Бігає без мозку; s простіше
Щось вибухає за тарганом. Комаха мчить убік через вузьку оргсклову трубку, ніби це було для її життя. Раптом тварина стає на задні лапи і біжить на двох ногах по пластиковому тунелю - швидше, ніж раніше. Проходить легкий бар’єр, який вимірює швидкість бігу. Результат означає світовий рекорд: 0,72 кілометра на годину! Це робить таргана найшвидшою комахою у світі - і зіркою в лабораторії Poly-PEDAL при Каліфорнійському університеті в Берклі. “Poly” означає “багато”, а “PEDAL” походить від латинського слова “pedes” - ноги. У той же час це означає "Продуктивність, енергетика та динаміка руху тварин".
Студенти, що стискаються, уникають лабораторії Poly-PEDAL: там кишить тарганами, крабами, жуками, мурахами, багатоніжками, метеликами, геконами та іншими ящірками. Все, що має більше двох ніг і рухається, ретельно вивчається керівником лабораторії Робертом Фулом та його колегами.
"Для мене теж таргани не зовсім естетичні", - каже Фул. «Але вам не потрібно їм подобатися, щоб вони вважали їх захоплюючими». У будь-якому випадку, у нього немає перешкод у спілкуванні з ними: не вагаючись, він заходить у клітку і тримає під носом відвідувача чудовий зразок шиплячого таргана. Він розміром із п’ятимарковий шматок.
Чому дослідники, такі як Фул, віддані скануванню багатьох народів? Двоногі істоти, здається, досягли найвищого рівня еволюції: вісім ніг у суглобових тварин стали шістьма у комах, чотири - у ссавців і двома - у людей - чим менше ходової частини і чим більше мозок, тим більше стабільності та гнучкості було отримано, і тим більші відстані, які можна подолати. Але для біолога Фула двосторонній вхід не є піком досконалості в усіх відношеннях: «Ходьба двоногих дуже стійка, але за швидкістю та маневреністю шестиногі люди значно перевершують нас, незважаючи на їх крихітний мозок».
У лабораторії Poly-PEDAL є пристрої, подібні до тих, що використовуються олімпійськими спортсменами для з’ясування оптимальної послідовності рухів для кидка чи стрибка - просто у мініатюрному форматі. Інструменти, на яких топчуться об'єкти для випробування тварин, надзвичайно чутливі. Щоб виміряти силу, яку чинить одна крихітна лапка комахи, дослідники побудували спеціальну конструкцію: комахи ходять по гелю, який має джерело світла з одного боку і датчик з іншого. Як тільки тварина ступає, потік світла в гелі змінюється. Датчик реєструє це і передає інформацію на комп'ютер, який обчислює сили удару комахи.
Спочатку гель надходив із супермаркету: він складався з Jell-O, цукрово-солодкого желе. Але оскільки випробуваним тваринам було більше цікаво їсти свою подушечку, аніж бігати, спокусливо солодкий смак довелося замінити простим несмачним желатином.
Відкриття, які Фул та його колеги зробили зі своїми тестовими об'єктами, настільки ж дивовижні, як і прості. Раніше біологи припускали, що багатоногі тварини рухаються, як колесо, по черзі піднімаючи і опускаючи кожну ногу. Але Фул та його команда виявили щось зовсім інше: багатоногі люди використовують "принцип трьох балів". У випадку з шестиногими тваринами це виглядає так: дві ноги з одного боку і одна нога з іншого утворюють трикутник, який залишається на землі, тоді як другий трикутник махає вперед. Міліпеди рухаються і цим шляхом: їх ноги утворюють групи по три з кожного боку. І вчені знайшли ще один закон обходу. У випадку з великою кількістю ніг ноги працюють як стрибуна з вбудованими пружинами.
До такого висновку вони дійшли зовсім випадково. Студенти Фула хотіли з’ясувати, чому комахи можуть так швидко відновити свою рівновагу після того, як їх викинуть з ладу. Для цього вони прив’язали маленьку гармату до спини таргана. Після того, як гармата випустила крихітну кулю, тарган спіткнувся. Але через кілька кроків після хвилювання, вона продовжила свій шлях не стримуючись з тією ж швидкістю. Коли вчені дослідили, як це зробив тарган, вони виявили, що комаха так швидко відновило рівновагу, оскільки не отримало зворотного зв’язку з мозку. Самі ноги - точніше: м’язи ніг - обробляли сигнал порушення і тим самим стабілізували себе автоматично.
У Німеччині команда Holk Cruse на кафедрі біологічної кібернетики Білефельдського університету переслідує хитрощі бігучих комах. У його лабораторіях комахи-палиці повинні пройти курси перешкод, а раки веслувати на бігових доріжках із датчиками на резервуарах. Молюсків неодноразово турбують, йдучи прямо вперед, оскільки помічник Круза просто тримає одну з восьми їх ніг: "Як ноги повертаються до стабільної ходи, це також дає нам інформацію про те, як працює система" ходьби "в цілому", - пояснює він . Експериментальний пристрій, схожий на клітку, з невтомним раком посередині не тільки реєструє положення ноги, але й силу, яку вона розвиває, і збудження, що виникає в м’язових клітинах.
"Боб Фул цікавиться тим, що є автономним у системі: самокерованою ногою, яка не потребує зворотного зв'язку з центральним органом влади", - пояснює кібернетик Круз. "Нас більше цікавить рівень вище: як шість ніг комах або вісім крабових ніг працюють разом, не постійно спотикаючись один про одного?"
Комахи-палички є головними дійовими особами Білефельда. Як вони наїжджають на перешкоди 6-ма ногами і 18 суглобами, роблять вигини і випрямляються, Круз знову і знову вражає: "Невідповідність цих складних викликів і простоті, з якою управляють рухами, вражає". Теорія тарганів Фула на наступному вищому рівні: Навіть у паличних комах шість повзучих ніг не підконтрольні центральній нервовій системі. Вони безпосередньо координують свою діяльність, сприймають враження від навколишнього середовища та обробляють їх на місці. Результат: впорядкований рух усіх ніг. Якщо палична комаха несподівано зустріне перешкоду, цю інформацію не потрібно передавати центральній нервовій системі (ЦНС). Досить, якщо м’язи та нерви двох передніх ніг “реєструють” перешкоду і передають її на решту чотири ноги. Результат: жах перетворюється на всі шістки.
Але навіть комахи не можуть обійтися без ЦНС: наприклад, початок і кінець запущеного процесу, його швидкість і напрямок контролюються мозку. Якими б дивними не здавались експерименти з комахами, крабами та багатоніжками, але для основних дослідників Cruse та Full вони не є самоціллю. Ваші результати повинні послужити натхненням для винаходів для інших вчених. Кафедра Фула в Берклі називається "Інтегративна біологія", оскільки його дослідження поєднує результати наук про життя з інформатикою та технікою. "Ми називаємо це" біоінспірацією ", - говорить Фул. "Нам не подобається слово" біоміметика ", оскільки мова не йде про просто імітацію природи".
Він вважає безглуздим копіювання природи один на один, оскільки тварини обмежені у своїх можливостях розвитку. Як максимум, вони можуть внести незначні зміни в свій геном із покоління в покоління. Натомість інженери можуть за допомогою креслення розробляти оптимальні рішення, які перевершують природу. Тваринний світ - особливо частина, яка рухається на шести ногах або більше - пропонує дивовижні дизайнерські ідеї: "Ми досліджуємо принципи, інженери застосовують їх на практиці", - говорить Повна мета своєї роботи.
Піонери робототехніки Родні Брукс та Марк Рейберт з лабораторії штучного інтелекту - лабораторії штучного інтелекту - в Массачусетському технологічному інституті в Бостоні є такими "реалізаторами". Десять років тому Брукс побудував у своєму відділі роботів, які мали ходити по важкій та небезпечній місцевості, такій як поверхня інших планет. У той час група Райберта конструювала одно-, дво- та чотириногі роботи, які рухались подібно до людей. Транспортні засоби Брукса були надзвичайно міцними, але їхній прогрес був повільним і млявим. Натомість машини Райберта могли бігати до 21 кілометра на годину, перестрибувати через перешкоди та підніматися сходами. Однак, як тільки вони перестали рухатись, вони впали.
Працюючи з Full, інженери виявили, що хода багатьох ніг поєднує в собі дві якості, яких бракувало їх роботам: стійкість і маневреність. Наступний крок був очевидним: побудова робота, який рухається як улюблена випробувана тварина Фула. "RHex" - скорочено від "Robot Hexapod" було створено на прикладі таргана. Приблизно розміром із взуттєву коробку, RHex може спритно рухатися по смузі перешкод - із поважними одинадцятьма кілометрами на годину. Його шість ніг розташовані в горизонтальній площині, як краби, ящірки та таргани: "RHex не схожий на таргана, але ми перенесли на нього найважливіші принципи комахи", - з гордістю говорить Фул.
Робот має самокорегуючі рефлекси завдяки вбудованим пружинам та амортизаторам, але відсутність мозку. "Це не потрібно, оскільки його ноги стабілізуються", - пояснює Фул. За допомогою одного набору акумуляторів RHex може проїхати 3700 метрів, він також може справлятися зі схилами 45 градусів, плавати і підніматися сходами. В процесі його розробки інженери оснащували його все більшою кількістю датчиків, наприклад кольоровою камерою та акселерометрами. Сьогодні канадська компанія Mecheligent перетворює прототип на комерційний продукт.
Розвиток RHex в основному фінансувався DARPA (Агентство перспективних дослідницьких проектів оборони), дослідницький підрозділ Міністерства оборони США. Влада дуже зацікавлена в багатоногих роботах: коли вони розміщуються на пересіченій небезпечній місцевості в зонах бойових дій, вони повинні взяти на себе завдання солдатів. Американське космічне агентство також прихильне до робота Боба Фула: на даний момент він веде переговори з НАСА про те, чи буде RHex брати участь у місії на Марсі 2007 року. Там терміново потрібні ногаті роботи, оскільки вони можуть легше орієнтуватися, ніж колісні машини по негостинній або невідомій місцевості.
На сьогоднішній день найкориснішим роботом із майстерні Фула називається Аріель: перший ногатий робот, який може ходити як по суші, так і під водою. За прикладом крабів Аріель була спеціально розроблена для так званої зони прибою на узбережжі. Обтічне тіло Аріель мінімізує сили всмоктування. Він здатний долати перешкоди та прірви, які могли б утримувати звичайні роботи на колесах. І він витримує хвилі. Якщо хтось із них збиває його, ноги просто повертаються навколо власної осі: що було спиною раніше, зараз живіт і навпаки.
Аріель - названа на честь головної героїні Аріель у мультфільмі Діснея "Русалонька" - зараз будується iRobot, компанією Родні Брукс. Надалі робот буде використовуватися для пошуку мін у зоні прибою - у зонах бойових дій біля моря. DARPA також вклала багато грошей у розвиток Аріель.
Незважаючи на масове спонсорство з боку армії США, Роберт Фул сподівається, що роботи, натхненні лабораторією Poly-PEDAL, в основному будуть використовуватися в мирних пошуково-рятувальних операціях. Його улюблене бачення на найближче майбутнє: маленькі роботи з багатьма ногами шукають зруйновані місця для похованих людей, а міні-роботи розміром з мурахи виконують мікрохірургічні втручання в організм людини. Над цим вже працює інженер Кріс Пістер з лабораторії робототехніки університету Берклі.
Боб Фул вже мріє про нове покоління «м’яких роботів» - «м’яких роботів», оснащених саморегулюючими м’язами, які мають ступінь свободи, що абсолютно відрізняється від попередніх металевих та пластикових роботів. Принцип самостабілізації, виявлений у лабораторії Poly-PEDAL, повністю змінив уявлення вчених про штучні м'язи. Ранні конструкції штучних кінцівок виглядають так, ніби вони були призначені для Термінатора Шварценеггера: сталеві з’єднання з сухожиллями з дроту, які централізовано управляються за допомогою комп’ютера.
Після того, як група Фула виявила, що біг взагалі не потрібен через мозок, дослідникам були потрібні м’язи для самостійної роботи, подібні до тих, що існують у комах. Для цього лабораторія Poly-PEDAL співпрацює з компанією SRI International з Пало-Альто, штат Каліфорнія, яка виробляє м’які електроактивні полімери (EAP). Якщо ви покладете плівку EAP як ізолюючий шар між двома електродами і підкладете її під напругу, молекули в ній розширяться. Якщо вимкнути напругу, вони знову стискаються і стають товщі - точно як справжня м’язова тканина.
Тести показали, що ЕАП, виготовлені з акрилу та кремнію, можуть дати подібні показники на кілограм ваги тіла, як справжні м’язи. EAP вже використовувались як виконавчі механізми - тобто виконавчі елементи: SRI International в даний час розробляє штучні м'язи у невеликих мобільних роботів розміром один сантиметр, що фінансується Міністерством зовнішньої торгівлі та промисловості Японії (MITI).
Справжні м’язи працюють не тільки як виконавчі механізми, але і як датчики: вони можуть вловлювати сигнали з навколишнього середовища і перетворювати їх в рух протягом мілісекунд. Дослідники, такі як Йосеф Бар-Коен з Каліфорнійського технологічного інституту, сподіваються, що в майбутньому зможуть використовувати такі м’язи на біологічно натхнених роботах. Такі роботи могли подолати великі відстані, стрибаючи так само пружно, як коники. Але також можливі роботи, які можуть літати або крутитися, як змія, завдяки своїм м’язам.
Штучні м'язи можуть навіть допомогти в медицині: "Одного разу, завдяки технології EAP, ми побачимо колишнього інваліда-колясочника, який бігає до супермаркету", - стверджує Бар-Коен. Однак, щоб здійснити такі фантастичні мрії, механічної енергії раніше доступних ПДЕ недостатньо.
Ще одна мрія - використовувати EAP для розробки інтелектуального матеріалу, який адаптується до певних умов без зовнішнього контролю: «Чи не було б чудово носити взуття, яке ідеально вам підходить?» - запитує Боб Фул і виглядає на об’ємних ногах. Також можна було б подумати, щоб підошви точно прилягали до підлоги, на якій бігає людина. "Або светри, які мають форму відповідно до розміру талії власника і добре сидять", - посміхається він і погладжує круглий живіт.
Тоді Фул знову починає займатися серйозно і філософствує щодо найвищого принципу лабораторії Poly-PEDAL. Він базується на цитаті датського лауреата Нобелівської премії Августа Крога: "Якщо існує велика кількість проблем, завжди є якась тварина, яка може слугувати ідеальною моделлю для вивчення". Отже, біоінспірація можлива лише завдяки біорізноманіттю, пояснює Фул. Вагомий аргумент на користь охорони навколишнього середовища, він говорить: "Якщо все більше і більше видів зникає із землі, багато чудових дизайнерських ідей втрачаються". ■
Без назви
Густе сиве волосся, величезні вуса та привабливе, усміхнене, велике кругле обличчя чекають відвідувача в лабораторії Poly-PEDAL. Роберт Фул, 40-річний професор інтегративної біології, вітає кожного відвідувача, який зацікавлений у його дослідженні. «У дитинстві у мене були два великі інтереси, - згадує він, - спорт, особливо бейсбол - і незвичайні тварини». Під час відпустки у Флориді десятирічний Боб побачив крабів, що бігали по пляжу: «Мені дуже хотілося дізнатися, як вони ужилися рухати своїми шістьма ногами так швидко ".
Фул все ще звучить захоплено, як десятирічний підліток, коли він розповідає про свою роботу. Після середньої школи він вивчав біологію в Університеті штату Нью-Йорк в Баффало. Через два роки після закінчення докторської студії його призначили в Берклі - спочатку зоологом, а пізніше йому дали кафедру інтегративної біології. За цим пішла власна лабораторія - і, нарешті, власний інститут у Берклі, який наразі все ще перебуває на стадії розробки.
Повна робота не тільки з незвичайними тваринами, але і з нетиповими працівниками: молодими студентами. За останні 15 років у його лабораторії працювало понад 60 студентів, які ще не закінчили університет. Їх не вітають в інших лабораторіях: магістранти навряд чи мають якісь попередні знання і коштують постійним працівникам багато часу. Але Фул бачить це по-іншому. Не дарма він отримав одну з найвищих нагород, яку повинен удостоїти Каліфорнійський університет у Берклі: «Премію за викладання», нагороду за видатне навчання. "Я б не був там, де я сьогодні, якби хтось не доглядав за мною, коли я був студентом".
Боб Фул багато запитує на своїх курсах, але він багато дає: він любить хвалитися досягненнями своїх учнів і називає їх співавторами, коли публікує у гучних журналах "Природа та наука". "Неймовірно, які ідеї тут висувають магістранти", - говорить він. На курсі біомехатроніки кожен студент повинен створити робота, натхненного природою. Одне з творів із курсу знаходиться на полиці Фула: жовто-чорна змія з цегли Лего.
Вона не одна. Іграшка просто сочиться з полиць: плюшеві жуки та пластикові краби сидять поруч із фігурами з фільму Діснея-Піксара "Життя помилки". Повний не тільки розробляє роботів, він також консультує кіновиробничі компанії. Наприклад, Pixar Animation, відомий із касового хіту "У пошуках Немо". Завдяки відеозаписам Фула про мурах, гусениць та тарганів, мультиплікаційні комахи у "Життя помилки" можуть бути анімовані реалістично. Кажуть, що його дослідження також вплинули на риси характеру акторів мультфільму.
Все-таки: таргани у фільмі зображені як неприємність. Очевидно, що з Фулом тут не проводили консультацій. Як інакше голлівудські режисери могли пропустити те, чому світ може навчитися від тарганів?
Без назви
ЕВЕЛІН ГАУЕНШТАЙН - науковий журналіст і гінеколог у Мюнхені - і вона дуже вражена ревучими гігантськими тарганами.