загадка. Мы не знаем каков механизм этого.
14:44
If you have a son or a daughter that wants to come to Berkeley,
228
866000
3000
Если у вас есть сын или дочь, которые хотели бы пойти в Беркли —
14:47
come to my lab and we'll figure this out. Okay, send them to Berkeley
229
869000
4000
отправляйте их ко мне лабораторию, может вместе мы разберёмся. Ладно. На самом деле они нужны мне в Беркли
14:51
because that's the next thing I want to do. Here's the gecko mill.
230
873000
3000
вот для этого. Внимание — беговая дорожка для гекконов!
14:54
(Laughter)
231
876000
1000
(Смех в зале)
14:55
It's a see-through treadmill with a see-through treadmill belt,
232
877000
3000
Это прозрачная беговая дорожка, с прозрачным движущимся полотном.
14:58
so we can watch the animal's feet, and videotape them
233
880000
3000
Таким образом мы можем видеть стопы животного и снимать их на видео
15:01
through the treadmill belt, to see how they move.
234
883000
3000
сквозь полотно дорожки, для того, чтобы пронаблюдать, как они движутся.
15:04
Here's the animal that we have here, running on a vertical surface.
235
886000
4000
Вот он бежит по вертикальной дорожке.
15:08
Pick a foot and try to watch a toe, and see if you can see what the animal's doing.
236
890000
6000
Посмотрите на его ногу. На пальцы посмотрите. Видите, что он делает?
15:14
See it uncurl and then peel these toes.
237
896000
2000
Сначала он разгибает пальцы, а затем отрывает их.
15:16
It can do this in 14 milliseconds. It's unbelievable.
238
898000
7000
И делает он это за 14 миллисекунд. Невероятно!
15:23
Here are the robots that they inspire, the Mecho-Geckos from iRobot.
239
905000
4000
Вот роботы, к созданию которых нас подтолкнули наблюдения за гекконами — «МехоГекко» компании iRobot.
15:27
First we'll see the animals toes peeling -- look at that.
240
909000
5000
Посмотрите как животные отрывают кончики пальцев.
15:32
And here's the peeling action of the Mecho-Gecko.
241
914000
4000
А вот как это работает у «МехоГекко».
15:36
It uses a pressure-sensitive adhesive to do it.
242
918000
3000
Робот использует чувствительный к давлению клейкий материал.
15:39
Peeling in the animal. Peeling in the Mecho-Gecko --
243
921000
3000
И робот и геккон выполняют одно и то же действие —
15:42
that allows them climb autonomously. Can go on the flat surface,
244
924000
3000
взбираются по плоской отвесной поверхности.
15:45
transition to a wall, and then go onto a ceiling.
245
927000
3000
Переходят со стены на потолок.
15:48
There's the bulldozer version. Now, it doesn't use pressure-sensitive glue.
246
930000
6000
А вот бульдозерная версия. В ней не используется чувствительный к давлению клеящий материал.
15:54
The animal does not use that.
247
936000
2000
Которым, кстати, не пользуются и животные.
15:56
But that's what we're limited to, at the moment.
248
938000
2000
Но это всё, что мы смогли создать на настоящий момент.
15:58
What does the animal do? The animal has weird toes.
249
940000
5000
Так как же всё-таки взбираются по отвесным поверхностям животные? Всё дело в устройстве их пальцев.
16:03
And if you look at the toes, they have these little leaves there,
250
945000
4000
Если вы присмотритесь к ним, то сможете различить маленькие листообразные образования.
16:07
and if you blow them up and zoom in, you'll see
251
949000
2000
Если увеличить изображение,
16:09
that's there's little striations in these leaves.
252
951000
3000
то можно будет увидеть тонкие бороздки, покрывающие эти «листья».
16:12
And if you zoom in 270 times, you'll see it looks like a rug.
253
954000
7000
Если увеличить картинку ещё в 270 раз, то становится видно, что всё это вместе похоже на коврик.
16:19
And if you blow that up, and zoom in 900 times,
254
961000
3000
Если увеличить ещё в 900 раз,
16:22
you see there are hairs there, tiny hairs. And if you look carefully,
255
964000
5000
то можно увидеть микроволоски, очень тонкие, и если вы присмотритесь ещё внимательней,
16:27
those tiny hairs have striations. And if you zoom in on those 30,000 times,
256
969000
6000
то увидите, что и на волосках есть бороздки. А если увеличить ещё в 30 000 раз,
16:33
you'll see each hair has split ends.
257
975000
3000
то станет видно, что каждый волоск имеет разделённый кончик.
16:36
And if you blow those up, they have these little structures on the end.
258
978000
5000
Если увеличить и это, то вы увидите ещё более мелкие структуры этого кончика.
16:41
The smallest branch of the hairs looks like spatulae,
259
983000
2000
Мельчайшие ответвления волосков выглядят как лопатки.
16:43
and an animal like that has one billion of these nano-size split ends,
260
985000
7000
И у обычного геккона есть миллиард этих разделённых нано-кончиков,
16:50
to get very close to the surface. In fact, there's the diameter of your hair --
261
992000
5000
которые обеспецивают ему очень хороший контакт с поверхностью. Взять диаметр вашего волоса —
16:55
a gecko has two million of these, and each hair has 100 to 1,000 split ends.
262
997000
6000
у геккона таких 2 миллиона и у каждого веник из 100 — 1000 разделённых кончиков.
17:01
Think of the contact of that that's possible.
263
1003000
3000
Представьте, какова при этом сила сцепления с поверхностью.
17:04
We were fortunate to work with another group
264
1006000
2000
Нам посчастливилось работать с ещё одной группой в Стэнфорде.
17:06
at Stanford that built us a special manned sensor,
265
1008000
2000
Они создали специальный управляемый сенсор,
17:08
that we were able to measure the force of an individual hair.
266
1010000
3000
с помощью которого стало возможно измерить силу каждого отдельного волоска.
17:11
Here's an individual hair with a little split end there.
267
1013000
5000
Вот как этот с разветвлённым кончиком.
17:16
When we measured the forces, they were enormous.
268
1018000
2000
Когда мы измерили эту силу, она оказалась огромна.
17:18
They were so large that a patch of hairs about this size --
269
1020000
3000
Пучок волос примерно такого размера,
17:21
the gecko's foot could support the weight of a small child,
270
1023000
4000
т.е. нога геккона, грубо говоря, может с лёгкостью удерживать на весу маленького ребёнка!
17:25
about 40 pounds, easily. Now, how do they do it?
271
1027000
4000
А это примерно 20 килограмм. Как же это возможно?
17:29
We've recently discovered this. Do they do it by friction?
272
1031000
4000
Недавно мы поняли как. Думаете, это сила трения?
17:33
No, force is too low. Do they do it by electrostatics?
273
1035000
3000
Нет. Сила трения в данном случае слишком слаба. Электростатика?
17:36
No, you can change the charge -- they still hold on.
274
1038000
2000
Нет. Можно изменить заряд, а сцепление с поверхностью никуда не денется.
17:38
Do they do it by interlocking? That's kind of a like a Velcro-like thing.
275
1040000
3000
Может они цепляются, как застёжки-липучки? Такие как на одежде и обуви.
17:41
No, you can put them on molecular smooth surfaces -- they don't do it.
276
1043000
3000
И снова нет. Геккон бежит даже по молекулярно ровной поверхности.
17:44
How about suction? They stick on in a vacuum.
277
1046000
4000
Может их ноги работают как присоски? Нет. Они бегут по стене и в вакууме.
17:48
How about wet adhesion? Or capillary adhesion?
278
1050000
3000
Гидростатика? Капиллярные силы? Нет.
17:51
They don't have any glue, and they even stick under water just fine.
279
1053000
3000
У гекконов нет какого-либо клея; они отлично цепляются и под водой.
17:54
If you put their foot under water, they grab on.
280
1056000
2000
Мы пробовали помещать их ноги под воду — они карабкаются.
17:56
How do they do it then? Believe it or not, they grab on
281
1058000
4000
Как же всё-таки это им удаётся? Хотите верьте, хотите нет —
18:00
by intermolecular forces, by Van der Waals forces.
282
1062000
4000
они карабкаются за счёт сил межмолекулярного взаимодействия, за счёт Ван-дер-ваальсовых сил.
18:04
You know, you probably had this a long time ago in chemistry,
283
1066000
2000
Вспомните, когда-то вы проходили это по химии.
18:06
where you had these two atoms, they're close together,
284
1068000
2000
Есть два находящихся близко друг к другу атома.
18:08
and the electrons are moving around. That tiny force is sufficient
285
1070000
3000
Вокруг вращаются электроны. И этой силы притяжения достаточно,
18:11
to allow them to do that because it's added up so many times
286
1073000
3000
чтобы гекконы могли карабкаться по отвесной стене, потому что эта сила прилагается очень много раз —
18:14
with these small structures.
287
1076000
3000
вспомните те микроструктуры на конце волосков.
18:17
What we're doing is, we're taking that inspiration of the hairs,
288
1079000
5000
Вдохновлённые ими,
18:22
and with another colleague at Berkeley, we're manufacturing them.
289
1084000
5000
мы попробовали их воссоздать с моим коллегой из Беркли.
18:27
And just recently we've made a breakthrough, where we now believe
290
1089000
3000
Совсем недавно мы совершили в этом направлении прорыв,
18:30
we're going to be able to create the first synthetic, self-cleaning,
291
1092000
5000
скоро мы создадим первый синтетический, самоочищающийся, сухой клейкий материал.
18:35
dry adhesive. Many companies are interested in this.
292
1097000
5000
Многие компании уже интересуются им.
18:40
(Laughter)
293
1102000
3000
(Смех в зале)
18:43
We also presented to Nike even.
294
1105000
2000
Мы даже дали знать Nike.
18:45
(Laughter)
295
1107000
3000
(Смех в зале)
18:48
(Applause)
296
1110000
6000
(Аплодисменты)
18:54
We'll see where this goes. We were so excited about this
297
1116000
3000
Посмотрим к чему приведут нас эти открытия. Нас обрадовало то, что мы обнаружили.
18:57
that we realized that that small-size scale --
298
1119000
3000
Мы поняли, что в микромире
19:00
and where everything gets sticky, and gravity doesn't matter anymore --
299
1122000
3000
всё притягивается и слипается, и гравитация больше не играет роли.
19:03
we needed to look at ants and their feet, because
300
1125000
3000
Теперь нам нужно посмотреть на муравьёв и их ноги, потому что
19:06
one of my other colleagues at Berkeley has built a six-millimeter silicone
301
1128000
5000
ещё один мой коллега в Беркли собрал шести-миллиметрового силиконового
19:11
robot with legs. But it gets stuck. It doesn't move very well.
302
1133000
3000
робота с ногами. Но он залипает. Он не может нормально передвигаться.
19:14
But the ants do, and we'll figure out why, so that ultimately
303
1136000
3000
Но муравьи же как-то могут! И мы поймём как. В конце концов,
19:17
we'll make this move. And imagine: you're going to be able
304
1139000
3000
мы заставим его передвигаться. И представьте — у нас будет
19:20
to have swarms of these six-millimeter robots available to run around.
305
1142000
5000
рой шести-миллиметровых роботов, способных бегать вокруг по делам.
19:25
Where's this going? I think you can see it already.
306
1147000
3000
К чему это приведёт? Вы уже можете догадаться.
19:28
Clearly, the Internet is already having eyes and ears,
307
1150000
4000
У Интернета уже есть глаза и уши.
19:32
you have web cams and so forth. But it's going to also have legs and hands.
308
1154000
4000
Веб-камеры и подобное. Но скоро у него появятся ещё и руки и ноги.
19:36
You're going to be able to do programmable
309
1158000
2000
Вы сможете выполнять программируемые задачи
19:38
work through these kinds of robots, so that you can run,
310
1160000
4000
посредством таких роботов так, что вы сможете бегать,
19:42
fly and swim anywhere. We saw David Kelly is at the beginning of that with his fish.
311
1164000
9000
летать и плавать где угодно. Мы уже наблюдаем за такими разработками у Дэвида Келли с его рыбой.
19:51
So, in conclusion, I think the message is clear.
312
1173000
2000
И в заключение, полагаю, вывод ясен.
19:53
If you need a message, if nature's not enough, if you care about
313
1175000
4000
Если же вывод необходим, то он в следующем: кроме исследования природы
19:57
search and rescue, or mine clearance, or medicine,
314
1179000
2000
можно использовать роботов в поисково-спасательных операциях, разминировании, медицине
19:59
or the various things we're working on, we must preserve
315
1181000
4000
и многих других областях. Если мы хотим этого достичь — мы должны сохранить
20:03
nature's designs, otherwise these secrets will be lost forever.
316
1185000
4000
созданное природой, иначе её секреты будут утеряны навсегда.
20:07
Thank you.
317
1189000
1000
Спасибо.
20:08
(Applause)
318
1190000
9000
Аплодисменты
ABOUT THE SPEAKER
Robert Full - BiologistRobert Full studies cockroach legs and gecko feet. His research is helping build tomorrow's robots, based on evolution's ancient engineering.
Why you should listen
UC Berkeley biologist Robert Full is fascinated by the motion of creatures like cockroaches, crabs and geckos having many legs, unusual feet or talented tails. He has led an effort to demonstrate the value of learning from Nature by the creating interdisciplinary collaborations of biologists, engineers, mathematicians and computer scientists from academia and industry. He founded CiBER, the Center for interdisciplinary Bio-inspiration in Education and Research, and the Poly-PEDAL Laboratory, which studies the Performance, Energetics and Dynamics of Animal Locomotion (PEDAL) in many-footed creatures (Poly).
His research shows how studying a diversity of animals leads to the discovery of general principles which inspire the design of novel circuits, artificial muscles, exoskeletons, versatile scampering legged search-and-rescue robots and synthetic self-cleaning dry adhesives based on gecko feet. He is passionate about discovery-based education leading to innovation -- and he even helped Pixar’s insect animations in the film A Bug's Life.
Robert Full | Speaker | TED.com