Ауке Эсперт: Робот, который бегает и плавает, как саламандра

Это «Плевробот». Мы спроектировали его, чтобы лучше скопировать один вид саламандры — иглистого тритона. Как видите, «Плевробот» может ходить, а также плавать — это вы увидите позже.

Вы спросите: зачем мы создали этого робота? Дело в том, что создан он в качестве инструмента для нейробиологии. Мы создавали его вместе с нейробиологами, чтобы понять, как животные двигаются, в частности, как спинной мозг управляет движением. Чем дольше я работаю в биоробототехнике, тем больше меня поражает движение животных. Если мы представим плавающего дельфина или кошку, которая везде бегает и прыгает, или даже самих себя, людей, бегающих трусцой, играющих в теннис, мы делаем удивительные вещи. И правда, наша нервная система решает очень трудные вопросы управления. Ей нужно полностью координировать работу примерно 200 мускулов, а если координация нарушена, мы падаем или двигаемся с трудом. Моя задача — понять этот принцип работы.

Движение животных включает в себя четыре составляющие. Первая — это само тело. Не стоит недооценивать то, как биомеханика уже упростила систему передвижения животных. Далее, есть спинной мозг, в котором сосредоточены рефлексы. Многочисленные рефлексы создают сенсомоторный узел координации между нервной активностью спинного мозга и механическим движением. Третья составляющая — центральные генераторы моделей. Это очень интересные цепи спинного мозга позвоночных животных, которые могут сами воспроизвести скоординированные ритмические модели активности, получив довольно простые входящие сигналы. Эти сигналы, в свою очередь, поступают из нисходящей модуляции высших отделов головного мозга, например, двигательной зоны коры, мозжечка и базальных ядер. Эти сигналы управляют активностью спинного мозга во время движения. Но интересно, насколько составляющая низшего уровня, спинной мозг вместе с телом, в бóльшей мере отвечают за движение. Возможно, вы знаете, что если отрубить курице голову, туловище будет еще двигаться, показывая, что низшая часть — спинной мозг и тело — в бóльшей мере отвечают за передвижение.

Понять принцип этой работы очень сложно, потому что, во-первых, очень трудно записать активность спинного мозга. Легче вживить электроды в двигательную зону коры головного мозга, чем в спинной мозг, поскольку его защищают позвонки. С людьми это особенно сложно. Еще одна трудность состоит в том, что движение происходит благодаря сложному и динамичному взаимодействию данных четырех составляющих. Поэтому тяжело выяснить, какова роль каждого с течением времени. Именно биороботы наподобие «Плевробота» и математические модели могут помочь.

Что такое биоробототехника? Это развивающиеся исследования в сфере робототехники, где люди, вдохновившись образами животных, хотят создать роботов для работы вне помещения, например, служебных, поисково-спасательных или полевых роботов. Главная задача: вдохновиться животными, чтобы создавать роботов, которые могут осилить сложную территорию — лестницы, горы, леса, — места, где у роботов еще возникают проблемы, а животные справляются гораздо лучше. Робот может быть замечательным инструментом для исследований. Есть несколько проектов, где задействованы роботы. Это нейробиология, биомеханика или гидродинамика. В этом и заключается задача «Плевробота». В моей лаборатории мы сотрудничаем с нейробиологами, в частности, с Жаном-Мари Кабелгеном, нейробиологом из Бордо, Франция. Мы хотим создать модели спинного мозга и проверить их на роботах. Мы хотим начать с простого.

Лучше начинать с простых животных, например с миноги, самой примитивной рыбы, затем постепенно переходить к сложным типам движения, которые есть у саламандр, кошек, людей, у млекопитающих. И тут робот становится интересным инструментом для проверки наших моделей. Для меня «Плевробот» — это что-то вроде осуществившейся мечты. Около 20 лет назад я уже работал на компьютере и моделировал движения миноги и саламандры, занимаясь своей кандидатской. Но я всегда знал, что мое моделирование приблизительно. Как физические процессы в воде, грязи или смешанной почве сложно моделировать, так же трудно смоделировать это правильно и на компьютере. Отчего не использовать робота и физику? Одно из моих любимых животных — саламандра. Вы можете спросить: «Почему?» Потому что это амфибия. С точки зрения эволюции, это животное ключевое. Оно умеет плавать, как рыба или угорь, и передвигаться так, как это делают млекопитающие. Современная саламандра очень похожа на первое наземное позвоночное. Это почти живое ископаемое, и благодаря ему мы получаем нашего предка, предка всех наземных четвероногих.

Поэтому саламандра плавает подобно угрю, поэтому получается волна из-за движения мускулов от головы до хвоста. А если поставить саламандру на землю, она переключается на быстрый шаг. Здесь видна периодическая активность конечностей, которая хорошо координируется благодаря стабильному волнообразному движению тела. Эту походку как раз и можно увидеть на примере «Плевробота». Самое поразительное то, что все это может воспроизвести спинной мозг и тело. Если взять саламандру с удаленным мозгом, что, конечно, плохо, но голова удаляется, если с помощью электричества стимулировать спинной мозг низкими волнами, то саламандра начнет «идти». Если немного увеличить стимуляцию, походка ускорится. На каком-то этапе есть некий предел, и автоматически животное переключается на плавание. Это удивительно. Лишь смена глобального привода, будто нажатие на педаль акселератора нисходящей модуляции спинного мозга, полностью переключает два разных вида движений. Тот же самый эффект наблюдали на примере кошек. Если стимулировать спинной мозг кошки, можно переключать ее с ходьбы на быстрый шаг и бег. Или у птиц можно переключать режим ходьбы при низкой стимуляции, а при высокой — вызывать хлопанье крыльями. Это доказывает, что спинной мозг — сложно устроенный регулятор движения.

Поэтому мы изучили движение саламандры подробнее. Мы получили доступ к рентгеновской видеомашине профессора Мартина Фишера из Йенского университета в Германии. Благодаря ему у нас есть потрясающая машина для детальной записи движения костей. Вот что мы сделали. В основном мы выяснили, какие кости важны для нас, и спроектировали их движение в трехмерном изображении. Мы собрали полную базу данных движений на земле и в воде. Собрали полную базу данных двигательного поведения настоящего животного. Задача робототехники в том, чтобы повторить это в нашем роботе. Мы провели полную оптимизацию, чтобы найти подходящую конструкцию, где разместить двигатели, как их соединить, как лучше воспроизвести данные движения. Вот каким образом «Плевробот» ожил.

Посмотрим, насколько он похож на реальное животное. Вы видите здесь почти точное совпадение походки животного и «Плевробота». Как видите, у нас получается почти точное воспроизведение этой походки. Если перемотать медленно назад, это видно гораздо лучше. Но что еще лучше — робот плавает. Мы надеваем на него гидрокостюм, затем мы можем поместить его в воду и включить плавание. Мы очень обрадовались результатам работы, так как это трудно сделать. Физика взаимодействия — предмет сложный. Наш робот гораздо больше живого существа. Нам пришлось динамически изменить масштаб частот, чтобы убедиться, что физика взаимодействия такая же. В итоге у нас выходит почти точное совпадение, чему мы были очень рады. А теперь вернемся к спинному мозгу. Вместе с Жаном-Мари Кабелгеном мы создали модель системы спинного мозга. Интересно, что у саламандры сохранилась примитивная система, очень похожая на систему миноги, примитивной угреподобной рыбы. Кажется, что во время эволюции добавились новые нервные вибраторы для управления конечностями, для их движения. Мы знаем, где находятся эти новые вибраторы; мы создали математическую модель, чтобы понять, как соединить их для перехода из одного вида походки в другую. Мы протестировали эту модель на роботе.

Вот как это выглядит. Здесь вы видите прежнюю модель «Плевробота». Он полностью управляется нашей моделью спинного мозга, запрограммированной в роботе. Мы лишь посылаем роботу в удаленном режиме два нисходящих сигнала, которые он получит из верхнего отдела головного мозга. Интересно, что, посылая эти сигналы, мы можем управлять скоростью, направлением и движением. Например, если у нас стимуляция низкая, получается движение шагом, но если ее немного усилить, то робот быстро переключится на плавание. Наконец, можно включить поворот, больше стимулируя одну часть спинного мозга. По-моему, замечательно, что природа распределила систему управления, чтобы предоставить большýю ответственность спинному мозгу. А верхнему отделу головного мозга нечего беспокоиться о каждом мускуле, ему приходится отвечать за высокоуровневую модуляцию. Работа спинного мозга заключается в координации всех мускулов.

Теперь рассмотрим движения кошки и значимость биомеханики. Вот другой проект, где мы изучали биомеханику кошки и хотели узнать, насколько морфология помогает движению. Мы обнаружили три важных критерия данных свойств, а особенно конечностей. Первый: конечность кошки чем-то похожа на пантограф. Пантограф — это механизм, который параллельно поддерживает верхний и нижний сегменты. Простая геометрическая система данного типа немного координирует внутреннее движение сегментов. Второе свойство заключается в легкости конечностей кошки. Большинство мышц находятся в туловище, что очень хорошо, поскольку у конечностей низкая инерция, а передвигаются они очень быстро. И последнее свойство — это эластичность конечностей, что позволяет справляться с ударами. Вот как мы создали детеныша гепарда.

Давайте пригласим его на сцену. Это Питер Экерт. Он изучает этого робота и работает над диссертацией. Как видите, это маленький прелестный робот. Он похож на игрушку, но использовали его в научных целях для изучения конечностей кошки. Он очень податливый, легкий и пружинящий. Если на него слегка надавить, он не сломается. Он будет подпрыгивать. Такая гибкость очень важна. Вы видите данные свойства трех участков ноги на примере пантографа.

Интересно, что такая довольно динамичная походка достигается только при открытом цикле, то есть без сенсоров и сложных цепей обратной связи. Это означает, что только механика стабилизировала эту довольно быструю походку, и она же в основном упрощает движение. Мы можем нарушить движение в какой-то мере, как видно на следующем видео, где мы можем провести тренировку, заставляя робота пройти через ступеньку. Робот не упадет. Этот тест нас удивил. Это лишь малое нарушение. Я ожидал, что робот упадет сразу, так как нет сенсоров и быстрой цепи обратной связи. Однако механика стабилизировала движение, потому робот и не падает. Понятно, что если ступенька будет выше, если появятся препятствия, необходимо полностью контролировать цепи, рефлексы и все остальное. Однако, чтобы справиться с небольшими изменениями, механики достаточно. По-моему, это важный сигнал нейробиологии от биомеханики и робототехники. Его смысл: оценить по достоинству помощь тела при движении.

Как это относится к движениям человека? Система движения человека намного сложнее, чем у кошки и саламандры, но в то же время нервная система человека очень похожа на систему позвоночных животных. В частности, спинной мозг — это ключевой орган управления движением у людей. Вот почему повреждение спинного мозга грозит тяжелыми последствиями. Человек может страдать параличом ног или рук и ног. Это происходит потому, что головной мозг теряет связь со спинным. Он теряет нисходящую модуляцию для начала и модулирования движения. Важная задача нейропротезирования — иметь возможность возобновить эту связь электрическим или химическим стимулированием. Несколько групп занимаются этим, например Федеральная политехническая школа Лозанны. Это мои коллеги Грегуар Куртин и Сильвестро Мисера, с которыми я сотрудничаю.

Чтобы выполнить эту работу как следует, важно понимать, как функционирует спинной мозг, как он взаимодействует с телом, каким образом головной мозг связывается со спинным. В этом вопросе представленные мной сегодня роботы и модели, будем надеяться, сыграют ключевую роль для достижения важных целей.

Спасибо.

Бруно Джуссани: Я видел у вас других роботов, которые могут плавать в загрязненной воде, измеряя при этом степень загрязненности. Говоря об этом роботе, вы упомянули о побочном проекте — поиск и спасательные работы. И на носу у робота как раз есть камера.

Ауке Эсперт: Верно. Поэтому робот… Есть несколько проектов, где бы мы хотели использовать роботов при таких операциях. В данный момент робот вас видит. Наша главная мечта такова: если возникает тяжелая ситуация, например, есть разрушенное или подтопленное здание, и в него очень опасно проникнуть спасателям или даже собакам, можно направить туда робота, который по-разному двигается с камерой, чтобы провести осмотр и найти уцелевших и, возможно, установить связь с оставшимися в живых.

БД: Конечно, если предположить, что уцелевшие не испугаются его вида.

АЭ: Да, нам следует немного изменить его внешний вид, потому что уцелевший мог бы умереть от сердечного приступа, испугавшись, что эта штука может его съесть. Но изменив его вид и сделав его прочнее, я уверен, можно создать хороший инструмент.

Перевод: Анастасия Квилинская
Редактор: Надежда Борисова

Источник