Aleargă fără creier; e mai ușor
Ceva explodează în spatele gândacului. Insecta se repede prin tubul plexiglas îngust ca și cum ar fi fost pentru viața sa. Dintr-o dată, animalul stă pe picioarele din spate și aleargă pe două picioare de-a lungul tunelului de plastic - mai repede decât înainte. Trece o barieră ușoară care măsoară viteza de rulare. Rezultatul înseamnă un record mondial: 0,72 kilometri pe oră! Acest lucru face ca gandacul să fie cea mai rapidă insectă care merge în lume - și steaua din laboratorul Poly-PEDAL de la Universitatea din California la Berkeley. „Poly” înseamnă „mult” și „PEDAL” provine din cuvântul latin „pedes” - picioare. În același timp, înseamnă „Performanță, energie și dinamica locomoției animalelor”.
Studenții păcălitori evită laboratorul Poly-PEDAL: este plin de gândaci, crabi, gândaci, furnici, milipede, ciocârlii, geckos și alte șopârle. Orice lucru care are mai mult de două picioare și se mișcă este examinat meticulos de către managerul de laborator Robert Full și colegii săi.
„Și pentru mine gândacii nu sunt tocmai estetici”, spune Full. „Dar nu trebuie să-ți placă ca să le găsească fascinante.” În orice caz, el nu are inhibiții atunci când se ocupă de ele: Fără ezitare, ajunge în cușcă și ține sub nasul vizitatorului un exemplar splendid de gândac șuierător. Are dimensiunea unei piese de cinci mărci.
De ce cercetătorii ca Full sunt devotați târârii multor popoare? Creaturile cu două picioare par să fi atins cel mai înalt nivel de evoluție: opt picioare la animalele articulate au devenit șase la insecte, patru la mamifere și două la oameni - cu cât este mai puțin echipament de rulare și cu cât creierul este mai mare, cu atât s-a câștigat mai multă stabilitate și flexibilitate și cu atât distanțele care pot fi depășite sunt mai mari. Dar pentru biologul Full, intrarea în două sensuri nu reprezintă înălțimea perfecțiunii din toate punctele de vedere: „Plimbarea celor două picioare este foarte stabilă, dar în ceea ce privește viteza și manevrabilitatea, oamenii cu șase picioare sunt extrem de superiori nouă în ciuda creierului lor minuscul”.
În laboratorul Poly-PEDAL există dispozitive precum cele folosite de sportivii olimpici pentru a afla secvența optimă de mișcări pentru o aruncare sau salt - doar în format miniatural. Instrumentele pe care călcă obiectele testate pe animale sunt extrem de sensibile. Pentru a măsura forța exercitată de un picior mic de insectă, cercetătorii au construit o construcție specială: insectele merg pe un gel care are o sursă de lumină pe o parte și un senzor pe cealaltă. De îndată ce un animal pune piciorul, fluxul de lumină din gel se schimbă. Senzorul înregistrează acest lucru și transmite informațiile către un computer, care calculează forțele loviturii insectelor.
La început, gelul a venit de la supermarket: consta din Jell-O, o jeleu dulce cu zahăr. Dar pentru că animalele de testat erau mai interesate să-și mănânce tamponul decât să alerge, dulceața seducătoare și dulce a trebuit să fie înlocuită cu gelatină simplă.
Descoperirile pe care Full și echipa sa le-au făcut cu obiectele lor de testare sunt la fel de uluitoare pe cât de simple. Biologii obișnuiau să presupună că animalele cu multe picioare se mișcă ca o roată, ridicând și coborând alternativ fiecare picior. Dar Full și echipa sa au descoperit ceva complet diferit: oamenii cu picioare multiple utilizează un „principiu în trei puncte”. În cazul animalelor cu șase picioare, arată astfel: două picioare pe o parte și un picior pe cealaltă formează un triunghi care rămâne pe sol în timp ce al doilea triunghi se leagănă înainte. Milipedele se mișcă și în acest fel: picioarele lor formează grupuri de câte trei pe fiecare parte. Și oamenii de știință au găsit o altă lege târâtoare. În cazul multor picioare, picioarele funcționează ca un băț de sărituri cu arcuri încorporate.
Au ajuns la această concluzie destul de întâmplător. Studenții lui Full au vrut să afle de ce insectele își pot recâștiga echilibrul atât de repede după ce au fost aruncați din pas. Pentru a face acest lucru, au legat un tun mic pe spatele unui gândac. După ce tunul a tras un glonț minuscul, gândacul s-a împiedicat. Dar la câțiva pași după tulburare, ea și-a continuat drumul neobosit la aceeași viteză. Când oamenii de știință au investigat cum a făcut acest gândac, au descoperit că insecta și-a recăpătat echilibrul atât de repede, deoarece nu a primit feedback de la creierul său. Picioarele în sine - mai precis: mușchii picioarelor - au procesat semnalul de perturbare și astfel s-au stabilizat automat.
În Germania, echipa Holk Cruse de la Departamentul de Cibernetică Biologică de la Universitatea Bielefeld urmărește trucurile insectelor care fug. În laboratoarele sale, insectele bătaie trebuie să parcurgă obstacole, iar raci să vâslească pe benzile de alergat cu senzori în rezervoarele lor. Crustaceele sunt deranjate în mod repetat atunci când merg direct, deoarece asistentul lui Cruse ține pur și simplu una dintre cele opt picioare: „Cum picioarele se întorc la un mers stabil ne oferă și informații despre modul în care funcționează sistemul„ mersului ”ca întreg”, explică el. . Dispozitivul experimental asemănător cușca cu un cancer neobosit la mijloc nu numai că înregistrează poziția piciorului, ci și forța pe care o dezvoltă și excitația care apare în celulele musculare.
„Bob Full este interesat de ceea ce este autonom în sistem: piciorul cu autodirecție care nu are nevoie de niciun feedback de la o autoritate centrală”, explică ciberneticistul Cruse. „Ne interesează mai mult nivelul de mai sus: cum funcționează împreună șase picioare de insecte sau opt picioare de crab fără să se împiedice în mod constant unul de celălalt?”
Insectele stick sunt principalii actori din Bielefeld. Cum traversează obstacolele cu cele 6 picioare și cele 18 articulații, iau curbe și se îndreaptă, Cruse uimește din nou și din nou: „Discrepanța dintre aceste provocări complexe și simplitatea cu care sunt controlate mișcările este uimitoare.” Rezultatele lui Cruse confirmă Robert Teoria gândacului lui Full la următorul nivel superior: Chiar și cu insectele băț, cele șase picioare târâtoare nu sunt sub controlul unui sistem nervos central. Ei se coordonează direct unul cu celălalt, percep impresiile de mediu și le procesează la fața locului. Rezultatul: o mișcare ordonată a tuturor picioarelor. Dacă insecta băț se confruntă în mod neașteptat cu un obstacol, aceste informații nu trebuie transmise sistemului nervos central (SNC). Este suficient dacă mușchii și nervii celor două picioare din față „înregistrează” obstacolul și îl transmit celor patru picioare rămase. Rezultatul: groaza se transformă - pe toate cele șase.
Dar nici insectele nu se pot descurca fără un SNC: de exemplu, începutul și sfârșitul procesului de rulare, viteza și direcția acestuia sunt controlate de creier. Oricât de ciudat ar părea experimentele cu insecte, crabi și milipede, pentru cercetătorii de bază Cruse și Full nu sunt un scop în sine. Rezultatele dvs. ar trebui să servească drept inspirație pentru invenții altor oameni de știință. Catedra Full de la Berkeley se numește „Biologie integrativă”, deoarece cercetările sale integrează descoperirile din științele vieții cu informatica și ingineria. „Numim asta„ bioinspirație ”, spune Full. „Nu ne place cuvântul„ biomimetică ”pentru că nu este vorba despre simpla imitare a naturii”.
El consideră că este inutil să copiezi natura unu la unu, deoarece animalele sunt limitate în posibilitățile lor de dezvoltare. Cel mult, pot face mici modificări ale structurii lor genetice de la generație la generație. Inginerii, pe de altă parte, pot folosi placa de desen pentru a proiecta soluții optime care sunt superioare naturii. Lumea animalelor - în special partea care se mișcă pe șase picioare sau mai multe - oferă idei de proiectare uimitoare: „Cercetăm principiile, inginerii le pun în practică”, spune Plin de scopul lucrării sale.
Pionierii roboticii Rodney Brooks și Mark Raibert de la Laboratorul de Inteligență Artificială - laboratorul pentru inteligență artificială - de la Massachusetts Institute of Technology din Boston sunt astfel de „implementatori”. Acum un deceniu, Brooks construise roboți în departamentul său pentru a merge pe teren dificil și periculos, cum ar fi suprafața altor planete. La acea vreme, grupul lui Raibert a construit roboți cu una, două și patru picioare care se mișcau asemănător cu oamenii. Vehiculele Brooks au fost extrem de robuste, dar progresul lor a fost lent și lent. Mașinile lui Raibert, pe de altă parte, ar putea alerga până la 21 de kilometri pe oră, să sară peste obstacole și să urce scările. De îndată ce s-au oprit din mișcare, au căzut.
Lucrând cu Full, inginerii au descoperit că mersul multor picioare combină cele două calități lipsite de roboții lor: stabilitate și manevrabilitate. Următorul pas a fost evident: construirea unui robot care să se miște ca animalul de test preferat al lui Full. „RHex” - prescurtat din „Robot Hexapod” a fost creat pe baza exemplului unui gândac. Aproximativ dimensiunea unei cutii de pantofi, RHex se poate deplasa cu ușurință pe o cursă de obstacole - la unsprezece kilometri respectabili pe oră. Cele șase picioare ale sale sunt aranjate în plan orizontal, ca la crabi, șopârle și gândaci: „RHex nu arată ca un gândac, dar am transferat cele mai importante principii ale insectei către el”, spune mândru Full.
Robotul are reflexe de autocorectare datorate arcurilor și amortizoarelor încorporate, dar nu are creier. „Nu este necesar, deoarece picioarele lui se stabilizează”, explică Full. Cu un set de baterii, RHex poate parcurge o distanță de 3700 de metri și poate face față și pante de 45 de grade, poate înota și urca scările. Pe parcursul dezvoltării sale, inginerii l-au echipat cu tot mai mulți senzori, de exemplu o cameră color și accelerometre. Prototipul este transformat astăzi într-un produs comercial de către compania canadiană Mecheligent.
Dezvoltarea RHex a fost finanțată în mare parte de DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), divizia de cercetare a Departamentului Apărării din SUA. Autoritățile sunt foarte interesate de roboții cu multe picioare: atunci când sunt desfășurați pe teren accidentat și periculos în zonele de război, roboții ar trebui să preia sarcinile soldaților. Agenția spațială americană este, de asemenea, dedicată robotului lui Bob Full: în prezent, el negociază cu NASA dacă RHex va face parte din misiunea Marte în 2007. Roboții cu picioare sunt de urgență acolo, deoarece pot naviga mai ușor decât vehiculele cu roți pe teren neospitalier sau necunoscut.
Cel mai util robot din atelierul lui Full până în prezent se numește Ariel: primul robot cu picioare care poate merge atât pe uscat, cât și sub apă. Urmând exemplul crabilor, Ariel a fost special conceput pentru așa-numita zonă de surf de pe coastă. Corpul raționalizat al lui Ariel minimizează forțele de aspirație. El este capabil să depășească obstacolele și abisurile pe care le-ar ține roboții normali pe roți. Și poate rezista valurilor. Dacă unul dintre ei îl răstoarnă, picioarele lui se întorc pur și simplu în jurul propriei axe: ceea ce a fost anterior spatele, acum devine stomacul și invers.
Ariel - numit după personajul principal Ariel din desenul animat Disney „Mica Sirenă” - este acum construit de iRobot, compania Rodney Brooks. În viitor, robotul va fi folosit pentru a căuta mine în zona de surf - în zonele de război de la mare. DARPA a vărsat, de asemenea, mulți bani în dezvoltarea lui Ariel.
În ciuda sponsorizării masive din partea armatei SUA, Robert Full speră că roboții inspirați de laboratorul Poly-PEDAL vor fi folosiți în principal în operațiuni pașnice de căutare și salvare. Viziunea sa preferată pentru viitorul apropiat: mici roboți cu multe picioare caută zone distruse pentru oameni îngropați și mini-roboți de dimensiuni furnice efectuează intervenții microchirurgicale în corpul uman. Inginerul Kris Pister de la Laboratorul de Robotică de la Universitatea Berkeley lucrează deja la asta.
Bob Full visează deja la o nouă generație de „roboți moi” - „roboți moi”, echipați cu mușchi autoreglabili care au grade de libertate care sunt complet diferite de cele ale roboților anteriori din metal și plastic. Principiul auto-stabilizării descoperit în laboratorul Poly-PEDAL a schimbat complet modul în care oamenii de știință gândesc despre mușchii artificiali. Proiectele timpurii pentru membrele artificiale arată ca și cum ar fi destinate Terminatorului lui Schwarzenegger: îmbinări din oțel cu tendoane din sârmă care sunt controlate central de un computer.
După ce grupul lui Full a descoperit că alergarea nu era deloc necesară prin creier, cercetătorii aveau nevoie de mușchi pentru a lucra independent, similar cu cei ai unei insecte. În acest scop, laboratorul Poly-PEDAL lucrează cu compania SRI International din Palo Alto, California, care produce polimeri electroactivi moi (EAP). Dacă puneți un film de EAP ca strat izolator între doi electrozi și îl puneți sub tensiune, moleculele din el se extind. Dacă opriți tensiunea, acestea se contractă din nou și devin mai groase - la fel ca țesutul muscular real.
Testele au arătat că EAP-urile din acril și siliciu pot produce o performanță similară pe kilogram de greutate corporală ca mușchii reali. EAP au fost deja utilizate ca actuatori - adică elemente executive: de exemplu, SRI International dezvoltă în prezent mușchi artificiali pentru roboți mobili mici de un centimetru, sponsorizați de Ministerul Japonez al Comerțului Exterior și Industriei (MITI).
Mușchii adevărați funcționează nu numai ca actuatori, ci și ca senzori: pot prelua semnale din mediu și le pot transforma în mișcare în câteva milisecunde. Cercetători precum Yoseph Bar-Cohen de la California Institute of Technology speră să poată folosi în viitor astfel de mușchi pe roboți de inspirație biologică. Astfel de roboți ar putea acoperi distanțe mari sărind la fel de elastic ca lăcustele. Dar roboții care pot zbura sau se răsucesc ca un șarpe datorită mușchilor lor sunt, de asemenea, de conceput.
Mușchii artificiali ar putea ajuta chiar și în medicină: „Într-o zi, datorită tehnologiei EAP, vom vedea un fost utilizator de scaune cu rotile care face jogging în supermarket”, susține Bar-Cohen. Pentru a realiza astfel de vise fantastice, totuși, energia mecanică a EAP-urilor disponibile anterior nu este suficientă.
Un alt vis este să folosești EAP-urile pentru a dezvolta un material inteligent care să se adapteze condițiilor date fără control extern: „Nu ar fi minunat să porți un pantof care să ți se potrivească perfect?” Întreabă Bob Full și arată pe picioarele sale voluminoase. De asemenea, ar fi de conceput ca tălpile să se potrivească exact cu podeaua pe care se face jogging. „Sau pulovere care sunt modelate în funcție de mărimea taliei purtătorului și stau bine”, zâmbește și își bătea burtica rotundă.
Apoi Full devine din nou serios și filosofează despre cel mai înalt principiu al Laboratorului Poly-PEDAL. Se bazează pe un citat al laureatului premiului Nobel danez August Krogh: „Dacă există un număr mare de probleme, există întotdeauna un animal care poate servi drept model de studiu ideal.” Deci bioinspirația este posibilă doar prin biodiversitate, explică Full. Un argument puternic în favoarea protecției mediului, el spune: „Când tot mai multe specii dispar de pe pământ, se pierd multe idei minunate de design.” ■
Fără titlu
Părul gros și cenușiu, o mustață gigantică și o față rotundă, zâmbitoare, mare, rotundă îi așteaptă pe vizitatori la Laboratorul Poly-PEDAL. Robert Full, profesor de biologie integrativă în vârstă de 40 de ani, salută fiecare vizitator care este interesat de cercetările sale. „În copilărie, am avut două mari interese”, își amintește el, „sportul, în special baseballul - și animalele neobișnuite.” În timp ce era în vacanță în Florida, Bob, în vârstă de zece ani, a văzut crabi dart peste plajă: „Chiar am vrut să știu cum se înțeleg. mișcă-le cele șase picioare atât de repede. "
Full pare încă entuziast ca un copil de zece ani când vorbește despre munca sa. După liceu, a studiat biologia la Universitatea de Stat din New York din Buffalo. La doi ani după ce și-a terminat doctoratul, a fost numit la Berkeley - mai întâi ca zoolog, mai târziu i s-a acordat o catedră în biologie integrativă. A urmat propriul laborator - și în cele din urmă propriul institut din Berkeley, care este în prezent încă în faza de dezvoltare.
Full funcționează nu numai cu animale neobișnuite, ci și cu angajați atipici: tineri studenți. În ultimii 15 ani, în laboratorul său au lucrat peste 60 de studenți care nu au absolvit încă. Ele nu sunt binevenite în alte laboratoare: studenții nu au abia cunoștințe anterioare și costă mult timp angajaților permanenți. Dar Full o vede diferit. Nu degeaba a primit unul dintre cele mai înalte premii pe care trebuie să le acorde Universitatea din California la Berkeley: „Distinguished Teaching Award”, un premiu pentru predare remarcabilă. „Nu aș fi acolo unde sunt astăzi dacă cineva nu ar fi avut grijă de mine când eram licențiat”.
Bob Full cere multe la cursurile sale, dar dă multe: îi place să se laude cu realizările studenților săi și le numește coautori atunci când publică în revistele de profil Nature and Science. „Este incredibil cu ce idei vin studenții aici,” spune el. În cursul lor de biomecatronică, fiecare student trebuie să construiască un robot inspirat de natură. Una dintre creațiile cursului se află pe raftul lui Full: un șarpe galben-negru din cărămizi Lego.
Nu este singură. Jucăria răsare doar din rafturi: gândacii de pluș și crabii de plastic stau lângă figurile de acțiune din filmul Disney-Pixar „A Bug's Life”. Full nu numai că proiectează roboți, ci consiliază și companiile de producție de filme. De exemplu, Pixar Animation, cunoscut din box office-ul hit "Finding Nemo". Datorită înregistrărilor video Full ale furnicilor, omizilor și gândacilor, insectele din desene animate din „A Bug’s Life” ar putea fi animate realiste. Se spune, de asemenea, că studiile sale au influențat trăsăturile de caracter ale actorilor de desene animate.
Totuși: gândacii sunt descriși ca o pacoste în film. Evident, Full nu fusese consultat aici. Cum altfel ar fi putut cinsti cineastii de la Hollywood ceea ce lumea poate învăța de la gândaci?
Fără titlu
EVELYN HAUENSTEIN este jurnalistă științifică și ginecologă în München - și este foarte impresionată de gândacii uriași care urlă.