Работи без мозък; е по-лесно
Нещо избухва зад хлебарка. Насекомото се втурва през тясната тръба от плексиглас, сякаш е за живота си. Изведнъж животното застава на задните си крака и тича на два крака по пластмасовия тунел - по-бързо от преди. Минава лека бариера, която измерва скоростта на бягане. Резултатът означава световен рекорд: 0,72 километра в час! Това прави хлебарка най-бързото насекомо в света пеша - и звездата в лабораторията Poly-PEDAL в Калифорнийския университет в Бъркли. „Poly“ означава „много“, а „PEDAL“ идва от латинската дума „pedes“ - крака. В същото време тя означава „Производителност, енергетика и динамика на движението на животните“.
Студентите избягват лабораторията Poly-PEDAL: там гъмжи от хлебарки, раци, бръмбари, мравки, милипеди, метили, гекони и други гущери. Всичко, което има повече от два крака и се движи, е щателно изследвано от ръководителя на лабораторията Робърт Фул и неговите колеги.
„И за мен хлебарки не са точно естетически“, казва Фул. „Но не е нужно да ги харесвате, за да ги очаровате.“ Във всеки случай той няма никакви задръжки, когато се занимава с тях: Без колебание той бръква в клетката и държи под носа на посетителя прекрасен екземпляр от съскащ хлебарка. Той е с размер на парче от пет марки.
Защо изследователите като Пълна са отдадени на пълзенето на много народи? Двуногите същества изглежда са достигнали най-високото ниво на еволюция: осем крака при съчленени животни стават шест при насекоми, четири при бозайници и два при хора - колкото по-малко е ходовата част и колкото по-голям е мозъкът, толкова по-голяма е стабилността и гъвкавостта и толкова по-големи са разстоянията, които могат да бъдат преодолени. Но за биолога Фул двупосочният вход не е връх на съвършенството във всяко едно отношение: „Разходката на двуногите е много стабилна, но по отношение на скоростта и маневреността шестокраците са значително по-добри от нас, въпреки малките си мозъци“.
В лабораторията Poly-PEDAL има устройства като тези, използвани от олимпийските спортисти, за да открият оптималната последователност от движения за хвърляне или скок - само в миниатюрен формат. Инструментите, върху които се стъпкват обектите за изпитване на животни, са изключително чувствителни. За да измерват силата, упражнявана от едно малко краче на насекомо, изследователите са построили специална конструкция: насекомите ходят върху гел, който има източник на светлина от едната страна и сензор от другата. Веднага щом животно стъпи, светлинният поток в гела се променя. Сензорът регистрира това и препраща информацията към компютър, който изчислява силите на ритъма на насекомите.
Първоначално гелът идваше от супермаркета: Състои се от Jell-O, захарно-сладко желе. Но тъй като тестваните животни се интересуваха повече от яденето на подложката им, отколкото от бягането, съблазнително сладкото гуо трябваше да бъде заменено с прост, безвкусен желатин.
Откритията, които Фул и колегите му направиха с тестовите си обекти, са колкото изумителни, толкова и прости. Биолозите приемаха, че многокраките животни се движат като колело, като последователно повдигат и спускат всеки крак. Но Фул и неговият екип откриха нещо съвсем различно: хората с много крака използват „принцип от три точки“. При шестоногите животни изглежда така: два крака от едната страна и единият крак от другата образуват триъгълник, който остава на земята, докато вторият триъгълник се люлее напред. Многоногите се движат и по този начин: краката им образуват групи от по три от всяка страна. И учените намериха друг закон за пълзене. Краката на много крака работят като скок с вградени пружини.
Те стигнаха до този извод съвсем случайно. Учениците на Фул искаха да разберат защо насекомите могат да възвърнат равновесието си толкова бързо, когато не са в крак. За да направят това, те привързаха малко оръдие на гърба на хлебарка. След като оръдието изстреля мъничко куршум, хлебарка се спъна. Но няколко крачки след безпокойството, тя продължи пътя си без колебания със същата скорост. Когато учените разследвали как хлебарка е направил това, те установили, че насекомото е възстановило равновесието си толкова бързо, тъй като не е получило обратна връзка от мозъка си. Самите крака - по-точно: мускулите на краката - обработват сигнала за смущение и по този начин се стабилизират автоматично.
В Германия екипът на Holk Cruse от Катедрата по биологична кибернетика в университета в Билефелд се стреми към триковете на бягащите насекоми. В лабораториите му насекомите трябва да преминат курсове с препятствия и да гребят раци по пътечки със сензори върху резервоарите си. Черупчестите са многократно обезпокоявани, когато вървят право напред, тъй като асистентът на Круз просто държи един от осемте им крака: „Как краката се връщат към стабилна походка, също ни дава информация за това как системата„ ходене “работи като цяло“, обяснява той . Подобното на клетка експериментално устройство с неуморен рак в средата не само регистрира положението на крака, но и силата, която развива, и възбудата, която възниква в мускулните клетки.
„Боб Фул се интересува от това, което е автономно в системата: самоуправляващият се крак, който не се нуждае от обратна връзка от централен орган“, обяснява кибернетикът Круз. „Ние се интересуваме повече от горното ниво: Как шест крака на насекоми или осем крака на раци работят заедно, без да се спъват непрекъснато?“
Пръчковидните насекоми са основните действащи лица в Билефелд. Как прегазват препятствия с 6-те си крака и 18 стави, извиват се и се изправят, Круз удивява отново и отново: „Несъответствието между тези сложни предизвикателства и простотата, с която се контролират движенията е невероятно.“ Резултатите на Круз потвърждават Робърт Теорията за хлебарки на Фул на следващото по-високо ниво: Дори и при насекомите с пръчки, шестте пълзящи крака не са под контрола на централната нервна система. Те се координират директно помежду си, възприемат впечатленията от околната среда и ги обработват на място. Резултатът: подредено движение на всички крака. Ако насекомото пръчка неочаквано срещне препятствие, тази информация не трябва да се предава на централната нервна система (ЦНС). Достатъчно е, ако мускулите и нервите на двата предни крака „регистрират“ препятствието и го предадат на останалите четири крака. Резултатът: Ужасът се обръща - на всички шестици.
Но дори насекомите не могат без ЦНС: Например началото и краят на протичащия процес, неговата скорост и посока се контролират от мозъка. Колкото и странни да изглеждат експериментите с насекоми, раци и многоножки, за основните изследователи Cruse и Full те не са самоцел. Резултатите ви трябва да служат като вдъхновение за изобретения на други учени. Столът на Фул в Бъркли се нарича „Интегративна биология“, тъй като неговите изследвания обединяват констатации от науките за живота с компютърните науки и инженерството. „Ние наричаме това„ биоинспирация “, казва Фул. „Не обичаме думата„ биомиметика “, защото не става дума само за имитация на природата.“
Той смята за безсмислено да копираме природата едно към едно, тъй като животните са ограничени във възможностите си за развитие. Най-много те могат да правят малки промени в своя геном от поколение на поколение. Инженерите, от друга страна, могат да използват чертожната дъска, за да проектират оптимални решения, които са по-добри от природата. Животинският свят - особено частта, която се движи на шест крака или повече - предоставя удивителни дизайнерски идеи: „Ние изследваме принципите, инженерите ги прилагат на практика“, казва Пълният с целта на своята работа.
Пионерите по роботика Родни Брукс и Марк Райбърт от Лабораторията за изкуствен интелект - лабораторията за изкуствен интелект - в Масачузетския технологичен институт в Бостън са такива „изпълнители“. Преди десетилетие Брукс изграждаше роботи в своя отдел, които трябваше да ходят по труден и опасен терен, като повърхността на други планети. По това време групата на Райберт конструира едно-, дву- и четирикраки роботи, които се движат подобно на хората. Превозните средства на Брукс бяха изключително здрави, но напредъкът им беше бавен и бавен. Машините на Райберт, от друга страна, могат да изминат до 21 километра в час, да прескачат препятствия и да се изкачват по стълби. Щом спряха да се движат обаче, те паднаха.
Работейки с Full, инженерите откриха, че походката на много крака съчетава двете качества, на които роботите им липсват: стабилност и маневреност. Следващата стъпка беше очевидна: изграждане на робот, който се движи като любимото тестово животно на Фул. "RHex" - съкратено от "Robot Hexapod" е създаден по примера на хлебарка. Приблизително с размерите на кутия за обувки, RHex може да се движи пъргаво по път с препятствия - с почтените единадесет километра в час. Шестте му крака са разположени в хоризонтална равнина, както при раци, гущери и хлебарки: „RHex не прилича на хлебарка, но сме прехвърлили най-важните принципи на насекомото върху нея“, казва Фул гордо.
Роботът има самокорегиращи се рефлекси поради вградени пружини и амортисьори, но няма мозък. "Това не е необходимо, защото краката му се стабилизират", обяснява Фул. С един комплект батерии RHex може да измине разстояние от 3700 метра и може да се справи и с наклон от 45 градуса, да плува и да се изкачва по стълби. В хода на разработката му инженерите го оборудваха с все повече сензори, например цветна камера и акселерометри. Прототипът се превръща в търговски продукт от канадската компания Mecheligent днес.
Разработването на RHex е финансирано до голяма степен от DARPA (Агенция за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната), изследователския отдел на Министерството на отбраната на САЩ. Властите се интересуват много от многоногите роботи: Когато са разположени на неравен, опасен терен във военни зони, роботите трябва да поемат задачите на войниците. Американската космическа агенция също е ангажирана с робота на Боб Фул: в момента той преговаря с НАСА дали RHex ще бъде част от мисията на Марс през 2007 г. Там са спешно необходими роботи с крака, защото те могат да се придвижват по-лесно от колесните превозни средства по негостоприемен или непознат терен.
Най-полезният робот от работилницата на Full досега се казва Ariel: първият робот с крака, който може да ходи както по суша, така и под вода. По примера на раците, Ariel е специално проектиран за така наречената зона за сърф на брега. Рационализираното тяло на Ариел минимизира силите на засмукване. Той е в състояние да преодолее препятствия и бездни, които биха могли да държат нормалните роботи на колела. И може да издържа на вълни. Ако някой от тях го повали, краката му просто се обръщат около собствената си ос: Това, което преди беше гърбът, сега се превръща в стомаха и обратно.
Ариел - кръстена на главния герой Ариел в анимационния филм на Дисни "Малката русалка" - сега се изгражда от iRobot, компанията Родни Брукс. В бъдеще роботът ще се използва за търсене на мини в зоната за сърф - във военните зони край морето. DARPA също вложи много пари в развитието на Ариел.
Въпреки огромното спонсорство от американската армия, Робърт Фул се надява, че роботите, вдъхновени от лабораторията Poly-PEDAL, ще бъдат използвани главно в мирни операции за търсене и спасяване. Любимата му визия за близкото бъдеще: малки роботи с много крака търсят разрушени места за погребани хора, а мини-роботи с размер на мравки извършват микрохирургични интервенции в човешкото тяло. Инженер Крис Пистър от лабораторията по роботика от университета в Бъркли вече работи по него.
Боб Фул вече мечтае за ново поколение „меки роботи“ - „меки роботи“, оборудвани със саморегулиращи се мускули, които имат степени на свобода, които са напълно различни от тези на предишните роботи, изработени от метал и пластмаса. Принципът на самостабилизиране, открит в лабораторията Poly-PEDAL, напълно промени начина, по който учените мислят за изкуствените мускули. Ранните проекти за изкуствени крайници изглеждат така, сякаш са предназначени за Терминатора на Шварценегер: стоманени съединения с сухожилия, направени от тел, които се управляват централно от компютър.
След като групата на Фул установи, че бягането изобщо не е необходимо през мозъка, изследователите се нуждаят от мускули за самостоятелна работа, подобни на тези на насекоми. За тази цел лабораторията Poly-PEDAL работи съвместно с компанията SRI International от Пало Алто, Калифорния, която произвежда Soft Electro Active Polymers (EAP). Ако поставите филм от EAP като изолационен слой между два електрода и го поставите под напрежение, молекулите в него се разширяват. Ако изключите напрежението, те отново се свиват и стават по-плътни - точно като истинската мускулна тъкан.
Тестовете показват, че EAPs, изработени от акрил и силиций, могат да постигнат подобна производителност на килограм телесно тегло като реалните мускули. EAP вече са били използвани като изпълнителни механизми - т.е. изпълнителни елементи: например SRI International в момента разработва изкуствени мускули за малки мобилни роботи с размер един сантиметър, спонсориран от японското министерство на външната търговия и промишлеността (MITI).
Истинските мускули работят не само като изпълнителни механизми, но и като сензори: Те могат да улавят сигнали от околната среда и да ги преобразуват в движение в рамките на милисекунди. Изследователи като Йосеф Бар-Коен от Калифорнийския технологичен институт се надяват в бъдеще да могат да използват такива мускули върху биологично вдъхновени роботи. Такива роботи биха могли да изминат големи разстояния, като скачат толкова еластично, колкото скакалците. Но роботи, които могат да летят или се извиват като змия благодарение на мускулите си, също са възможни.
Изкуствените мускули дори биха могли да помогнат в медицината: „Един ден, благодарение на технологията EAP, ще видим бивш потребител на инвалидни колички да джогира до супермаркета“, твърди Бар-Коен. За да се сбъднат такива фантастични мечти обаче, механичната енергия на наличните по-рано EAP не е достатъчна.
Друга мечта е да се използват EAP, за да се разработи интелигентен материал, който се адаптира към дадени условия без външен контрол: „Не би ли било чудесно да носите обувка, която ви пасва идеално?“, Пита Боб Фул и изглежда на обемните му крака. Също така би било възможно подметките да прилягат точно на пода, върху който човек се джогира. „Или пуловери, които са оформени според размера на талията на потребителя и седят добре“, усмихва се той и потупва кръглия си корем.
Тогава Пълният отново става сериозен и философства за най-висшия принцип на лабораторията Poly-PEDAL. Тя се основава на цитат на датския лауреат на Нобелова награда Август Крог: „Ако има голям брой проблеми, винаги има животно, което може да служи като идеален модел за изследване.“ Така че биоинспирацията е възможна само чрез биологичното разнообразие, обяснява Фул. Силен аргумент в полза на опазването на околната среда, той казва: „Когато все повече и повече видове изчезват от земята, много прекрасни дизайнерски идеи се губят.“ ■
Без заглавие
Гъста сива коса, гигантски мустаци и привлекателно, усмихнато, голямо, кръгло лице очакват посетителите на лабораторията Poly-PEDAL. Робърт Фул, 40-годишният професор по интегративна биология, приветства всеки посетител, който се интересува от неговите изследвания. „Като дете имах два големи интереса“, спомня си той, „спорт, особено бейзбол - и необичайни животни.“ Докато беше на почивка във Флорида, десетгодишният Боб видя как раци стрелят през плажа: „Наистина исках да разбера как се разбираха могат да движат шестте си крака толкова бързо. "
Пълният все още звучи ентусиазирано като десетгодишен, когато говори за работата си. След гимназията учи биология в Държавния университет на Ню Йорк в Бъфало. Две години след завършването на докторат той е назначен в Бъркли - първо като зоолог, по-късно му е даден стол по интегративна биология. Последва собствена лаборатория - и накрая собствен институт в Бъркли, който в момента все още е във фаза на развитие.
Пълна работи не само с необичайни животни, но и с нетипични служители: млади студенти. През последните 15 години в неговата лаборатория са работили над 60 студенти, които все още не са завършили. Те не са добре дошли в други лаборатории: Студентите почти нямат предишни знания и струват много време на постоянните служители. Но Фул го вижда по различен начин. Не напразно той получи една от най-високите награди, които Калифорнийският университет в Бъркли трябва да връчи: „Отличителна награда за преподаване“, награда за отлично преподаване. „Не бих бил там, където съм днес, ако някой не ме беше гледал, когато бях студент.“
Боб Фул пита много в своите курсове, но дава много: той обича да се хвали с постиженията на своите ученици и ги назовава като съавтори, когато публикува във високопоставените списания „Природа и наука“. "Не е за вярване какви идеи измислят студентите тук", казва той. В курса си по биомехатроника всеки ученик трябва да изгради робот, вдъхновен от природата. Едно от творенията от курса е на рафта на Фул: жълто-черна змия, направена от лего тухли.
Тя не е сама. Играчката просто се стича от рафтовете: Плюшени бръмбари и пластмасови раци седят до екшън фигури от филма на Дисни-Пиксар „Животът на бъгове“. Пълен не само проектира роботи, той също така съветва компании за производство на филми. Например Pixar Animation, познат от касовия хит „Намирането на Немо“. Благодарение на видеозаписите на Full на мравки, гъсеници и хлебарки, насекомите от карикатурите в „A Bug’s Life“ могат да бъдат анимирани реалистично. Твърди се, че изследванията му са повлияли и на чертите на характера на карикатурните актьори.
И все пак: хлебарки са изобразени като неприятност във филма. Очевидно тук не е бил консултиран с Фул. Как иначе холивудските режисьори можеха да пропуснат това, което светът може да научи от хлебарки?
Без заглавие
ЕВЕЛИН ХАУЕНЩАЙН е научен журналист и гинеколог в Мюнхен - и е силно впечатлена от гигантските хлебарки.