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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Auke Ijspeert: A robot that runs and swims like a salamander

奧克.捷思皮爾: 一個出水能跑,入水能游的蜥蜴機械人

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機械設計學家奧克.捷思皮爾( Auke Ijspeert)設計機械生物,就是那種可以模擬真實動物的機器人,它能夠處理複雜的場地,而且即將像科幻小說一樣出現在我們家裡。在創造這些機械生物的過程中,製造這些機器人的過程,引領出了更好的自動裝置,可以用於農耕、服務、搜索和救援。這些機械人不單只是模倣自然世界,同時亦幫助我們更認識我們的生物,解開了一些前所未知有關於脊髓的秘密。
- 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
這是機械蠑螈,
機械蠑螈是一種遙控機具,
我們設計時,高度模擬了一類
00:15
PleurobotPleurobot is a robot機器人 that we designed設計
to closely密切 mimic模仿者 a salamander species種類
1
3400
3616
00:19
called PleurodelesPleurodeles waltlwaltl.
2
7040
1400
稱為歐非肋突螈的兩棲類。
你可以看到,機械蠑螈能夠走路,
00:21
PleurobotPleurobot can walk步行, as you can see here,
3
9240
2256
00:23
and as you'll你會 see later後來, it can also swim游泳.
4
11520
2040
稍後你也會看到,它會游泳,
你可能會問,我們為甚麼要
設計這一類的遙控機械?
00:26
So you might威力 ask,
why did we design設計 this robot機器人?
5
14280
2191
事實上,這具機械是設計來
作為腦神經研究的科研工具。
00:28
And in fact事實, this robot機器人 has been designed設計
as a scientific科學 tool工具 for neuroscience神經科學.
6
16960
3762
我們也確實在設計的時候,
夥同腦神經學家們
00:33
Indeed確實, we designed設計 it
together一起 with neurobiologists神經生物學家
7
21400
2496
00:35
to understand理解 how animals動物 move移動,
8
23920
1896
去理解動物怎樣律動,
尤其去理解脊髓如何控制肢體行動。
00:37
and especially特別 how the spinal cord
controls控制 locomotion運動.
9
25840
2760
但當我在機械生物做出愈多的研究,
00:41
But the more I work in biorobotics生物機器人,
10
29560
1696
00:43
the more I'm really impressed印象深刻
by animal動物 locomotion運動.
11
31280
2381
我愈訝異於動物的肢體行動。
請你想像一下,一隻海豚的游泳
或一隻貓兒的奔跑跳躍,
00:45
If you think of a dolphin海豚 swimming游泳的
or a cat running賽跑 or jumping跳躍 around,
12
33920
4296
或甚至是我們人類
00:50
or even us as humans人類,
13
38240
1576
在慢跑或打網球時,
00:51
when you go jogging跑步 or play tennis網球,
14
39840
1816
00:53
we do amazing驚人 things.
15
41680
1240
我們是在做驚奇的事情。
事實上,我們的神經系統解決了
一個非常非常複雜的控制問題。
00:55
And in fact事實, our nervous緊張 system系統 solves解決了
a very, very complex複雜 control控制 problem問題.
16
43880
4136
01:00
It has to coordinate坐標
more or less 200 muscles肌肉 perfectly完美,
17
48040
3096
它需要完美得協調
大約二百組肌肉,
如果協調得不好,
我們會摔倒,或行動得蹩扭。
01:03
because if the coordination協調 is bad,
we fall秋季 over or we do bad locomotion運動.
18
51160
3680
而我的目標就是要理解這是如何運作的。
01:07
And my goal目標 is to understand理解
how this works作品.
19
55560
2720
動物的肢體行動,
有四個主要元件。
01:11
There are four main主要 components組件
behind背後 animal動物 locomotion運動.
20
59160
2840
第一個元件就是身體,
01:14
The first component零件 is just the body身體,
21
62800
1936
01:16
and in fact事實 we should never underestimate低估
22
64760
1976
事實上,我們都不應該低估
01:18
to what extent程度 the biomechanics生物力學
already已經 simplify簡化 locomotion運動 in animals動物.
23
66760
3480
生物力學已經簡化動物的
肢體行動到哪種程度。
第二個元件就是脊髓,
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
你在脊髓裡可以找到反射作用,
01:26
multiple reflexes反射 that create創建
a sensorimotor感覺 coordination協調 loop循環
26
74400
3456
多重反射作用會在脊髓的神經活動
與機械活動之間
01:29
between之間 neural神經 activity活動 in the spinal cord
and mechanical機械 activity活動.
27
77880
3480
產生出一種
感知運動的協調迴路,
第三個元件是中樞模式產生器。
01:34
A third第三 component零件
are central中央 pattern模式 generators發電機.
28
82000
2976
01:37
These are very interesting有趣 circuits電路
in the spinal cord of vertebrate脊椎動物 animals動物
29
85000
3896
這些非常有趣的迴路,
存在於脊椎動物的脊髓裏,
01:40
that can generate生成, by themselves他們自己,
30
88920
1616
當它接收到非常簡單的輸入訊號時,
01:42
very coordinated協調
rhythmic有板有眼 patterns模式 of activity活動
31
90560
2736
它們可以自己產生出
01:45
while receiving接收
only very simple簡單 input輸入 signals信號.
32
93320
2376
非常協調且有節奏感的運動,
01:47
And these input輸入 signals信號
33
95720
1216
而這些輸入訊號,
01:48
coming未來 from descending modulation調製
from higher更高 parts部分 of the brain,
34
96960
3056
就是從大腦內較高部位
發射出來的「下行性調控」訊號,
01:52
like the motor發動機 cortex皮質,
the cerebellum小腦, the basal基礎 ganglia神經節,
35
100040
2696
就如同運動皮質層、
小腦,基底核一樣,
01:54
will all modulate調製 activity活動
of the spinal cord
36
102760
2136
而當我們在做肢體活動的時候,
01:56
while we do locomotion運動.
37
104920
1456
它能夠調控脊髓的所有活動。
01:58
But what's interesting有趣 is to what extent程度
just a low-level低級別 component零件,
38
106400
3216
有趣的是,在某些程度上,
02:01
the spinal cord, together一起 with the body身體,
39
109640
1936
這些脊髓,連同身體,
02:03
already已經 solve解決 a big part部分
of the locomotion運動 problem問題.
40
111600
2456
已經可以解決大部份肢體的活動問題。
02:06
You probably大概 know it by the fact事實
that you can cut the head off a chicken,
41
114080
3422
你大概也知道一個事實,
當一隻雞被砍頭之後,
它還可以再跑一會兒,
02:09
it can still run for a while,
42
117532
1381
02:10
showing展示 that just the lower降低 part部分,
spinal cord and body身體,
43
118937
2539
這表示,僅僅較低部位的脊髓和身體,
02:13
already已經 solve解決 a big part部分 of locomotion運動.
44
121500
1873
已經解決了大部份肢體活動的問題。
02:15
Now, understanding理解 how this works作品
is very complex複雜,
45
123397
2459
要理解這是如何運作的,
其實也蠻複雜的,
02:17
because first of all,
46
125880
1296
因為,首先,
02:19
recording記錄 activity活動 in the spinal cord
is very difficult.
47
127200
2620
要記錄脊髓裡面的活動非常困難。
02:21
It's much easier更輕鬆 to implant注入 electrodes電極
in the motor發動機 cortex皮質
48
129844
2772
在大腦運動皮層植入電極遠比
在脊髓植入電極容易,
02:24
than in the spinal cord,
because it's protected保護 by the vertebrae椎骨.
49
132640
3056
因為它被脊椎骨保護著。
02:27
Especially特別 in humans人類, very hard to do.
50
135720
1816
尤其是在人類身上,非常難辦到。
02:29
A second第二 difficulty困難 is that locomotion運動
is really due應有 to a very complex複雜
51
137560
3776
第二個困難,有很大的原因是,
肢體行動在這四個元件之間,
是非常複雜且動態交互作用著的。
02:33
and very dynamic動態 interaction相互作用
between之間 these four components組件.
52
141360
3056
02:36
So it's very hard to find out
what's the role角色 of each over time.
53
144440
3240
所以每次要找出那一個元件
擔任那一個角色,真的是很困難。
這也是為什麼機械生物,
02:40
This is where biorobotsbiorobots like PleurobotPleurobot
and mathematical數學的 models楷模
54
148880
3736
02:44
can really help.
55
152640
1200
在建立像是機械蠑螈和
數學模組上很有幫助的原因。
所以甚麼是機械生物呢?
02:47
So what's biorobotics生物機器人?
56
155480
1256
02:48
Biorobotics生物機器人 is a very active活性 field領域
of research研究 in robotics機器人
57
156760
2736
機械生物是機械科研裡
一個非常活躍的領域,
02:51
where people want to
take inspiration靈感 from animals動物
58
159520
2456
人們都想從動物裡得到啟發,
02:54
to make robots機器人 to go outdoors在戶外,
59
162000
2456
製成一些可以到户外去的機械人,
02:56
like service服務 robots機器人
or search搜索 and rescue拯救 robots機器人
60
164480
2656
像是一些服務業機械人,
或是可從事搜索和救援的機械人
02:59
or field領域 robots機器人.
61
167160
1200
或是農耕機械人。
而主要目的就是,
要從動物身上得到啟發
03:00
And the big goal目標 here
is to take inspiration靈感 from animals動物
62
168880
2696
03:03
to make robots機器人 that can handle處理
complex複雜 terrain地形 --
63
171600
2336
來製造一些機械人,
可以處理一些複雜的地形--
03:05
stairs樓梯, mountains, forests森林,
64
173960
1616
像是樓梯、山脈、森林、
03:07
places地方 where robots機器人
still have difficulties困難
65
175600
2016
一些機械人仍然遇到困難的地方,
03:09
and where animals動物
can do a much better job工作.
66
177640
2056
以及動物可以做得更好的地方。
03:11
The robot機器人 can be a wonderful精彩
scientific科學 tool工具 as well.
67
179720
2496
機械人同樣也是神奇的科研工具,
03:14
There are some very nice不錯 projects項目
where robots機器人 are used,
68
182240
2620
有些很棒的科研項目利用機械人
03:16
like a scientific科學 tool工具 for neuroscience神經科學,
for biomechanics生物力學 or for hydrodynamics流體動力學.
69
184884
3972
做為腦神經、生物力學
或水力學的科研工具。
03:20
And this is exactly究竟
the purpose目的 of PleurobotPleurobot.
70
188880
2120
而這就是做機械蠑螈的目的。
在我的實驗室,我們夥同腦神經生物學家
03:23
So what we do in my lab實驗室
is to collaborate合作 with neurobiologists神經生物學家
71
191600
2936
03:26
like Jean-Marie讓 - 瑪麗· CabelguenCabelguen,
a neurobiologist神經生物學家 in Bordeaux波爾多 in France法國,
72
194560
3216
例如法國波爾多的腦神經生物學家
Jean-Marie Cabelguen,
03:29
and we want to make spinal cord models楷模
and validate驗證 them on robots機器人.
73
197800
4040
我們打算製作出脊髓的模型,
然後在機器人上驗証。
我們希望從簡單出發。
03:34
And here we want to start開始 simple簡單.
74
202480
1616
03:36
So it's good to start開始 with simple簡單 animals動物
75
204120
1976
所以從簡單的動物開始就好,
03:38
like lampreys七鰓鰻, which哪一個 are
very primitive原始 fish,
76
206120
2256
像是七鰓鰻,非常原始的魚類,
03:40
and then gradually逐漸
go toward more complex複雜 locomotion運動,
77
208400
2496
然後逐漸地邁向更複雜的肢體活動,
03:42
like in salamanders蠑螈,
78
210920
1256
像是蜥蜴,
03:44
but also in cats and in humans人類,
79
212200
1496
但也包含貓、人類,
03:45
in mammals哺乳動物.
80
213720
1200
哺乳動物等。
03:47
And here, a robot機器人 becomes
an interesting有趣 tool工具
81
215880
2376
所以,機械人成為了一個
03:50
to validate驗證 our models楷模.
82
218280
1936
可以驗証我們模型的有趣工具。
03:52
And in fact事實, for me, PleurobotPleurobot
is a kind of dream夢想 becoming變得 true真正.
83
220240
3016
事實上對我來說,機械蠑螈
算是圓了我一個夢想。
03:55
Like, more or less 20 years年份 ago
I was already已經 working加工 on a computer電腦
84
223280
3256
大概二十年前,在我博士班的期間,
03:58
making製造 simulations模擬 of lamprey七鰓鰻
and salamander locomotion運動
85
226560
2656
我已經在電腦上,製作一些
04:01
during my PhD博士.
86
229240
1536
七鰓鰻和蜥蜴肢體活動的模擬,
04:02
But I always knew知道 that my simulations模擬
were just approximations近似值.
87
230800
3376
但我一直以來都知道,
我的模擬只是粗略概算。
04:06
Like, simulating模擬 the physics物理 in water
or with mud or with complex複雜 ground地面,
88
234200
3976
像是在水中模擬物理現象,
或是在混雜泥土裡或是複雜的地表面上,
04:10
it's very hard to simulate模擬 that
properly正確 on a computer電腦.
89
238200
2656
這些都是很難在電腦上適當地模擬出來的。
04:12
Why not have a real真實 robot機器人
and real真實 physics物理?
90
240880
2040
為什麼不乾脆做一個
真實的機械人或真實的物體?
04:15
So among其中 all these animals動物,
one of my favorites最愛 is the salamander.
91
243600
3136
在眾多的動物裡,蜥蜴是我喜歡的其中之一。
04:18
You might威力 ask why,
and it's because as an amphibian兩棲動物,
92
246760
3456
你大概想知道為什麼,
因為以兩棲動物而言,
04:22
it's a really key animal動物
from an evolutionary發展的 point of view視圖.
93
250240
2856
從進化的角度來看,
蜥蜴其實是很重要的動物。
04:25
It makes品牌 a wonderful精彩 link鏈接
between之間 swimming游泳的,
94
253120
2056
它完美的串聯起
04:27
as you find it in eels鰻魚 or fish,
95
255200
1896
水棲動物的游泳
(像是鰻魚或魚)
04:29
and quadruped走獸 locomotion運動,
as you see in mammals哺乳動物, in cats and humans人類.
96
257120
4120
以及哺乳類動物的四肢活動
(像是貓或人)。
事實上,現代的蜥蜴
04:34
And in fact事實, the modern現代 salamander
97
262160
1656
04:35
is very close to the first
terrestrial陸生 vertebrate脊椎動物,
98
263840
2376
與第一代的陸棲脊椎動物非常相近,
04:38
so it's almost幾乎 a living活的 fossil化石,
99
266240
1536
幾乎就是一種活化石,
04:39
which哪一個 gives us access訪問 to our ancestor祖先,
100
267800
1936
讓我們可以接近自己的祖宗,
04:41
the ancestor祖先 to all terrestrial陸生 tetrapods四足動物.
101
269760
2920
所有陸棲四肢動物的祖宗。
蜥蜴是藉由一種稱為鰻游的泳態,
04:45
So the salamander swims游泳
102
273240
1376
04:46
by doing what's called
an anguilliformanguilliform swimming游泳的 gait步態,
103
274640
2496
來進行游泳的動作,
04:49
so they propagate傳播 a nice不錯 traveling旅行 wave
of muscle肌肉 activity活動 from head to tail尾巴.
104
277160
3640
它們從頭部到尾部的肌肉活動,
傳遞出一種很優美的游行波浪。
而當你把蜥蜴放在地面上時,
04:53
And if you place地點
the salamander on the ground地面,
105
281440
2176
04:55
it switches開關 to what's called
a walking步行 trot小跑 gait步態.
106
283640
2336
它又會轉化為快走的步態。
04:58
In this case案件, you have nice不錯
periodic定期 activation激活 of the limbs四肢
107
286000
2863
在這個案例,你有很好的
週期性肢體律動
05:00
which哪一個 are very nicely很好 coordinated協調
108
288887
1609
可以非常好地協調出
05:02
with this standing常設 wave
undulation波動 of the body身體,
109
290520
2656
這樣持續性波浪的身體起伏,
05:05
and that's exactly究竟 the gait步態
that you are seeing眼看 here on PleurobotPleurobot.
110
293200
3656
就如你們現在所看到的
機械蠑螈的步態。
05:08
Now, one thing which哪一個 is very surprising奇怪
and fascinating迷人 in fact事實
111
296880
2976
事實上,其中一件很令人訝異
卻又讚嘆的事實就是...
05:11
is the fact事實 that all this can be generated產生
just by the spinal cord and the body身體.
112
299880
4136
這些活動可以僅藉由
脊髓和身體就可以啟動了。
05:16
So if you take
a decerebrateddecerebrated salamander --
113
304040
2000
所以即使是一隻沒有腦袋的蜥蜴 --
05:18
it's not so nice不錯
but you remove去掉 the head --
114
306064
2016
那不是太好, 但當移除了頭顱--
05:20
and if you electrically
stimulate刺激 the spinal cord,
115
308104
2672
而你用電殛刺激脊髓,
05:22
at low level水平 of stimulation促進
this will induce促使 a walking-like行走狀 gait步態.
116
310800
3256
在低電流的刺激下,
會做出走路一樣的步態。
05:26
If you stimulate刺激 a bit more,
the gait步態 accelerates加速.
117
314080
2456
如果你稍稍加強刺激度,
步伐就會隨之加快。
05:28
And at some point, there's a threshold,
118
316560
1896
到了若干程度,會有一個臨界點,
05:30
and automatically自動,
the animal動物 switches開關 to swimming游泳的.
119
318480
2536
隨後,動物會自動地
從行走轉為游泳
05:33
This is amazing驚人.
120
321040
1376
這真是神乎其技。
05:34
Just changing改變 the global全球 drive駕駛,
121
322440
1496
只是改變了中央的驅動器,
05:35
as if you are pressing緊迫 the gas加油站 pedal踏板
122
323960
1736
就如同你在踩油門一樣,
05:37
of descending modulation調製
to your spinal cord,
123
325720
2136
把下行性調控訊號傳遞到你的脊髓,
05:39
makes品牌 a complete完成 switch開關
between之間 two very different不同 gaits步態.
124
327880
3000
在兩種不一樣的模式間相互切換。
05:44
And in fact事實, the same相同
has been observed觀察到的 in cats.
125
332440
2576
其實同樣的情況,
在貓身上也觀察得到,
05:47
If you stimulate刺激 the spinal cord of a cat,
126
335040
2016
如果你刺激一隻貓的脊髓,
05:49
you can switch開關 between之間
walk步行, trot小跑 and gallop馳騁.
127
337080
2216
你能夠在其間切換模式:
行走、緩跑和急步跑。
05:51
Or in birds鳥類, you can make a bird
switch開關 between之間 walking步行,
128
339320
2736
或在鳥類身上,你可以隨興
切換一隻小鳥,
05:54
at a low level水平 of stimulation促進,
129
342080
1456
在低電流時,走路,
05:55
and flapping its wings翅膀
at high-level高水平 stimulation促進.
130
343560
2816
在高電流刺激時,揮動翅膀。
05:58
And this really shows節目 that the spinal cord
131
346400
2016
而這告訴我們,
脊髓是個非常複雜精密的
肢體行動控制器。
06:00
is a very sophisticated複雜的
locomotion運動 controller調節器.
132
348440
2416
06:02
So we studied研究 salamander locomotion運動
in more detail詳情,
133
350880
2456
於是我們更仔細的研究蜥蜴的肢體行動,
06:05
and we had in fact事實 access訪問
to a very nice不錯 X-rayX-射線 video視頻 machine
134
353360
3096
其我們有一部很好的X光錄影機,
06:08
from Professor教授 Martin馬丁 Fischer菲舍爾
in Jena耶拿 University大學 in Germany德國.
135
356480
3576
是由德國 Jena 大學的 Martin Fischer 教授所提供。
06:12
And thanks謝謝 to that,
you really have an amazing驚人 machine
136
360080
2576
感謝有這部神奇的機器,
06:14
to record記錄 all the bone motion運動
in great detail詳情.
137
362680
2456
把所有的骨骼行動都仔細的紀錄下來。
06:17
That's what we did.
138
365160
1256
這就是我們在做的事。
06:18
So we basically基本上 figured想通 out
which哪一個 bones骨頭 are important重要 for us
139
366440
3176
基本上,我們找出了
對我們來說重要的骨骼,
06:21
and collected their motion運動 in 3D.
140
369640
3016
並且收集它們的3D動作。
06:24
And what we did is collect蒐集
a whole整個 database數據庫 of motions運動,
141
372680
2696
我們所做的就是收集
整個骨骼的動作資料庫,
06:27
both on ground地面 and in water,
142
375400
1656
從水上到陸上,
06:29
to really collect蒐集 a whole整個 database數據庫
of motor發動機 behaviors行為
143
377080
2484
實際地去收集一隻動物所有的
06:31
that a real真實 animal動物 can do.
144
379589
1244
移動行為資料庫。
06:32
And then our job工作 as roboticists機器人專家
was to replicate複製 that in our robot機器人.
145
380858
3150
而我們機械設計學家的工作就是,
將這些資料複製到我們的機械人。
06:36
So we did a whole整個 optimization優化 process處理
to find out the right structure結構體,
146
384033
3383
所以我們做了全方位的優化程序
來找出正確的結構、
06:39
where to place地點 the motors馬達,
how to connect them together一起,
147
387440
2656
在哪裡放置馬達、
06:42
to be able能夠 to replay重播
these motions運動 as well as possible可能.
148
390120
2880
如何把它們連接一起,
盡可能地重製出這些動作等等。
06:45
And this is how PleurobotPleurobot came來了 to life.
149
393680
2360
機械蠑螈就是這樣成型的。
讓我們來看看它跟
真正的動物有多近似。
06:49
So let's look at how close
it is to the real真實 animal動物.
150
397200
2416
你現在看到的是,
真正的動物和機械蠑螈在行走時
06:52
So what you see here
is almost幾乎 a direct直接 comparison對照
151
400960
2496
06:55
between之間 the walking步行
of the real真實 animal動物 and the PleurobotPleurobot.
152
403480
2696
直接對比的影片。
06:58
You can see that we have
almost幾乎 a one-to-one一到一個 exact精確 replay重播
153
406200
2736
你可以看到幾乎是一比一的比例,
07:00
of the walking步行 gait步態.
154
408960
1256
重演着走路的步態。
07:02
If you go backwards向後 and slowly慢慢地,
you see it even better.
155
410240
2600
如果你倒退或慢動作,你可以看得更清楚。
更棒的是,我們可以游泳。
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適合
that we put all over the robot機器人 --
157
417920
3016
我們甚至為機械蠑螈穿上了潛水衣--
07:12
(Laughter笑聲)
158
420960
1096
(笑聲)
07:14
and then we can go in water
and start開始 replaying重播 the swimming游泳的 gaits步態.
159
422080
3176
然後我們可以到水裡,
開始重製游泳的泳態。
07:17
And here, we were very happy快樂,
because this is difficult to do.
160
425280
3336
我們對於此很高興,
因為這個真的很難。
07:20
The physics物理 of interaction相互作用 are complex複雜.
161
428640
2216
互動的物理現象相當複雜。
07:22
Our robot機器人 is much bigger
than a small animal動物,
162
430880
2416
我們的機械蠑螈要比小動物大很多,
07:25
so we had to do what's called
dynamic動態 scaling縮放 of the frequencies頻率
163
433320
3056
所以我們得找出
稱之為「等比例動態」的頻率,
07:28
to make sure we had
the same相同 interaction相互作用 physics物理.
164
436400
2336
來確定我們也得到了
一樣的互動物理現象。
07:30
But you see at the end結束,
we have a very close match比賽,
165
438760
2416
你可以看到,
最後我們可以非常接近地運動,
07:33
and we were very, very happy快樂 with this.
166
441200
1880
所以我們對此非常非常的高興。
07:35
So let's go to the spinal cord.
167
443480
2216
現在我們來看看脊髓。
07:37
So here what we did
with Jean-Marie讓 - 瑪麗· CabelguenCabelguen
168
445720
2296
我們跟 Jean-Marie Cabelguen 一起
07:40
is model模型 the spinal cord circuits電路.
169
448040
2240
模擬了脊髓的迴路。
有趣的是,蜥蜴
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電路,
171
453200
1620
保持了最原始的迴路,
07:46
which哪一個 is very similar類似
to the one we find in the lamprey七鰓鰻,
172
454844
2652
非常相近於我們找到的七鰓鰻,
07:49
this primitive原始 eel-like鰻魚樣 fish,
173
457520
1976
這個像鰻魚的原始魚類,
07:51
and it looks容貌 like during evolution演化,
174
459520
1736
看起來像是在進化期間,
07:53
new neural神經 oscillators振盪器
have been added添加 to control控制 the limbs四肢,
175
461280
2936
有新的神經振動器
會被加進來去控制肢體
07:56
to do the leg locomotion運動.
176
464240
1416
來帶動腿的行動。
07:57
And we know where
these neural神經 oscillators振盪器 are
177
465680
2176
我們知道這些神經振動器在哪裡,
07:59
but what we did was to make
a mathematical數學的 model模型
178
467880
2256
但我們要做的是,計算出數學模式,
08:02
to see how they should be coupled耦合
179
470160
1616
看看怎樣把他們配對起來,
08:03
to allow允許 this transition過渡
between之間 the two very different不同 gaits步態.
180
471800
2936
來讓這兩種非常不同的
動作可以自由轉換。
08:06
And we tested測試 that on board of a robot機器人.
181
474760
2560
我們就在機械蠑螈的電板上測試。
08:09
And this is how it looks容貌.
182
477680
1200
而它看起來就像是這樣。
08:18
So what you see here
is a previous以前 version of PleurobotPleurobot
183
486920
3016
這裡你們看到的是,
上一代版本的機械蠑螈,
08:21
that's completely全然 controlled受控
by our spinal cord model模型
184
489960
3096
完全由我們輸入在電路板上
08:25
programmed程序 on board of the robot機器人.
185
493080
1600
的脊髓模組程式所控制。
08:27
And the only thing we do
186
495280
1216
我們唯一做的是,
08:28
is send發送 to the robot機器人
through通過 a remote遠程 control控制
187
496520
2176
透過遥控器,向機械人發出
08:30
the two descending signals信號
it normally一般 should receive接收
188
498720
2496
兩組下行性調控訊號,而這通常源自於
08:33
from the upper part部分 of the brain.
189
501240
1600
腦部的上半部分。
08:35
And what's interesting有趣 is,
by playing播放 with these signals信號,
190
503480
2696
有趣的是,通過這些訊號
我們可以完全控制速度、前進、步、泳態。
08:38
we can completely全然 control控制
speed速度, heading標題 and type類型 of gait步態.
191
506200
2800
08:41
For instance,
192
509600
1216
比方說,
08:42
when we stimulate刺激 at a low level水平,
we have the walking步行 gait步態,
193
510840
3576
當我們透過低電流作出刺激時,
我們得到的是行走的狀態,
08:46
and at some point, if we stimulate刺激 a lot,
194
514440
1976
來到某種程度,
如果我們加強了刺激 ,
08:48
very rapidly急速 it switches開關
to the swimming游泳的 gait步態.
195
516440
2160
它會迅速地轉化為游泳的狀態。
08:51
And finally最後, we can also
do turning車削 very nicely很好
196
519480
2216
最後,我們也可輕鬆的轉向
08:53
by just stimulating刺激 more one side
of the spinal cord than the other.
197
521720
3520
主要在脊髓左右兩邊,
在其中的一邊加以刺激就可以了。
我覺得這真是漂亮
08:58
And I think it's really beautiful美麗
198
526200
1616
08:59
how nature性質 has distributed分散式 control控制
199
527840
2256
自然界先天的分配了控制權
09:02
to really give a lot of responsibility責任
to the spinal cord
200
530120
2856
把很多責任交付予脊髓,
09:05
so that the upper part部分 of the brain
doesn't need to worry擔心 about every一切 muscle肌肉.
201
533000
3656
所以大腦的上半部分
不需要再煩惱每一條肌肉。
09:08
It just has to worry擔心
about this high-level高水平 modulation調製,
202
536680
2536
大腦只負擔高層次的調節,
09:11
and it's really the job工作 of the spinal cord
to coordinate坐標 all the muscles肌肉.
203
539240
3576
協調各肌肉的任務,
就交付予脊髓了。
09:14
So now let's go to cat locomotion運動
and the importance重要性 of biomechanics生物力學.
204
542840
3520
現在我們來看看貓的行動
和生物力學的重要性。
09:19
So this is another另一個 project項目
205
547080
1256
這是另一個項目,
09:20
where we studied研究 cat biomechanics生物力學,
206
548360
2416
我們研究貓的生物力學,
09:22
and we wanted to see how much
the morphology形態學 helps幫助 locomotion運動.
207
550800
3896
而我們想知道形態學
對於肢體活動的幫助。
09:26
And we found發現 three important重要
criteria標準 in the properties性能,
208
554720
3616
我們得出了三個性質的標準,
09:30
basically基本上, of the limbs四肢.
209
558360
1320
基本上,就是肢體內的性質。
09:32
The first one is that a cat limb
210
560320
1976
首先就是貓的肢體,
09:34
more or less looks容貌
like a pantograph-like受電弓樣 structure結構體.
211
562320
2696
大概類似導電弓架的結構。
09:37
So a pantograph受電弓 is a mechanical機械 structure結構體
212
565040
2216
導電弓架是一個機電的結構
09:39
which哪一個 keeps保持 the upper segment分割
and the lower降低 segments always parallel平行.
213
567280
3400
永恆的保持着
上部份和下部份的平行。
09:43
So a simple簡單 geometrical幾何 system系統
that kind of coordinates坐標 a bit
214
571600
3096
其實就是一個簡單的幾何系統,
09:46
the internal內部 movement運動 of the segments.
215
574720
1816
協調着各部位的內部移動。
09:48
A second第二 property屬性 of cat limbs四肢
is that they are very lightweight輕量級.
216
576560
3056
貓兒肢體的第二個性質是非常輕量。
09:51
Most of the muscles肌肉 are in the trunk樹幹,
217
579640
1856
大部份的肌肉集中在驅體內,
09:53
which哪一個 is a good idea理念,
because then the limbs四肢 have low inertia慣性
218
581520
2896
這是很棒的點子,因為這樣
肢體不會有低度的惰性
09:56
and can be moved移動 very rapidly急速.
219
584440
1776
反而能夠迅速的活動。
09:58
The last final最後 important重要 property屬性 is this
very elastic behavior行為 of the cat limb,
220
586240
3816
最後很重要的性質是,貓的肢體彈力很強,
10:02
so to handle處理 impacts影響 and forces軍隊.
221
590080
2656
有利於處理好衝擊力和震盪力。
10:04
And this is how we designed設計 Cheetah-Cub獵豹幼崽.
222
592760
2336
我們也是如此設計小獵豹的。
10:07
So let's invite邀請 Cheetah-Cub獵豹幼崽 onstage在舞台上.
223
595120
2200
現在有請小獵豹到台上來。
10:14
So this is Peter彼得 Eckert埃克特,
who does his PhD博士 on this robot機器人,
224
602160
3656
這位是 Peter Eckert,
他用這部機械人作他的博士學位研究,
10:17
and as you see, it's a cute可愛 little robot機器人.
225
605840
2056
你可以看到,這是一隻可愛的小機械。
10:19
It looks容貌 a bit like a toy玩具,
226
607920
1256
它看起來有點像是玩具,
10:21
but it was really used
as a scientific科學 tool工具
227
609200
2056
但其實卻是個科研工具,
10:23
to investigate調查 these properties性能
of the legs of the cat.
228
611280
3296
用來查證貓兒四腿的特質。
10:26
So you see, it's very compliant兼容,
very lightweight輕量級,
229
614600
2616
你可以看到,它非常柔韌,非常輕量,
10:29
and also very elastic,
230
617240
1256
同時也非常的彈性,
10:30
so you can easily容易 press it down
and it will not break打破.
231
618520
2776
所以你可以很輕鬆的
把它壓下而絲毫不損。
10:33
It will just jump, in fact事實.
232
621320
1456
實際上,它只會彈跳。
10:34
And this very elastic property屬性
is also very important重要.
233
622800
2880
這個彈力的性質也非常重要。
你同時也可以看到一些其他特質,
10:39
And you also see a bit these properties性能
234
627160
1896
10:41
of these three segments
of the leg as pantograph受電弓.
235
629080
2400
就是導電弓架作為腳部的三個部份。
10:44
Now, what's interesting有趣
is that this quite相當 dynamic動態 gait步態
236
632280
2776
有趣的是,這很有動態,
10:47
is obtained獲得 purely純粹 in open打開 loop循環,
237
635080
1896
純粹來自開放式的迴路,
10:49
meaning含義 no sensors傳感器,
no complex複雜 feedback反饋 loops循環.
238
637000
3136
意思就是沒有探測器,
也沒有複雜的回饋迴路。
10:52
And that's interesting有趣, because it means手段
239
640160
2416
那是很有趣的,因為那意味著,
10:54
that just the mechanics機械學
already已經 stabilized穩定 this quite相當 rapid快速 gait步態,
240
642600
4016
單靠機械模式,
已能把這快速的步態穩定下來,
10:58
and that really good mechanics機械學
already已經 basically基本上 simplify簡化 locomotion運動.
241
646640
4176
所以只需要有很好的機械性,
基本上已能夠簡化肢體的活動。
11:02
To the extent程度 that we can even
disturb打擾 a bit locomotion運動,
242
650840
3296
在某程度上, 我們甚至可以對肢體行動,
作出一些干預,
11:06
as you will see in the next下一個 video視頻,
243
654160
1656
就正如你將看到的影像一樣,
11:07
where we can for instance do some exercise行使
where we have the robot機器人 go down a step,
244
655840
3896
比方說我們可以做一些運動,
讓機械人下樓梯,
11:11
and the robot機器人 will not fall秋季 over,
245
659760
1616
而且機械人不會跌倒,
11:13
which哪一個 was a surprise for us.
246
661400
1576
那其實讓我們很訝異。
11:15
This is a small perturbation.
247
663000
1416
這是輕微的干擾。
11:16
I was expecting期待 the robot機器人
to immediately立即 fall秋季 over,
248
664440
2416
我預期機械會立刻翻倒,
11:18
because there are no sensors傳感器,
no fast快速 feedback反饋 loop循環.
249
666880
2436
因為沒有探測器,也沒有迅速回饋的迴路。
11:21
But no, just the mechanics機械學
stabilized穩定 the gait步態,
250
669340
2196
但不,單靠機械模式已能把這步態穩定下來,
11:23
and the robot機器人 doesn't fall秋季 over.
251
671560
1576
而機械人並沒有翻倒。
11:25
Obviously明顯, if you make the step bigger,
and if you have obstacles障礙,
252
673160
3136
顯而易見,如果你跨大了步伐,
再加上你遇到了障礙物,
11:28
you need the full充分 control控制 loops循環
and reflexes反射 and everything.
253
676320
3656
你就會需要完整的控制迴路,
還要所有的反射動作及每樣東西。
11:32
But what's important重要 here
is that just for small perturbation,
254
680000
2936
這裡重要的是,只是輕微的干擾,
11:34
the mechanics機械學 are right.
255
682960
1496
機械性能就正確了。
11:36
And I think this is
a very important重要 message信息
256
684480
2096
我相信這是很重要的訊息,
11:38
from biomechanics生物力學 and robotics機器人
to neuroscience神經科學,
257
686600
2191
從生物力學及機械學以至腦神經科學,
11:40
saying don't underestimate低估 to what extent程度
the body身體 already已經 helps幫助 locomotion運動.
258
688815
4680
不要低估身體其實在某種程度,
已經幫助了肢體行動。
11:47
Now, how does this relate涉及
to human人的 locomotion運動?
259
695440
2160
現在,這個跟人類肢體活動有甚麼關係呢?
11:49
Clearly明確地, human人的 locomotion運動 is more complex複雜
than cat and salamander locomotion運動,
260
697960
3640
非常明顯,人類的肢體活動,
遠遠比貓和蜥蜴的複雜,
11:54
but at the same相同 time, the nervous緊張 system系統
of humans人類 is very similar類似
261
702360
3136
但同時間,人類的神經系統
11:57
to that of other vertebrates脊椎動物.
262
705520
1576
卻又和其他的脊椎動物非常類近。
11:59
And especially特別 the spinal cord
263
707120
1456
尤其是脊髓,
12:00
is also the key controller調節器
for locomotion運動 in humans人類.
264
708600
2640
同樣也是人類肢體行動的關鍵控制器。
所以,這也是為什麼當脊髓有損害時,
12:03
That's why, if there's a lesion病變
of the spinal cord,
265
711760
2416
12:06
this has dramatic戲劇性 effects效果.
266
714200
1496
會帶來很嚴重的後果。
12:07
The person can become成為
paraplegic截癱 or tetraplegic四肢癱瘓.
267
715720
2776
那個人可能會變成
下半身癱瘓或四肢癱瘓。
12:10
This is because the brain
loses失去 this communication通訊
268
718520
2376
這是因為大腦失去了
12:12
with the spinal cord.
269
720920
1256
與脊髓的溝通。
12:14
Especially特別, it loses失去
this descending modulation調製
270
722200
2216
尤其是大腦失去了啟動
12:16
to initiate發起 and modulate調製 locomotion運動.
271
724440
1920
和協調肢體活動作用的下行性調控訊號時。
12:19
So a big goal目標 of neuroprosthetics神經義肢
272
727640
1696
所以神經義肢的一個很大的目標
12:21
is to be able能夠 to reactivate激活
that communication通訊
273
729360
2376
就是可以重啟這個溝通,
12:23
using運用 electrical電動 or chemical化學 stimulations刺激.
274
731760
2440
借助電子或化學的刺激。
12:26
And there are several一些 teams球隊
in the world世界 that do exactly究竟 that,
275
734840
2936
世界上有好幾個隊伍
正在進行這樣的項目,
12:29
especially特別 at EPFLEPFL.
276
737800
1216
尤其是 EPFL 的隊伍。
12:31
My colleagues同事 GrGRégoiregoire Courtine庫爾蒂納
and Silvestro西爾維斯特 MiceraMicera,
277
739040
2496
和我一起合作的同事
12:33
with whom I collaborate合作.
278
741560
1240
Grégoire Courtine 和 Silvestro Micera 。
12:35
But to do this properly正確,
it's very important重要 to understand理解
279
743960
3096
要恰當地做好這事情,務必要明白
12:39
how the spinal cord works作品,
280
747080
1736
脊髓如何運作,
12:40
how it interacts交互 with the body身體,
281
748840
1696
它怎樣和身體互動,
12:42
and how the brain
communicates相通 with the spinal cord.
282
750560
2480
而大腦又怎樣和脊髓溝通。
12:45
This is where the robots機器人
and models楷模 that I've presented呈現 today今天
283
753800
2896
今天我向各位展示的機械和模型
12:48
will hopefully希望 play a key role角色
284
756720
1896
希望就是在這些非常重要的目標上
12:50
towards these very important重要 goals目標.
285
758640
2656
可以做出貢獻。
12:53
Thank you.
286
761320
1216
謝謝。
12:54
(Applause掌聲)
287
762560
4560
(掌聲)
13:04
Bruno布魯諾 Giussani吉薩尼: Auke奧克, I've seen看到
in your lab實驗室 other robots機器人
288
772100
2636
Bruno Giussani: 奧克, 我曾經在
你的實驗室裡,看過其他的機械人,
13:06
that do things like swim游泳 in pollution污染
289
774760
2456
做一些例如在污染環境中游泳的事情,
13:09
and measure測量 the pollution污染 while they swim游泳.
290
777240
2456
並在游泳期間測量污染程度。
13:11
But for this one,
291
779720
1216
但這一個,
13:12
you mentioned提到 in your talk,
like a side project項目,
292
780960
3480
你在演講時表示,這只是一個子項目,
負責搜索和救援,
13:17
search搜索 and rescue拯救,
293
785640
1216
它在鼻子上也安裝了照相機。
13:18
and it does have a camera相機 on its nose鼻子.
294
786880
2176
13:21
Auke奧克 IjspeertIjspeert: Absolutely絕對. So the robot機器人 --
295
789080
2496
奧克.捷思皮爾:對的。所以這個機械人--
13:23
We have some spin-off分拆 projects項目
296
791600
1429
我們有一些是分拆開來的項目
13:25
where we would like to use the robots機器人
to do search搜索 and rescue拯救 inspection檢查,
297
793053
3443
我們希望主要用作
搜索和救援的調察,
13:28
so this robot機器人 is now seeing眼看 you.
298
796520
1576
所以這位機械人現正看着你。
13:30
And the big dream夢想 is to,
if you have a difficult situation情況
299
798120
3176
而遠大的夢想就是,一旦你遭遇到困難
13:33
like a collapsed倒塌 building建造
or a building建造 that is flooded,
300
801320
3616
例如倒塌的建築物,
或是被淹沒的建築物,
這樣的情況,對救援隊、甚至救援狗而言
都是非常危險的,
13:36
and this is very dangerous危險
for a rescue拯救 team球隊 or even rescue拯救 dogs小狗,
301
804960
3336
13:40
why not send發送 in a robot機器人
that can crawl爬行 around, swim游泳, walk步行,
302
808320
2896
為什麼不用可以四處爬行、游泳
和行走的機械人取替,
13:43
with a camera相機 onboard在船上
to do inspection檢查 and identify鑑定 survivors倖存者
303
811240
3176
並加上照相機來協助調察和找出生還者,
甚至有可能與生還者建立溝通。
13:46
and possibly或者 create創建
a communication通訊 link鏈接 with the survivor倖存者.
304
814440
2776
BG: 當然,假設生還者沒有被它的外型嚇到。
13:49
BGBG: Of course課程, assuming假設 the survivors倖存者
don't get scared害怕 by the shape形狀 of this.
305
817240
3576
13:52
AIAI: Yeah, we should probably大概
change更改 the appearance出現 quite相當 a bit,
306
820840
3296
AI: 對,我們大概也需要
把它的外型改良一下,
不然生還者
可能會心臟病發而死亡,
13:56
because here I guess猜測 a survivor倖存者
might威力 die of a heart attack攻擊
307
824160
2816
13:59
just of being存在 worried擔心
that this would feed飼料 on you.
308
827000
2536
僅是擔心它會把你吃掉。
14:01
But by changing改變 the appearance出現
and it making製造 it more robust強大的,
309
829560
2856
把它的外型改良一下,
同時令它更耐用,
14:04
I'm sure we can make
a good tool工具 out of it.
310
832440
2056
我深信這能夠成為很好的工具。
14:06
BGBG: Thank you very much.
Thank you and your team球隊.
311
834520
2286
非常感謝。謝謝你和你的團隊。
Translated by lisa li
Reviewed by Yi-Fan Yu

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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