Lassen Sie mich heute eine Erstentdeckung mit Ihnen teilen. Aber ich möchte es Ihnen so erzählen, wie es wirklich passiert ist. Und nicht so, wie ich es auf einer wissenschaftlichen Konferenz vorstellen würde oder wie Sie es in einer wissenschaftlichen Publikation lesen könnten. Es ist eine Geschichte, die über Bionik hinausgeht, hin zu etwas, das ich Biosymbiose nenne. Ich definiere diesen Begriff als die Verbindung zwischen Biologie und einer weiteren Disziplin, wobei sich die Disziplinen gegenseitig voranbringen, wobei aber die daraus hervorgehenden gemeinsamen Entdeckungen über die einzelnen Fachgebiete hinausgehen. Nun, was die Bionik anbelangt, so wird, je mehr Eigenschaften der Natur menschliche Technologien annehmen, die Natur ein immer nützlicherer Lehrer. Die Ingenieurwissenschaft kann sich durch die Biologie inspirieren lassen, indem sie deren Prinzipien und Analogien nutzt, wenn sie einen Vorteil bieten. Aber dann kann sie diese mit der besten menschlichen Ingenieurskunst verbinden, um letztendlich etwas herzustellen, das besser ist als die Lösung der Natur.
Let me share with you today an original discovery. But I want to tell it to you the way it really happened -- not the way I present it in a scientific meeting, or the way you'd read it in a scientific paper. It's a story about beyond biomimetics, to something I'm calling biomutualism. I define that as an association between biology and another discipline, where each discipline reciprocally advances the other, but where the collective discoveries that emerge are beyond any single field. Now, in terms of biomimetics, as human technologies take on more of the characteristics of nature, nature becomes a much more useful teacher. Engineering can be inspired by biology by using its principles and analogies when they're advantageous, but then integrating that with the best human engineering, ultimately to make something actually better than nature.
Nun, da ich Biologe bin, machte mich dies besonders neugierig. Dies sind Gecko-Zehen. Und wir haben uns gefragt, wie sie diese bizarren Zehen nutzen, um dermaßen schnell eine Wand hinaufzuklettern. Wir haben es herausgefunden. Und was wir entdeckt haben, ist, dass sie diese blattähnlichen Strukturen an den Zehen haben, die mit Millionen winziger Härchen aussehen wie ein Teppich. Und jedes dieser Härchen hat die schlimmstmögliche Form von Spliss, etwa 100 bis 1000 gespaltene Haarenden in Nanogröße. Und jedes einzelne Tier hat 2 Milliarden dieser gespaltenen Haarenden in Nanogröße. Sie haften weder wie ein Klettverschluss noch durch Saugwirkung oder Klebstoff. Tatsächlich haften sie allein aufgrund intermolekularer Kräfte, den Van-der-Waals-Kräften. Und ich freue mich sehr, Ihnen heute die Herstellung des ersten synthetischen, selbstreinigenden Trockenklebemittels verkünden zu dürfen. Ausgehend von der einfachsten in der Natur vorkommenden Form, einer einzelnen Verzweigung, hat mein Ingenieurskollege Ron Fearing von der Universität Berkeley die erste synthetische Version hergestellt. Das gleiche gilt für meinen anderen hervorragenden Kollegen, Mark Cutkosky von der Universität Stanford. Er hat Haare hergestellt, die viel größer sind als die des Geckos, dabei aber die gleichen Prinzipien angewendet.
Now, being a biologist, I was very curious about this. These are gecko toes. And we wondered how they use these bizarre toes to climb up a wall so quickly. We discovered it. And what we found was that they have leaf-like structures on their toes, with millions of tiny hairs that look like a rug, and each of those hairs has the worst case of split-ends possible: about 100 to 1000 split ends that are nano-size. And the individual has 2 billion of these nano-size split ends. They don't stick by Velcro or suction or glue. They actually stick by intermolecular forces alone, van der Waals forces. And I'm really pleased to report to you today that the first synthetic self-cleaning, dry adhesive has been made. From the simplest version in nature, one branch, my engineering collaborator, Ron Fearing, at Berkeley, had made the first synthetic version. And so has my other incredible collaborator, Mark Cutkosky, at Stanford -- he made much larger hairs than the gecko, but used the same general principles.
Und dies ist der erste Test. (Gelächter) Hier sehen Sie Kellar Autumn, meinen ehemaligen Doktoranden, der jetzt Professor am Lewis & Clark College ist, wie er sprichwörtlich seinen Erstgeborenen hergibt, um diesen Test machen zu können. (Gelächter)
And here is its first test. (Laughter) That's Kellar Autumn, my former Ph.D. student, professor now at Lewis and Clark, literally giving his first-born child up for this test. (Laughter)
Vor kurzem ist dann das hier passiert:
More recently, this happened.
Mann: Dies ist das erste Mal, dass tatsächlich jemand damit geklettert ist.
Man: This the first time someone has actually climbed with it.
Sprecher: Lynn Verinsky, eine Profikletterin, die nur so vor Zuversicht zu strotzen schien.
Narrator: Lynn Verinsky, a professional climber, who appeared to be brimming with confidence.
Lynn Verinsky: Ganz ehrlich, das ist hundertprozentig sicher. Es ist vollkommen sicher.
Lynn Verinsky: Honestly, it's going to be perfectly safe. It will be perfectly safe.
Mann: Woher wissen Sie das?
Man: How do you know?
Lynn Verinsky: Wegen der Haftpflichtversicherung.
Lynn Verinsky: Because of liability insurance. (Laughter)
Sprecher: Mit einer Matte auf dem Boden und mit einem Seil gesichert, begann Lynn ihren 18-Meter-Aufstieg. Lynn erreichte die Höhe mit einer perfekten Mischung von Hollywood und Wissenschaft.
Narrator: With a mattress below and attached to a safety rope, Lynn began her 60-foot ascent. Lynn made it to the top in a perfect pairing of Hollywood and science.
Mann: Sie sind nun also offiziell der erste Mensch, der einen Gecko nachgeahmt hat.
Man: So you're the first human being to officially emulate a gecko.
Lynn Verinsky: Ha! Wow. Und was für eine Ehre das war.
Lynn Verinsky: Ha! Wow. And what a privilege that has been.
Robert Full: Das hat sie an rauen Oberflächen gemacht. Aber sie hat auch an glatten Oberflächen zwei von diesen hier verwendet, um nach oben zu klettern und sich nach oben zu ziehen. Sie können das in der Lobby ausprobieren und sich das durch den Gecko inspirierte Material ansehen. Das Problem bei Robotern, die dies tun, ist, dass sie sich nicht mehr lösen können, wenn sie dieses Material verwenden. Dies ist die Lösung der Geckos. Sie rollen ihre Zehen mit großer Geschwindigkeit von der Oberfläche weg, während sie die Wand hinauflaufen.
Robert Full: That's what she did on rough surfaces. But she actually used these on smooth surfaces -- two of them -- to climb up, and pull herself up. And you can try this in the lobby, and look at the gecko-inspired material. Now the problem with the robots doing this is that they can't get unstuck, with the material. This is the gecko's solution. They actually peel their toes away from the surface, at high rates, as they run up the wall.
Nun, ich freue mich sehr, Ihnen heute die neuste Version eines Roboters - Stickybot (Klebebot) - zeigen zu können, der ein neues, hierarchisches Trockenklebemittel verwendet. Hier haben wir den Roboter. Und das ist, was er tut. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie erkennen, dass er die Zehen aufrollt, genau wie ein Gecko. Und wenn wir Ihnen einen Auschnitt des Videos zeigen können, sehen Sie ihn eine Wand hinaufklettern. (Applaus) Da ist er. Und jetzt kann er auch an anderen Oberflächen haften, dank des neuen Klebemittels, das die Forschungsgruppe in Stanford erzeugen konnte, als sie diesen unglaublichen Roboter entworfen haben. (Applaus)
Well I'm really excited today to show you the newest version of a robot, Stickybot, using a new hierarchical dry adhesive. Here is the actual robot. And here is what it does. And if you look, you can see that it uses the toe peeling, just like the gecko does. If we can show some of the video, you can see it climbing up the wall. (Applause) There it is. And now it can go on other surfaces because of the new adhesive that the Stanford group was able to do in designing this incredible robot. (Applause)
Oh. Eine weitere Sache, auf die ich hinweisen wollte. Sehen Sie sich Stickybot an. Sie können etwas an ihm sehen. Und das ist nicht bloß, damit er aussieht wie ein Gecko. Er hat einen Schwanz. Und immer wenn man denkt, man hätte die Natur verstanden, passiert so etwas. Die Ingenieure sagten uns, dass die Kletterroboter, wenn sie keinen Schwanz haben, von der Wand fallen. Also haben sie uns eine wichtige Frage gestellt. Sie sagten: "Nun, es sieht irgendwie aus wie ein Schwanz." Auch wenn wir nur einen unbeweglichen Stab montiert haben. "Verwenden Tiere ihre Schwänze, wenn sie Mauern hinaufklettern?" Was sie getan haben, war, dass sie sich revanchiert haben, indem sie uns eine Hypothese gegeben haben, die wir in der Biologie testen konnten und auf die wir so nicht gekommen wären.
Oh. One thing I want to point out is, look at Stickybot. You see something on it. It's not just to look like a gecko. It has a tail. And just when you think you've figured out nature, this kind of thing happens. The engineers told us, for the climbing robots, that, if they don't have a tail, they fall off the wall. So what they did was they asked us an important question. They said, "Well, it kind of looks like a tail." Even though we put a passive bar there. "Do animals use their tails when they climb up walls?" What they were doing was returning the favor, by giving us a hypothesis to test, in biology, that we wouldn't have thought of.
Nun, natürlich gerieten wir da ein wenig in Panik, denn als Biologen sollten wir das bereits wissen. Wir haben uns gefragt: "Nun, was tun Schwänze?" Nun ja, wir wissen, dass Schwänze zum Beispiel als Fettspeicher dienen. Wir wissen, dass man sie zum Greifen verwenden kann. Und die vielleicht am besten bekannte Tatsache ist, dass sie ein statisches Gleichgewicht verleihen. (Gelächter) Er kann als Gegengewicht dienen. Betrachten Sie einmal dieses Känguru. Sehen Sie diesen Schwanz? Das ist unglaublich. Marc Raibert baute den Hüpfroboter Uniroo. Ohne seinen Schwanz war dieser Roboter instabil. Im Allgemeinen schränken Schwänze die Wendigkeit ein. So wie bei diesem Menschen in seinem Dinosaurieranzug. (Gelächter) Meine Kollegen haben diese Einschränkung tatsächlich getestet, indem sie das Trägheitsmoment der Studenten erhöhten - sie hatten also einen Schwanz bekommen - und sie durch einen Hindernisparcours rennen ließen. Dabei haben sie eine Abnahme der Leistungsfähigkeit festgestellt, genau wie erwartet. (Gelächter) Aber hierbei handelt es sich natürlich um einen passiven Schwanz. Man kann aber auch einen aktiven Schwanz haben.
So of course, in reality, we were then panicked, being the biologists, and we should know this already. We said, "Well, what do tails do?" Well we know that tails store fat, for example. We know that you can grab onto things with them. And perhaps it is most well known that they provide static balance. (Laughter) It can also act as a counterbalance. So watch this kangaroo. See that tail? That's incredible! Marc Raibert built a Uniroo hopping robot. And it was unstable without its tail. Now mostly tails limit maneuverability, like this human inside this dinosaur suit. (Laughter) My colleagues actually went on to test this limitation, by increasing the moment of inertia of a student, so they had a tail, and running them through and obstacle course, and found a decrement in performance, like you'd predict. (Laughter) But of course, this is a passive tail. And you can also have active tails.
Und als ich mich daran machte, dies zu erforschen, wurde mir klar, dass wir bei einem der großartigen TED-Vorträge der Vergangenheit, von Nathan, über einen aktiven Schwanz gesprochen haben.
And when I went back to research this, I realized that one of the great TED moments in the past, from Nathan, we've talked about an active tail.
Video: Myhrvold geht davon aus, dass die Dinosaurier, die ihren Schwanz durch die Luft peitschten, dies für die Liebe taten und nicht für den Kampf.
Video: Myhrvold thinks tail-cracking dinosaurs were interested in love, not war.
Robert Full: Er sprach darüber, dass der Peitschenschwanz ein Kommunikationsmittel ist. Er kann aber auch zur Verteidigung genutzt werden. Ziemlich schlagkräftig. Wir gingen also ins Labor zurück und sahen uns das Tier genauer an. Wir ließen es eine Fläche hinauflaufen. Aber diesmal hatten wir einen rutschigen Streifen angebracht, den Sie hier gelb sehen können. Und achten Sie rechts einmal darauf, was das Tier mit seinem Schwanz tut, wenn es abrutscht. Das hier ist um den Faktor 10 verlangsamt. Das ist die Normalgeschwindigkeit. Und jetzt beobachten Sie, wie es wegrutscht und was es mit seinem Schwanz tut. Es hat einen aktiven Schwanz, der als fünftes Bein dient und der zur Stabilität beiträgt. Wenn man den Gecko dazu bringt, weit zu rutschen, tut er das hier, wie wir entdeckt haben. Das ist unglaublich. Die Ingenieure hatten da eine wirklich gute Vermutung.
Robert Full: He talked about the tail being a whip for communication. It can also be used in defense. Pretty powerful. So we then went back and looked at the animal. And we ran it up a surface. But this time what we did is we put a slippery patch that you see in yellow there. And watch on the right what the animal is doing with its tail when it slips. This is slowed down 10 times. So here is normal speed. And watch it now slip, and see what it does with its tail. It has an active tail that functions as a fifth leg, and it contributes to stability. If you make it slip a huge amount, this is what we discovered. This is incredible. The engineers had a really good idea.
Und dann haben wir uns natürlich gefragt: "Okay, sie haben einen aktiven Schwanz, aber stellen wir uns das mal genau vor. Sie klettern eine Wand hoch, oder einen Baum. Und wenn sie oben ankommen, sind, sagen wir einmal, Blätter dort. Was würde passieren, wenn sie an die Unterseite des Blattes kletterten und es käme eine Böe oder wir würden das Blatt schütteln?" Also haben wir das Experiment durchgeführt, das Sie hier sehen können. (Applaus) Und dies haben wir entdeckt. Diese Aufnahme ist in Echtzeit. Da können Sie gar nichts erkennen. Aber hier haben wir sie verlangsamt.
And then of course we wondered, okay, they have an active tail, but let's picture them. They're climbing up a wall, or a tree. And they get to the top and let's say there's some leaves there. And what would happen if they climbed on the underside of that leaf, and there was some wind, or we shook it? And we did that experiment, that you see here. (Applause) And this is what we discovered. Now that's real time. You can't see anything. But there it is slowed down.
Was wir entdeckt haben, ist der weltweit schnellste Stellreflex im freien Fall. Für diejenigen von Ihnen, die sich an den Physikunterricht erinnern: Das ist eine Drehung bei einem Anfangsdrehimpuls von null. Aber das ist wie bei Katzen. Sie wissen schon: fallende Katzen. Katzen machen das. Sie verdrehen ihren Körper. Aber Geckos können das viel besser. Und sie schaffen das durch ihren Schwanz. Sie erreichen dies durch ihren aktiven Schwanz, indem sie ihn herumschwingen. Und dann landen sie immer in dieser Superman-Fallschirmsprung-Pose. Okay, nun haben wir uns gedacht, wenn wir Recht haben, sollten wir in der Lage sein, das an einem physikalischen Modell, einem Roboter, zu testen.
What we discovered was the world's fastest air-righting response. For those of you who remember your physics, that's a zero-angular-momentum righting response. But it's like a cat. You know, cats falling. Cats do this. They twist their bodies. But geckos do it better. And they do it with their tail. So they do it with this active tail as they swing around. And then they always land in the sort of superman skydiving posture. Okay, now we wondered, if we were right, we should be able to test this in a physical model, in a robot.
Also haben wir für TED einen Roboter gebaut – hier drüben –, einen Prototyp mit Schwanz. Und wir werden zum ersten Mal den Stellreflex mithilfe eines Schwanzes an einem Roboter testen. Könnten wir bitte einen Scheinwerfer auf ihn richten? Okay, los gehts. Zeigen Sie bitte das Video. Da haben wir es. Und es funktioniert ganz genau so wie beim Tier. Man braucht also nichts als eine Bewegung mit dem Schwanz, um sich auszurichten. (Applaus)
So for TED we actually built a robot, over there, a prototype, with the tail. And we're going to attempt the first air-righting response in a tail, with a robot. If we could have the lights on it. Okay, there it goes. And show the video. There it is. And it works just like it does in the animal. So all you need is a swing of the tail to right yourself. (Applause)
Jetzt waren wir natürlich besorgt, weil das Tier keine Anpassung an den Gleitflug aufweist, also dachten wir uns: "Na gut, dann stecken wir ihn in einen vertikalen Windkanal. Wir blasen die Luft nach oben, wir bauen ihm ein Landeziel auf, einen Baumstamm, der sich gerade außerhalb der Plexiglasumrandung befindet und sehen nach, was er tut. (Gelächter) Und so haben wirs auch gemacht. Und er tut das hier. Der Wind kommt also von unten. Dies hier ist um den Faktor 10 verlangsamt. Er macht einen stationären Gleitflug. Hochkontrolliert. Das ist irgendwie unglaublich. Aber es ist wirklich schön, wenn man ein Foto davon macht. Und es wird noch besser. Beim nach vorne Gleiten manövriert er mitten in der Luft. Und so macht er es: Er nimmt seinen Schwanz und schwingt ihn in eine Richtung, um nach links zu gieren und in die andere, um nach rechts zu gieren. Man kann also so manövrieren. Und dann – wir mussten das mehrfach filmen um es zu glauben – macht er auch das hier. Sehen Sie nur. Es macht wellenförmige Auf- und Abbewegungen mit dem Schwanz, ganz wie ein Delphin. Er kann tatsächlich durch die Luft schwimmen. Aber achten Sie auf seine Vorderbeine. Können Sie sehen, was sie machen? Was bedeutet das für den Ursprung des Schlagflugs? Vielleicht entwickelte er sich durch das Herunterkommen von Bäumen und dem Versuch, den Gleitflug zu kontrollieren. Bleiben Sie dran, was das angeht. (Gelächter)
Now, of course, we were normally frightened because the animal has no gliding adaptations, so we thought, "Oh that's okay. We'll put it in a vertical wind tunnel. We'll blow the air up, we'll give it a landing target, a tree trunk, just outside the plexi-glass enclosure, and see what it does. (Laughter) So we did. And here is what it does. So the wind is coming from the bottom. This is slowed down 10 times. It does an equilibrium glide. Highly controlled. This is sort of incredible. But actually it's quite beautiful, when you take a picture of it. And it's better than that, it -- just in the slide -- maneuvers in mid-air. And the way it does it, is it takes its tail and it swings it one way to yaw left, and it swings its other way to yaw right. So we can maneuver this way. And then -- we had to film this several times to believe this -- it also does this. Watch this. It oscillates its tail up and down like a dolphin. It can actually swim through the air. But watch its front legs. Can you see what they are doing? What does that mean for the origin of flapping flight? Maybe it's evolved from coming down from trees, and trying to control a glide. Stay tuned for that. (Laughter)
Und dann haben wir uns gefragt: "Können sie damit wirklich steuern?" Hier haben wir also das Landeziel. Würden sie mit diesen Fähigkeiten darauf zusteuern können? Hier sehen wir ihn im Windkanal. Und es sieht ganz so aus. Von oben betrachtet, kann man es noch besser erkennen. Achten Sie auf das Tier. Es bewegt sich eindeutig auf das Landeziel zu. Beachten Sie auch, wie es den Schwanz hin- und herschwingt. Sehen Sie sich das nur an. Das ist unglaublich.
So then we wondered, "Can they actually maneuver with this?" So there is the landing target. Could they steer towards it with these capabilities? Here it is in the wind tunnel. And it certainly looks like it. You can see it even better from down on top. Watch the animal. Definitely moving towards the landing target. Watch the whip of its tail as it does it. Look at that. It's unbelievable.
Jetzt waren wir wirklich verwirrt. Denn es gibt keine Berichte über gleitende Geckos. Also sagten wir uns: "Oh mein Gott, wir müssen eine Felduntersuchung machen und überprüfen, ob er das wirklich macht." Natürlich vollkommen anders, als sie das in einem Naturfilm sehen würden. Wir haben uns gefragt: "Gleiten sie wirklich in der freien Wildbahn?" Wir gingen also in die Wälder Singapurs und Südostasiens. Das nächste Video, das Sie sehen werden, haben wir noch nie vorher gezeigt.
So now we were really confused, because there are no reports of it gliding. So we went, "Oh my god, we have to go to the field, and see if it actually does this." Completely opposite of the way you'd see it on a nature film, of course. We wondered, "Do they actually glide in nature?" Well we went to the forests of Singapore and Southeast Asia. And the next video you see is the first time we've showed this.
Das ist die Originalaufnahme, es ist nichts gestellt, ein echtes Forschungsvideo von nach unten gleitenden Tieren. In rot ist eine Flugbahn eingezeichnet. Am Ende sehen Sie das Tier. Aber wenn es dichter an den Baum herankommt, achten Sie auf die Nahaufnahme und versuchen Sie zu erkennen, wie es landet. Da kommt es also runter. Da haben wir den Gecko am Ende der Flugbahn. Können Sie ihn sehen? Da? Da kommt er runter. Wenn Sie jetzt hier oben hinschauen, können Sie die Landung sehen. Haben Sie gesehen, wie er ankommt? Er verwendet tatsächlich auch den Schwanz. Genau wie wir es im Labor gesehen haben.
This is the actual video -- not staged, a real research video -- of animal gliding down. There is a red trajectory line. Look at the end to see the animal. But then as it gets closer to the tree, look at the close-up. And see if you can see it land. So there it comes down. There is a gecko at the end of that trajectory line. You see it there? There? Watch it come down. Now watch up there and you can see the landing. Did you see it hit? It actually uses its tail too, just like we saw in the lab.
Jetzt können wir also unsere Symbiose fortsetzen, indem wir ihnen vorschlagen, einen aktiven Schwanz zu entwerfen. Und hier haben wir den ersten aktiven Schwanz des Roboters, hergestellt von Boston Dynamics. Abschließend möchte ich sagen, dass wir meiner Meinung nach mehr Biosymbiosen eingehen sollten, wie ich sie gezeigt habe, die durch ihre Umsetzung die Geschwindigkeit erhöhen, mit der grundlegende Entdeckungen gemacht werden. Um dies tun zu können, muss allerdings das Bildungswesen grundlegend geändert werden, um eine Balance zwischen Tiefe und interdisziplinärem Informationsaustausch zu erreichen. Außerdem müssen wir den Menschen explizit beibringen, wie sie von anderen Disziplinen profitieren und selbst einen Beitrag zu ihnen leisten können. Und natürlich brauchen wir auch die Organismen und die Umwelt dazu. Deshalb müssen wir, egal ob Ihnen Sicherheit, Suchen und Retten oder die Gesundheit am Herzen liegen, die Entwürfe der Natur erhalten, sonst gehen diese Geheimnisse für immer verloren. Und nach allem, was ich von unserem neuen Präsidenten gehört habe, bin ich sehr zuversichtlich. Vielen Dank. (Applaus)
So now we can continue this mutualism by suggesting that they can make an active tail. And here is the first active tail, in the robot, made by Boston Dynamics. So to conclude, I think we need to build biomutualisms, like I showed, that will increase the pace of basic discovery in their application. To do this though, we need to redesign education in a major way, to balance depth with interdisciplinary communication, and explicitly train people how to contribute to, and benefit from other disciplines. And of course you need the organisms and the environment to do it. That is, whether you care about security, search and rescue or health, we must preserve nature's designs, otherwise these secrets will be lost forever. And from what I heard from our new president, I'm very optimistic. Thank you. (Applause)