ABOUT THE SPEAKER
Auke Ijspeert - Roboticist
Auke 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.

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Auke Ijspeert | Speaker | TED.com
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Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander

奥克·利斯皮耶: 两栖蝾螈机器人

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2,016,271 views

机器人学家奥克·利斯皮耶根据动物的机器模型设计出仿生机器人,就像科幻小说描写的那样,这是一种可以应对复杂地形的机器人。在研究过程中,科学家们还设计可以用于野外、服务和搜救工作的机器人。但是这些机器人不仅仅是对现实世界的单纯模拟,通过它们,我们可以进一步地理解生物学,解开之前关于脊髓的未解之谜。
- Roboticist
Auke Ijspeert works at the intersection of robotics, biology and computational neuroscience. Full bio

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00:12
This is PleurobotPleurobot.
0
760
1840
这是一只蝾螈机器人
00:15
PleurobotPleurobot is a robot机器人 that we designed设计
to closely密切 mimic模仿者 a salamander species种类
1
3400
3616
是一种我们根据蝾螈设计出的仿生机器人
00:19
called PleurodelesPleurodeles waltlwaltl.
2
7040
1400
我们把它称为蝾螈机器人
00:21
PleurobotPleurobot can walk步行, as you can see here,
3
9240
2256
就想你看到的,它会爬行
00:23
and as you'll你会 see later后来, it can also swim游泳.
4
11520
2040
一会儿你还会看到它游泳
00:26
So you might威力 ask,
why did we design设计 this robot机器人?
5
14280
2191
你可能会问我们为什么设计这样一个机器人
00:28
And in fact事实, this robot机器人 has been designed设计
as a scientific科学 tool工具 for neuroscience神经科学.
6
16960
3762
其实,蝾螈机器人是一种用来研究神经科学的工具
我们和神经科学家一起设计出蝾螈机器人
00:33
Indeed确实, we designed设计 it
together一起 with neurobiologists神经生物学家
7
21400
2496
00:35
to understand理解 how animals动物 move移动,
8
23920
1896
希望能更好理解动物的运动原理
00:37
and especially特别 how the spinal cord
controls控制 locomotion运动.
9
25840
2760
尤其是脊髓控制运动的机理
00:41
But the more I work in biorobotics生物机器人,
10
29560
1696
但是,我们对仿生机器人的研究越深入
00:43
the more I'm really impressed印象深刻
by animal动物 locomotion运动.
11
31280
2381
就越被动物运动的复杂原理所震撼
00:45
If you think of a dolphin海豚 swimming游泳的
or a cat running赛跑 or jumping跳跃 around,
12
33920
4296
试想一下在海里遨游的海豚、又跑又跳的小猫
00:50
or even us as humans人类,
13
38240
1576
甚至还有我们人类
00:51
when you go jogging跑步 or play tennis网球,
14
39840
1816
在进行慢跑或者打网球的时候
00:53
we do amazing惊人 things.
15
41680
1240
我们的每一个动作都那么神奇
00:55
And in fact事实, our nervous紧张 system系统 solves解决了
a very, very complex复杂 control控制 problem问题.
16
43880
4136
实际上,在运动时,神经系统的控制过程十分复杂
01:00
It has to coordinate坐标
more or less 200 muscles肌肉 perfectly完美,
17
48040
3096
神经系统要协调200块左右的肌肉一起运作
01:03
because if the coordination协调 is bad,
we fall秋季 over or we do bad locomotion运动.
18
51160
3680
一旦协调紊乱,我们就会摔跤或者肢体不协调
01:07
And my goal目标 is to understand理解
how this works作品.
19
55560
2720
而我的目标就是要弄清楚这种协调机制的原理
01:11
There are four main主要 components组件
behind背后 animal动物 locomotion运动.
20
59160
2840
动物的运动需要四个部分
01:14
The first component零件 is just the body身体,
21
62800
1936
首先就是肢体
生物力学对于动物肢体运动的简化
01:16
and in fact事实 we should never underestimate低估
22
64760
1976
01:18
to what extent程度 the biomechanics生物力学
already已经 simplify简化 locomotion运动 in animals动物.
23
66760
3480
已经到了令人难以想象地步
第二个部分就是脊髓
01:22
Then you have the spinal cord,
24
70920
1456
01:24
and in the spinal cord you find reflexes反射,
25
72400
1976
脊髓中有很多反射神经
01:26
multiple reflexes反射 that create创建
a sensorimotor感觉 coordination协调 loop循环
26
74400
3456
这些反射神经在脊髓中的神经活动和机械活动之间
01:29
between之间 neural神经 activity活动 in the spinal cord
and mechanical机械 activity活动.
27
77880
3480
建立了感觉协调环
01:34
A third第三 component零件
are central中央 pattern模式 generators发电机.
28
82000
2976
第三个要素是中枢模式发生器
01:37
These are very interesting有趣 circuits电路
in the spinal cord of vertebrate脊椎动物 animals动物
29
85000
3896
脊椎动物的脊髓中有一些有趣的电路
01:40
that can generate生成, by themselves他们自己,
30
88920
1616
这些电路在接收简单的信号时
01:42
very coordinated协调
rhythmic有板有眼 patterns模式 of activity活动
31
90560
2736
可以自发地产生非常协调的
01:45
while receiving接收
only very simple简单 input输入 signals信号.
32
93320
2376
节律运动模式
在我们运动的时候
01:47
And these input输入 signals信号
33
95720
1216
01:48
coming未来 from descending modulation调制
from higher更高 parts部分 of the brain,
34
96960
3056
大脑的高级中枢
例如运动皮层、小脑和基地神经节
01:52
like the motor发动机 cortex皮质,
the cerebellum小脑, the basal基础 ganglia神经节,
35
100040
2696
进行下行调节并产生上述信号
01:54
will all modulate调制 activity活动
of the spinal cord
36
102760
2136
并对脊髓中的活动起到调控作用
01:56
while we do locomotion运动.
37
104920
1456
01:58
But what's interesting有趣 is to what extent程度
just a low-level低级别 component零件,
38
106400
3216
但是有趣的是,脊髓和肢体这类低级中枢
02:01
the spinal cord, together一起 with the body身体,
39
109640
1936
在完成运动过程中
02:03
already已经 solve解决 a big part部分
of the locomotion运动 problem问题.
40
111600
2456
到底扮演了何种角色
大家应该都知道,即使鸡的头被砍掉了
02:06
You probably大概 know it by the fact事实
that you can cut the head off a chicken,
41
114080
3422
它也不会立即死亡
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
这个事实表明低级的脊髓和躯干
02:10
showing展示 that just the lower降低 part部分,
spinal cord and body身体,
43
118937
2539
在完成运动过程中扮演了重要的角色
02:13
already已经 solve解决 a big part部分 of locomotion运动.
44
121500
1873
但是想要弄清楚它的工作原理还是很困难
02:15
Now, understanding理解 how this works作品
is very complex复杂,
45
123397
2459
因为,第一点就是
02:17
because first of all,
46
125880
1296
02:19
recording记录 activity活动 in the spinal cord
is very difficult.
47
127200
2620
想要记录脊髓中的活动十分复杂
02:21
It's much easier更轻松 to implant注入 electrodes电极
in the motor发动机 cortex皮质
48
129844
2772
由于脊椎的保护作用,把电极植入到脊髓中
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected保护 by the vertebrae椎骨.
49
132640
3056
要比植入到运动皮层中难得多
对于人类来说更是难上加难
02:27
Especially特别 in humans人类, very hard to do.
50
135720
1816
02:29
A second第二 difficulty困难 is that locomotion运动
is really due应有 to a very complex复杂
51
137560
3776
另外一个难题就是,运动基于这四个要素的相互作用
02:33
and very dynamic动态 interaction相互作用
between之间 these four components组件.
52
141360
3056
是一个复杂的动态过程
因此,很难区分各要素所发挥的作用
02:36
So it's very hard to find out
what's the role角色 of each over time.
53
144440
3240
所以,像蝾螈机器人这样的仿生机器人和数学模型
02:40
This is where biorobotsbiorobots like PleurobotPleurobot
and mathematical数学的 models楷模
54
148880
3736
02:44
can really help.
55
152640
1200
就派上用场了
那么到底什么是仿生机器人学呢
02:47
So what's biorobotics生物机器人?
56
155480
1256
这是机器人研究中一个热门的领域
02:48
Biorobotics生物机器人 is a very active活性 field领域
of research研究 in robotics机器人
57
156760
2736
人们试图从动物身上获取灵感
02:51
where people want to
take inspiration灵感 from animals动物
58
159520
2456
并运用到机器人身上,使它们可以运用于户外
02:54
to make robots机器人 to go outdoors在户外,
59
162000
2456
例如服务用机器人、搜救机器人
02:56
like service服务 robots机器人
or search搜索 and rescue拯救 robots机器人
60
164480
2656
02:59
or field领域 robots机器人.
61
167160
1200
以及农业机器人
现在最大的目标就是从动物身上获得灵感
03:00
And the big goal目标 here
is to take inspiration灵感 from animals动物
62
168880
2696
使机器人能够应对一些复杂的地形
03:03
to make robots机器人 that can handle处理
complex复杂 terrain地形 --
63
171600
2336
例如楼梯、山区、树林
03:05
stairs楼梯, mountains, forests森林,
64
173960
1616
这些地形对于机器人来说还是个挑战
03:07
places地方 where robots机器人
still have difficulties困难
65
175600
2016
03:09
and where animals动物
can do a much better job工作.
66
177640
2056
它们并不能像动物那样灵活应对
03:11
The robot机器人 can be a wonderful精彩
scientific科学 tool工具 as well.
67
179720
2496
机器人也是一项极好的科学研究工具
03:14
There are some very nice不错 projects项目
where robots机器人 are used,
68
182240
2620
在一些优秀研究项目中得以应用
03:16
like a scientific科学 tool工具 for neuroscience神经科学,
for biomechanics生物力学 or for hydrodynamics流体动力学.
69
184884
3972
例如神经科学、仿生学和流体动力学
03:20
And this is exactly究竟
the purpose目的 of PleurobotPleurobot.
70
188880
2120
这也正是蝾螈机器人存在的意义
03:23
So what we do in my lab实验室
is to collaborate合作 with neurobiologists神经生物学家
71
191600
2936
所以,我们在实验室里与神经生物学家合作
03:26
like Jean-Marie让 - 玛丽· CabelguenCabelguen,
a neurobiologist神经生物学家 in Bordeaux波尔多 in France法国,
72
194560
3216
法国波尔多大学的神经生物学家
让·玛丽 卡贝肯就是其中之一
03:29
and we want to make spinal cord models楷模
and validate验证 them on robots机器人.
73
197800
4040
我们制作出脊髓的模型并用机器人加以验证
我们希望先从简单的动物入手
03:34
And here we want to start开始 simple简单.
74
202480
1616
03:36
So it's good to start开始 with simple简单 animals动物
75
204120
1976
例如七鳃鳗
03:38
like lampreys七鳃鳗, which哪一个 are
very primitive原始 fish,
76
206120
2256
这种原始的鱼类
然后慢慢过渡到运动更复杂的动物
03:40
and then gradually逐渐
go toward more complex复杂 locomotion运动,
77
208400
2496
03:42
like in salamanders蝾螈,
78
210920
1256
例如蝾螈
然后还有猫、人类
03:44
but also in cats and in humans人类,
79
212200
1496
等哺乳动物
03:45
in mammals哺乳动物.
80
213720
1200
这样一来
03:47
And here, a robot机器人 becomes
an interesting有趣 tool工具
81
215880
2376
机器人成为一种验证模型的有趣工具
03:50
to validate验证 our models楷模.
82
218280
1936
03:52
And in fact事实, for me, PleurobotPleurobot
is a kind of dream梦想 becoming变得 true真正.
83
220240
3016
实际上,蝾螈机器人的出现使得我的梦想成真
03:55
Like, more or less 20 years年份 ago
I was already已经 working加工 on a computer电脑
84
223280
3256
因为,大约在20年前
我在读博士期间就通过计算机
03:58
making制造 simulations模拟 of lamprey七鳃鳗
and salamander locomotion运动
85
226560
2656
模拟七鳃鳗和蝾螈的运动
04:01
during my PhD博士.
86
229240
1536
04:02
But I always knew知道 that my simulations模拟
were just approximations近似值.
87
230800
3376
但是,我一直很清楚我的模拟非常粗糙
04:06
Like, simulating模拟 the physics物理 in water
or with mud or with complex复杂 ground地面,
88
234200
3976
因为在水中和在泥泞等地形复杂的陆地上的运动
04:10
it's very hard to simulate模拟 that
properly正确 on a computer电脑.
89
238200
2656
很难在电脑上精确地模拟出来
04:12
Why not have a real真实 robot机器人
and real真实 physics物理?
90
240880
2040
那么为什么不用机器人真正地模拟这些动作呢
04:15
So among其中 all these animals动物,
one of my favorites最爱 is the salamander.
91
243600
3136
所以在众多的动物中,蝾螈成为我最喜欢的动物之一
你可能会问为什么,因为从进化的角度来看
04:18
You might威力 ask why,
and it's because as an amphibian两栖动物,
92
246760
3456
04:22
it's a really key animal动物
from an evolutionary发展的 point of view视图.
93
250240
2856
蝾螈作为两栖动物,发挥着至关重要的作用
04:25
It makes品牌 a wonderful精彩 link链接
between之间 swimming游泳的,
94
253120
2056
它在两种运动方式间建立起美妙的联系
04:27
as you find it in eels鳗鱼 or fish,
95
255200
1896
一个是鳗和鱼类在水中的游泳方式
04:29
and quadruped走兽 locomotion运动,
as you see in mammals哺乳动物, in cats and humans人类.
96
257120
4120
一个是猫、人类等哺乳动物在陆上的运动方式
事实上,现代的蝾螈
04:34
And in fact事实, the modern现代 salamander
97
262160
1656
04:35
is very close to the first
terrestrial陆生 vertebrate脊椎动物,
98
263840
2376
和最早出现的陆生脊椎动物十分相近
所以说,蝾螈就像是活化石一样
04:38
so it's almost几乎 a living活的 fossil化石,
99
266240
1536
04:39
which哪一个 gives us access访问 to our ancestor祖先,
100
267800
1936
通过它,我们有机会了解我们的祖先
04:41
the ancestor祖先 to all terrestrial陆生 tetrapods四足动物.
101
269760
2920
即四足动物的祖先
04:45
So the salamander swims游泳
102
273240
1376
蝾螈以所谓的鳗形游泳的步态
04:46
by doing what's called
an anguilliformanguilliform swimming游泳的 gait步态,
103
274640
2496
在水中游动
因此肌肉活动产生的优美行波从头部传到尾部
04:49
so they propagate传播 a nice不错 traveling旅行 wave
of muscle肌肉 activity活动 from head to tail尾巴.
104
277160
3640
如果把它放在地上
04:53
And if you place地点
the salamander on the ground地面,
105
281440
2176
它的动作转变为快速爬行的步态
04:55
it switches开关 to what's called
a walking步行 trot小跑 gait步态.
106
283640
2336
在这种情况下,蝾螈的四肢被定期地激活
04:58
In this case案件, you have nice不错
periodic定期 activation激活 of the limbs四肢
107
286000
2863
十分协调地
05:00
which哪一个 are very nicely很好 coordinated协调
108
288887
1609
随着身体驻波的起伏而运动
05:02
with this standing常设 wave
undulation波动 of the body身体,
109
290520
2656
05:05
and that's exactly究竟 the gait步态
that you are seeing眼看 here on PleurobotPleurobot.
110
293200
3656
这就是蝾螈机器人行走的步态的原型
05:08
Now, one thing which哪一个 is very surprising奇怪
and fascinating迷人 in fact事实
111
296880
2976
现在令人惊叹的是
05:11
is the fact事实 that all this can be generated产生
just by the spinal cord and the body身体.
112
299880
4136
所有这些活动仅靠脊髓和肢体就可以完成
如果拿一只去脑的蝾螈
05:16
So if you take
a decerebrateddecerebrated salamander --
113
304040
2000
虽然这听起来有些残忍,但是你把它的头部切除
05:18
it's not so nice不错
but you remove去掉 the head --
114
306064
2016
如果以低强度的刺激电激它的脊髓
05:20
and if you electrically
stimulate刺激 the spinal cord,
115
308104
2672
它会表现出类似爬行的步态
05:22
at low level水平 of stimulation促进
this will induce促使 a walking-like行走状 gait步态.
116
310800
3256
但如果你加大刺激的强度,步态就会发生变化
05:26
If you stimulate刺激 a bit more,
the gait步态 accelerates加速.
117
314080
2456
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
这里存在一个临界值,如果强度达到临界点
05:30
and automatically自动,
the animal动物 switches开关 to swimming游泳的.
119
318480
2536
它会自己变成游泳的步态
这简直太神奇了
05:33
This is amazing惊人.
120
321040
1376
05:34
Just changing改变 the global全球 drive驾驶,
121
322440
1496
仅仅改变了刺激的强度
05:35
as if you are pressing紧迫 the gas加油站 pedal踏板
122
323960
1736
就像是踩下了
下行调节脊髓的油门一样
05:37
of descending modulation调制
to your spinal cord,
123
325720
2136
实现了两种完全不同的步态之间的转变
05:39
makes品牌 a complete完成 switch开关
between之间 two very different不同 gaits步态.
124
327880
3000
05:44
And in fact事实, the same相同
has been observed观察到的 in cats.
125
332440
2576
而且我们在猫身上发现了同样的规律
05:47
If you stimulate刺激 the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
刺激猫的脊髓
就可以使它在行走、慢跑和快跑之间进行转换
05:49
you can switch开关 between之间
walk步行, trot小跑 and gallop驰骋.
127
337080
2216
还可以实现鸟从行走到拍动翅膀之间的转换
05:51
Or in birds鸟类, you can make a bird
switch开关 between之间 walking步行,
128
339320
2736
相应地,需要从低强度的刺激
05:54
at a low level水平 of stimulation促进,
129
342080
1456
05:55
and flapping its wings翅膀
at high-level高水平 stimulation促进.
130
343560
2816
转变为高强度的刺激
05:58
And this really shows节目 that the spinal cord
131
346400
2016
这恰好证明了
脊髓是一处智能的运动控制中心
06:00
is a very sophisticated复杂的
locomotion运动 controller调节器.
132
348440
2416
06:02
So we studied研究 salamander locomotion运动
in more detail详情,
133
350880
2456
因此我们对于蝾螈的运动展开更仔细的研究
我们从德国耶拿大学的马丁·费希尔教授的手中
06:05
and we had in fact事实 access访问
to a very nice不错 X-rayX-射线 video视频 machine
134
353360
3096
06:08
from Professor教授 Martin马丁 Fischer菲舍尔
in Jena耶拿 University大学 in Germany德国.
135
356480
3576
得到了一台非常精妙的X射线成像仪
多亏了这台精妙的仪器
06:12
And thanks谢谢 to that,
you really have an amazing惊人 machine
136
360080
2576
我们可以记录更多关于骨骼运动的细节
06:14
to record记录 all the bone motion运动
in great detail详情.
137
362680
2456
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
这就是我们得到的成像
06:18
So we basically基本上 figured想通 out
which哪一个 bones骨头 are important重要 for us
139
366440
3176
然后我们大致选出关键的骨骼
06:21
and collected their motion运动 in 3D.
140
369640
3016
并且搜集他们三维运动数据
06:24
And what we did is collect搜集
a whole整个 database数据库 of motions运动,
141
372680
2696
我们所做的就是搜集运动过程的全数据
06:27
both on ground地面 and in water,
142
375400
1656
既有在陆地爬行的,也有在水中游行的
06:29
to really collect搜集 a whole整个 database数据库
of motor发动机 behaviors行为
143
377080
2484
真的是动物
在运动过程中的全部数据
06:31
that a real真实 animal动物 can do.
144
379589
1244
然后我们这些机器人学家的任务就是
把数据复制到机器人身上
06:32
And then our job工作 as roboticists机器人专家
was to replicate复制 that in our robot机器人.
145
380858
3150
因此我们为了找到正确的结构,进行了全套的优化方案
06:36
So we did a whole整个 optimization优化 process处理
to find out the right structure结构体,
146
384033
3383
例如在哪里放置这些运动,如何让它们连贯起来
06:39
where to place地点 the motors马达,
how to connect them together一起,
147
387440
2656
06:42
to be able能够 to replay重播
these motions运动 as well as possible可能.
148
390120
2880
才能尽可能地重现这些动作
06:45
And this is how PleurobotPleurobot came来了 to life.
149
393680
2360
这就是蝾螈机器人诞生的过程
06:49
So let's look at how close
it is to the real真实 animal动物.
150
397200
2416
接下来我们就来欣赏一下
它和活生生的动物多么相似吧
你现在看到的就是非常直观的对比
06:52
So what you see here
is almost几乎 a direct直接 comparison对照
151
400960
2496
06:55
between之间 the walking步行
of the real真实 animal动物 and the PleurobotPleurobot.
152
403480
2696
一个是活生生的动物,一个是蝾螈机器人
06:58
You can see that we have
almost几乎 a one-to-one一到一个 exact精确 replay重播
153
406200
2736
你可以看到我们几乎实现了两者在步态上
07:00
of the walking步行 gait步态.
154
408960
1256
一对一的重现
07:02
If you go backwards向后 and slowly慢慢地,
you see it even better.
155
410240
2600
如果进行慢速回放,你会看得更清楚
但是更神奇的是,我们成功重现了游行
07:07
But even better, we can do swimming游泳的.
156
415520
2376
07:09
So for that we have a dry suit适合
that we put all over the robot机器人 --
157
417920
3016
但我们必须给机器人穿上外套
07:12
(Laughter笑声)
158
420960
1096
(笑声)
07:14
and then we can go in water
and start开始 replaying重播 the swimming游泳的 gaits步态.
159
422080
3176
然后就可以入水重现游行的步态
07:17
And here, we were very happy快乐,
because this is difficult to do.
160
425280
3336
看到这里我们很是欣慰,因为这个过程真得很艰辛
07:20
The physics物理 of interaction相互作用 are complex复杂.
161
428640
2216
物理交互作用十分复杂
因为蝾螈机器人比真正的蝾螈大得多
07:22
Our robot机器人 is much bigger
than a small animal动物,
162
430880
2416
07:25
so we had to do what's called
dynamic动态 scaling缩放 of the frequencies频率
163
433320
3056
所以我们必须进行所谓的动态频率缩放
确保蝾螈机器人能实现一样的物理协调
07:28
to make sure we had
the same相同 interaction相互作用 physics物理.
164
436400
2336
但是你看,最后两者已经十分相近
07:30
But you see at the end结束,
we have a very close match比赛,
165
438760
2416
对此我们非常高兴
07:33
and we were very, very happy快乐 with this.
166
441200
1880
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
让我们再回到脊髓的研究
我们和Jean-Marie Cabelguen教授所做的工作就是
07:37
So here what we did
with Jean-Marie让 - 玛丽· CabelguenCabelguen
168
445720
2296
07:40
is model模型 the spinal cord circuits电路.
169
448040
2240
模拟脊髓中的电路
但是非常有趣的是,我们发现蝾螈
07:43
And what's interesting有趣
is that the salamander
170
451040
2136
07:45
has kept不停 a very primitive原始 circuit电路,
171
453200
1620
始终保持一种非常原始的电路
07:46
which哪一个 is very similar类似
to the one we find in the lamprey七鳃鳗,
172
454844
2652
这和我们在七鳃鳗身上发现的很相似
就是那个原始的鳗形鱼类
07:49
this primitive原始 eel-like鳗鱼样 fish,
173
457520
1976
似乎在进化过程中
07:51
and it looks容貌 like during evolution演化,
174
459520
1736
07:53
new neural神经 oscillators振荡器
have been added添加 to control控制 the limbs四肢,
175
461280
2936
产生了一种新的神经振荡器来控制肢干
并完成腿部的运动
07:56
to do the leg locomotion运动.
176
464240
1416
07:57
And we know where
these neural神经 oscillators振荡器 are
177
465680
2176
现在我们知道了这些神经振荡器的位置
但是我们还需要建立数学模型
07:59
but what we did was to make
a mathematical数学的 model模型
178
467880
2256
来研究它们是如何连接起来
08:02
to see how they should be coupled耦合
179
470160
1616
实现两种完全不同的步态的转换
08:03
to allow允许 this transition过渡
between之间 the two very different不同 gaits步态.
180
471800
2936
08:06
And we tested测试 that on board of a robot机器人.
181
474760
2560
我们在机器人的背部进行测试
08:09
And this is how it looks容貌.
182
477680
1200
就像这个样子
08:18
So what you see here
is a previous以前 version of PleurobotPleurobot
183
486920
3016
你现在看到的就是蝾螈机器人的原始版本
它完全由背部的脊髓模型
08:21
that's completely全然 controlled受控
by our spinal cord model模型
184
489960
3096
进行控制
08:25
programmed程序 on board of the robot机器人.
185
493080
1600
然后我们只需要
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
08:28
is send发送 to the robot机器人
through通过 a remote远程 control控制
187
496520
2176
通过远程控制,向机器人发送
08:30
the two descending signals信号
it normally一般 should receive接收
188
498720
2496
它在正常情况下从大脑高级部位接受的到的
08:33
from the upper part部分 of the brain.
189
501240
1600
两种下行调节信号
08:35
And what's interesting有趣 is,
by playing播放 with these signals信号,
190
503480
2696
有趣的是,通过这些信号
我们可以完全控制步态的速度,方向和类型
08:38
we can completely全然 control控制
speed速度, heading标题 and type类型 of gait步态.
191
506200
2800
08:41
For instance,
192
509600
1216
举例来说
08:42
when we stimulate刺激 at a low level水平,
we have the walking步行 gait步态,
193
510840
3576
当我们的刺激强度较低时,表现为行走的步态
当我们加大刺激的强度到某个极限
08:46
and at some point, if we stimulate刺激 a lot,
194
514440
1976
08:48
very rapidly急速 it switches开关
to the swimming游泳的 gait步态.
195
516440
2160
它迅速转换成游行的步态
最后,我们也可以很轻松地再变回来
08:51
And finally最后, we can also
do turning车削 very nicely很好
196
519480
2216
只需要刺激脊髓的另一端
08:53
by just stimulating刺激 more one side
of the spinal cord than the other.
197
521720
3520
我觉得这真的很美妙
08:58
And I think it's really beautiful美丽
198
526200
1616
大自然竟然赋予了脊髓
08:59
how nature性质 has distributed分散式 control控制
199
527840
2256
09:02
to really give a lot of responsibility责任
to the spinal cord
200
530120
2856
这么重大的责任
以至于脑部高级中枢部分根本不需要担心每一块肌肉
09:05
so that the upper part部分 of the brain
doesn't need to worry担心 about every一切 muscle肌肉.
201
533000
3656
09:08
It just has to worry担心
about this high-level高水平 modulation调制,
202
536680
2536
它只需要进行高层调节
09:11
and it's really the job工作 of the spinal cord
to coordinate坐标 all the muscles肌肉.
203
539240
3576
而协调所有的肌肉就是脊髓的任务了
09:14
So now let's go to cat locomotion运动
and the importance重要性 of biomechanics生物力学.
204
542840
3520
我们再回到猫的运动,进一步认识仿生学的的重要性
这就是另一个项目了
09:19
So this is another另一个 project项目
205
547080
1256
我们对猫进行了仿生学研究
09:20
where we studied研究 cat biomechanics生物力学,
206
548360
2416
想弄清楚形态学对于肢体动作的影响
09:22
and we wanted to see how much
the morphology形态学 helps帮助 locomotion运动.
207
550800
3896
09:26
And we found发现 three important重要
criteria标准 in the properties性能,
208
554720
3616
我们发现,从根本上讲
躯干具有三个重要的属性
09:30
basically基本上, of the limbs四肢.
209
558360
1320
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
首先就是猫的四肢,
09:34
more or less looks容貌
like a pantograph-like受电弓样 structure结构体.
211
562320
2696
或多或少地类似于受电弓的结构
09:37
So a pantograph受电弓 is a mechanical机械 structure结构体
212
565040
2216
受电弓是一种机械结构
它使得上框架和下框架始终保持平行
09:39
which哪一个 keeps保持 the upper segment分割
and the lower降低 segments always parallel平行.
213
567280
3400
09:43
So a simple简单 geometrical几何 system系统
that kind of coordinates坐标 a bit
214
571600
3096
如此简单的几何学系统
09:46
the internal内部 movement运动 of the segments.
215
574720
1816
竟能协调上下框架的内部移动
09:48
A second第二 property属性 of cat limbs四肢
is that they are very lightweight轻量级.
216
576560
3056
猫的四肢的第二个属性就是轻盈性
09:51
Most of the muscles肌肉 are in the trunk树干,
217
579640
1856
大部分的肌肉都集中在身体
09:53
which哪一个 is a good idea理念,
because then the limbs四肢 have low inertia惯性
218
581520
2896
这真是个好点子,这样一来四肢的惯性就很小
猫就可以灵活地运动
09:56
and can be moved移动 very rapidly急速.
219
584440
1776
09:58
The last final最后 important重要 property属性 is this
very elastic behavior行为 of the cat limb,
220
586240
3816
最后一个重要的属性是四肢的弹性
10:02
so to handle处理 impacts影响 and forces军队.
221
590080
2656
可以应对各种冲击和压力
我们就是根据这些属性设计出猎豹机器人
10:04
And this is how we designed设计 Cheetah-Cub猎豹幼崽.
222
592760
2336
接下来有请猎豹机器人登场
10:07
So let's invite邀请 Cheetah-Cub猎豹幼崽 onstage在舞台上.
223
595120
2200
10:14
So this is Peter彼得 Eckert埃克特,
who does his PhD博士 on this robot机器人,
224
602160
3656
这是由彼得埃克特在博士期间研制的机器人
10:17
and as you see, it's a cute可爱 little robot机器人.
225
605840
2056
你可以看到,它是一个非常可爱的小型机器人
10:19
It looks容貌 a bit like a toy玩具,
226
607920
1256
看起来就像玩具一样
10:21
but it was really used
as a scientific科学 tool工具
227
609200
2056
但它的的确确是一项科研工具
用来研究猫的四肢的属性
10:23
to investigate调查 these properties性能
of the legs of the cat.
228
611280
3296
10:26
So you see, it's very compliant兼容,
very lightweight轻量级,
229
614600
2616
你看,它的四肢十分协调、轻盈
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
并且富有弹性
10:30
so you can easily容易 press it down
and it will not break打破.
231
618520
2776
你可以轻而易举地把它压下去,但它一点事都没有
10:33
It will just jump, in fact事实.
232
621320
1456
实际上,它只会跳起来
10:34
And this very elastic property属性
is also very important重要.
233
622800
2880
所以说四肢的弹跳性非常重要
10:39
And you also see a bit these properties性能
234
627160
1896
你也可以把四肢的三个节段
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph受电弓.
235
629080
2400
看作一个受电弓
10:44
Now, what's interesting有趣
is that this quite相当 dynamic动态 gait步态
236
632280
2776
现在,有趣的是这个动态的装置
10:47
is obtained获得 purely纯粹 in open打开 loop循环,
237
635080
1896
实现了完全的开环回路
10:49
meaning含义 no sensors传感器,
no complex复杂 feedback反馈 loops循环.
238
637000
3136
也就是说没有传感器,也没有复杂的反馈回路
10:52
And that's interesting有趣, because it means手段
239
640160
2416
这真的很有趣,因为这意味着
10:54
that just the mechanics机械学
already已经 stabilized稳定 this quite相当 rapid快速 gait步态,
240
642600
4016
仅仅靠机器就可以维持这个敏捷的装置的平衡
10:58
and that really good mechanics机械学
already已经 basically基本上 simplify简化 locomotion运动.
241
646640
4176
并且这个精巧的机器对运动进行了基本的简化
11:02
To the extent程度 that we can even
disturb打扰 a bit locomotion运动,
242
650840
3296
在某种程度上,我们甚至可以在运动过程中制造一些障碍
11:06
as you will see in the next下一个 video视频,
243
654160
1656
在接下来的视频是你会看到
11:07
where we can for instance do some exercise行使
where we have the robot机器人 go down a step,
244
655840
3896
例如我们做一些实验让机器人下台阶
11:11
and the robot机器人 will not fall秋季 over,
245
659760
1616
机器人并不会摔倒
11:13
which哪一个 was a surprise for us.
246
661400
1576
这确实出乎我们的意料
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
对于这个细微的干扰
11:16
I was expecting期待 the robot机器人
to immediately立即 fall秋季 over,
248
664440
2416
我预期机器人会立刻摔倒
因为它没有传感器,也没有快速反馈回路
11:18
because there are no sensors传感器,
no fast快速 feedback反馈 loop循环.
249
666880
2436
但是出乎我们的意料,仅仅靠这个机器维持了装着的平衡
11:21
But no, just the mechanics机械学
stabilized稳定 the gait步态,
250
669340
2196
11:23
and the robot机器人 doesn't fall秋季 over.
251
671560
1576
机器人并没有摔倒
11:25
Obviously明显, if you make the step bigger,
and if you have obstacles障碍,
252
673160
3136
显然,如果增大跨度,再设置一些障碍
11:28
you need the full充分 control控制 loops循环
and reflexes反射 and everything.
253
676320
3656
就需要全控制回路和反射弧等一系列东西
11:32
But what's important重要 here
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
但是眼下最重要的是,对于一些细微的干扰
11:34
the mechanics机械学 are right.
255
682960
1496
仅仅靠机器就可以完成
11:36
And I think this is
a very important重要 message信息
256
684480
2096
我想这对仿生学家、机器人学家和神经学家来说
11:38
from biomechanics生物力学 and robotics机器人
to neuroscience神经科学,
257
686600
2191
是一个非常重要的信息,那就是:
11:40
saying don't underestimate低估 to what extent程度
the body身体 already已经 helps帮助 locomotion运动.
258
688815
4680
不要低估躯干对于运动所发挥的作用
11:47
Now, how does this relate涉及
to human人的 locomotion运动?
259
695440
2160
那么这是如何联系到人类的运动上的呢
11:49
Clearly明确地, human人的 locomotion运动 is more complex复杂
than cat and salamander locomotion运动,
260
697960
3640
显然,人类的运动比猫和蝾螈的运动更为复杂
但是另一方面,人类的神经系统
11:54
but at the same相同 time, the nervous紧张 system系统
of humans人类 is very similar类似
261
702360
3136
和其他脊椎动物的十分相似
11:57
to that of other vertebrates脊椎动物.
262
705520
1576
尤其是脊髓
11:59
And especially特别 the spinal cord
263
707120
1456
它同样是人类运动的重要处理中心
12:00
is also the key controller调节器
for locomotion运动 in humans人类.
264
708600
2640
12:03
That's why, if there's a lesion病变
of the spinal cord,
265
711760
2416
这就是为什么一旦脊髓受损
将会导致严重的后果
12:06
this has dramatic戏剧性 effects效果.
266
714200
1496
例如瘫痪或者四肢麻痹
12:07
The person can become成为
paraplegic截瘫 or tetraplegic四肢瘫痪.
267
715720
2776
12:10
This is because the brain
loses失去 this communication通讯
268
718520
2376
这是由于大脑与脊髓
之间的信息传递受损
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
尤其是用于引发和调节运动的
12:14
Especially特别, it loses失去
this descending modulation调制
270
722200
2216
12:16
to initiate发起 and modulate调制 locomotion运动.
271
724440
1920
下行调节机制
12:19
So a big goal目标 of neuroprosthetics神经义肢
272
727640
1696
所以神经学家的一大目标
就是通过电刺激或者化学刺激
12:21
is to be able能够 to reactivate激活
that communication通讯
273
729360
2376
12:23
using运用 electrical电动 or chemical化学 stimulations刺激.
274
731760
2440
激活两者之间的信息传递
12:26
And there are several一些 teams球队
in the world世界 that do exactly究竟 that,
275
734840
2936
世界上有些团队就在研究这一领域
12:29
especially特别 at EPFLEPFL.
276
737800
1216
在洛桑联邦理工学院更是如此
12:31
My colleagues同事 GrGRégoiregoire Courtine库尔蒂纳
and Silvestro西尔维斯特 MiceraMicera,
277
739040
2496
例如我的同事格雷瓜尔·库尔蒂纳
12:33
with whom I collaborate合作.
278
741560
1240
还有西尔维斯特·米切拉
12:35
But to do this properly正确,
it's very important重要 to understand理解
279
743960
3096
但是为了做好这一点,理解以下几点非常重要
12:39
how the spinal cord works作品,
280
747080
1736
脊髓是如何工作的
12:40
how it interacts交互 with the body身体,
281
748840
1696
它是如何与躯干相互作用的
12:42
and how the brain
communicates相通 with the spinal cord.
282
750560
2480
以及大脑是如何与脊髓进行信息传递的
12:45
This is where the robots机器人
and models楷模 that I've presented呈现 today今天
283
753800
2896
我今天所呈现的机器人和模型
12:48
will hopefully希望 play a key role角色
284
756720
1896
就将针对上述重要问题
12:50
towards these very important重要 goals目标.
285
758640
2656
发挥关键的作用
12:53
Thank you.
286
761320
1216
感谢大家
12:54
(Applause掌声)
287
762560
4560
(掌声)
13:04
Bruno布鲁诺 Giussani吉萨尼: Auke奥克, I've seen看到
in your lab实验室 other robots机器人
288
772100
2636
布鲁诺·朱萨尼:奥克,我在你的实验室
看到一些其他的机器人
13:06
that do things like swim游泳 in pollution污染
289
774760
2456
例如在污水中游泳
13:09
and measure测量 the pollution污染 while they swim游泳.
290
777240
2456
并检测污染程度的机器人
13:11
But for this one,
291
779720
1216
但是你在演讲中提到的蝾螈机器人
13:12
you mentioned提到 in your talk,
like a side project项目,
292
780960
3480
它更像是一个小项目
13:17
search搜索 and rescue拯救,
293
785640
1216
它的鼻子上有一个照相机
13:18
and it does have a camera相机 on its nose鼻子.
294
786880
2176
可以进行搜救工作
13:21
Auke奥克 IjspeertIjspeert: Absolutely绝对. So the robot机器人 --
295
789080
2496
奥克:确实是这样,关于机器人
13:23
We have some spin-off分拆 projects项目
296
791600
1429
我们有很多派生项目
13:25
where we would like to use the robots机器人
to do search搜索 and rescue拯救 inspection检查,
297
793053
3443
我们希望用这些机器人进行搜救和视察工作
13:28
so this robot机器人 is now seeing眼看 you.
298
796520
1576
所以蝾螈机器人诞生了
13:30
And the big dream梦想 is to,
if you have a difficult situation情况
299
798120
3176
我们设想的是,如果有人陷入困境
13:33
like a collapsed倒塌 building建造
or a building建造 that is flooded,
300
801320
3616
例如建筑坍塌或者遭遇洪水
13:36
and this is very dangerous危险
for a rescue拯救 team球队 or even rescue拯救 dogs小狗,
301
804960
3336
这对救援团队和搜救犬来说都是危险的
13:40
why not send发送 in a robot机器人
that can crawl爬行 around, swim游泳, walk步行,
302
808320
2896
那么为什么不派一个个既会爬行
又会游行的机器人呢
13:43
with a camera相机 onboard在船上
to do inspection检查 and identify鉴定 survivors幸存者
303
811240
3176
它的背部还装有照相机,可以用来
进行侦查、识别幸存者
13:46
and possibly或者 create创建
a communication通讯 link链接 with the survivor幸存者.
304
814440
2776
甚至可能实现与幸存者的联系
13:49
BGBG: Of course课程, assuming假设 the survivors幸存者
don't get scared害怕 by the shape形状 of this.
305
817240
3576
布鲁诺:当然,前提是幸存者没有被机器人的样子吓到
13:52
AIAI: Yeah, we should probably大概
change更改 the appearance出现 quite相当 a bit,
306
820840
3296
奥克:是的,我们将对机器人的外形进行改善
13:56
because here I guess猜测 a survivor幸存者
might威力 die of a heart attack攻击
307
824160
2816
否则,我猜幸存者可能会被吓出心脏病
13:59
just of being存在 worried担心
that this would feed饲料 on you.
308
827000
2536
害怕机器人会吃了他们
14:01
But by changing改变 the appearance出现
and it making制造 it more robust强大的,
309
829560
2856
但是我相信,通过改变它的外形,让它更强健一些
14:04
I'm sure we can make
a good tool工具 out of it.
310
832440
2056
它将会发挥很重要的作用
布鲁诺:非常感谢你和你的团队
14:06
BGBG: Thank you very much.
Thank you and your team球队.
311
834520
2286
Translated by Sameul George
Reviewed by Jiawei Ni

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ABOUT THE SPEAKER
Auke Ijspeert - Roboticist
Auke 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.

More profile about the speaker
Auke Ijspeert | Speaker | TED.com

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