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.
ברצוני לשתף אתכם היום בתגלית מקורית. אספר לכם עליה בדרך בה היא באמת התרחשה, ולא בדרך בה אני מציג אותה במפגש מדעי, ולא בדרך בה תקראו עליה במאמר מדעי. זהו סיפור על ההתקדמות מביומימטיקה למה שאני מכנה ביו-הדדיות. אני מגדיר את המונח כקשר בין ביולוגיה ותחום נוסף, כאשר כל תחום מקדם את חברו באופן הדדי, והתגליות המשותפות הן מעבר לכל תחום נפרד. במונחים של ביומימטיקה, ככל שהטכנולוגיות האנושיות רוכשות יותר תכונות של הטבע, הטבע נעשה מורה הרבה יותר שימושי. ההנדסה יכולה לקבל השראה מהביולוגיה ולהשתמש בעקרונות ובאנלוגיות של הביולוגיה שהיא יכולה להפיק מהן תועלת. לאחר מכן, היא משלבת אותם עם מיטב הנדסת האנוש, כדי לבנות בסופו של דברים שהם טובים יותר מהטבע.
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.
מאחר שאני ביולוג, התעוררה בי סקרנות רבה לגבי זה. אלו הן בהונות של שממיות. תהינו איך הן משתמשות בבהונות המוזרים האלה כדי לטפס על קירות במהירות כה רבה. וגילינו זאת. גילינו שיש להן מבנים דמויי עלה על הבהונות שלהן, עם מיליוני שערות זעירות שנראות כמו שטיח. וכל אחת מהשערות סובלת ממקרה חמור של קצוות מפוצלים - בין 100 ל-1000 קצוות מפוצלים בגודל נאנו. לכל שממית יש 2 מיליארד קצוות מפוצלים בגודל נאנו. הן לא נצמדות עם סקוטש או יניקה או דבק. הן נצמדות אך ורק ע"י כוחות בין-מולקולריים, כוחות ון דר ואלס. ואני שמח מאוד לדווח לכם היום שייצרנו את הדבק היבש הסינטטי הראשון שמתנקה מעצמו. מהגירסה הפשוטה ביותר בטבע - ענף אחד, שותפי המהנדס, רון פירינג, מברקלי, בנה את הגירסה הסינטטית הראשונה. וכך גם שותפי הנפלא מארק קטקוסקי מסטנפורד. הוא בנה שערות הרבה יותר גדולות מאלו של השממית, אבל השתמש באותם עקרונות כלליים.
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)
זהו הניסוי הראשון שלהן. [צחוק] זהו קלאר אוטום, דוקטורנט שלי לשעבר, פרופסור בלואיס וקלארק כיום, שנידב את ביתו הבכורה עבור הניסוי הזה. [צחוק]
More recently, this happened.
לא מזמן, ארוע זה התרחש.
Man: This the first time someone has actually climbed with it.
בחור: זוהי הפעם הראשונה בה מישהו טיפס בעזרת זה.
Narrator: Lynn Verinsky, a professional climber, who appeared to be brimming with confidence.
קריין: לין ורינסקי, מטפסת מקצועית, נראית מלאה בביטחון.
Lynn Verinsky: Honestly, it's going to be perfectly safe. It will be perfectly safe.
לין ורינסקי: בכנות, זה יהיה לגמרי בטוח. זה יהיה לגמרי בטוח.
Man: How do you know?
בחור: איך את יודעת?
Lynn Verinsky: Because of liability insurance. (Laughter)
לין ורינסקי: יש לנו ביטוח חבות.
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.
קריין: עם מזרון מתחתיה וחבל ביטחון, לין התחילה בטיפוס של 20 מטר. לין עלתה עד למעלה בשילוב מושלם של הוליווד ומדע.
Man: So you're the first human being to officially emulate a gecko.
איש: את האדם הראשון שחיקה שממית באופן רשמי.
Lynn Verinsky: Ha! Wow. And what a privilege that has been.
לין ורינסקי: הא! וואו. איזו זכות זאת היתה.
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.
רוברט פול: זה מה שהיא עשתה על משטחים מחוספסים. על משטחים חלקים היא השתמשה באלה, שניים כאלה, כדי לטפס ולמשוך את עצמה למעלה. אתם יכולים לנסות את זה בלובי, ולבחון את החומר שנוצר בהשראת השממית. הבעיה עם רובוטים היא שהם לא יודעים לשחרר את עצמם עם החומר הזה. זהו הפתרון של השממיות. הן מקלפות את הבהונות שלהן מהמשטח בקצבים גבוהים, כאשר הן רצות במעלה הקיר.
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)
אני מאוד נרגש להציג בפניכם היום את הגירסה החדשה ביותר של רובוט, סטיקיבוט, שמשתמש בדבק יבש היררכי חדש. זהו הרובוט. וזה מה שהוא עושה. תוכלו לראות שהוא משתמש בקילוף הבהונות בדיוק כמו השממית. בסרט תוכלו לראות אותו מטפס על הקיר. [מחיאות כפיים] הנה הוא. עכשיו הוא יכול ללכת על משטחים נוספים, בזכות הדבק החדש שקבוצת סטאנפורד הצליחה לייצר, בזמן התכנון של הרובוט הנפלא הזה. [מחיאות כפיים]
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.
ברצוני לציין דבר אחד. הביטו בסטיקיבוט. יש לו תוספת שלא מיועדת לכך שהוא יראה כמו שממית. יש לו זנב. וברגע שאתם חושבים שפיענחתם את הטבע, קורה דבר כזה. המהנדסים אמרו לנו, שהרובוטים המטפסים - אם אין להם זנב, הם נופלים מהקיר. אז הם שאלו אותנו שאלה חשובה. הם אמרו, "זה נראה די דומה לזנב, למרות ששמנו שם מוט פאסיבי. האם החיות משתמשות בזנב שלהן כשהן מטפסות על קירות?" הם החזירו לנו טובה ונתנו לנו השערה לבדיקה בביולוגיה, שלא היינו חושבים עליה.
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.
וכמובן, במציאות, היינו בפאניקה. כי היינו הביולוגים והיינו אמורים לדעת את התשובה. שאלנו, "מה זנבות עושים?" אנחנו יודעים שהזנבות מאחסנים שומן, לדוגמא. אנחנו יודעים שאפשר להיתפס בדברים בעזרתם. והדבר הידוע ביותר הוא כנראה שהם מספקים שיווי משקל סטאטי. [צחוק] הם יכולים גם לשמש כמשקל נגדי. הביטו בקנגרו. רואים את הזנב הזה? זה לא יאומן! מארק רייברט בנה אונירו - רובוט מקפץ. ובלי זנב הוא לא היה יציב. בדרך כלל זנבות מגבילים את כושר התמרון. כמו האיש הזה בתוך חליפת הדינוזאור. [צחוק] חברי בדקו את המגבלה הזאת, הם הגדילו את מומנט ההתמדה של סטונדטים, שמו להם זנב, הריצו אותם דרך מסלול מכשולים, וגילו שהביצועים שלהם היו מופחתים, כמו שהייתם יכולים לצפות מראש. [צחוק] אבל, כמובן, זהו זנב פאסיבי. יש גם זנבות אקטיביים.
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.
וכשחזרתי למחקר של הנושא, הבנתי שבאחד הרגעים הגדולים של TED בעבר, שהוצג ע"י נתן, דיברנו על זנב אקטיבי.
Video: Myhrvold thinks tail-cracking dinosaurs were interested in love, not war.
וידיאו: מירוולד חושב שדינוזאורים הצליפו בזנבם מתוך אהבה ולא מתוך מלחמה.
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.
רוברט פול: הוא דיבר על הזנב כעל שוט למטרות תקשורת. אפשר גם להשתמש בו למטרות הגנה. חזק ביותר. אז חזרנו אחורה והתבוננו בחיה. והרצנו אותה במעלה משטח. אבל הפעם שמנו את הטלאי המחליק שאתם רואים שם בצהוב. בצד ימין אתם יכולים לראות מה החיה עושה עם הזנב שלה כשהיא מחליקה. זה מוצג בהילוך איטי של פי 10. וזה במהירות רגילה. היא מחליקה עכשיו. תראו מה היא עושה עם הזנב. יש לה זנב אקטיבי שמשמש כרגל חמישית, והוא עוזר לה להתייצב. ואם גורמים לה להחליק מרחק רב, זה מה שגילינו. זה בלתי יאומן. למהנדסים היה רעיון נפלא.
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.
ואז כמובן תהינו, אוקי, יש להן זנב פעיל, אבל בואו נדמיין אותן. הן מטפסות על קיר, או על עץ. הן מגיעות לצמרת, ונניח שיש שם כמה עלים. מה קורה אם הן מטפסות אל מתחת לעלה הזה, ויש רוח, או שאנחנו מנענעים אותו? ביצענו את הניסוי הזה, ואתם יכולים לראות אותו. [מחיאות כפיים] וזה מה שגילינו. זה בזמן אמת. אי אפשר לראות שום דבר. זה בהילוך איטי.
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.
גילינו את התגובה המהירה ביותר בעולם של התיישרות אווירית. אם אתם זוכרים פיזיקה - זוהי תגובה של תיקון תנע-זוויתי-אפס. אבל היא כמו חתול. כשחתולים נופלים - הם מפתלים את הגוף שלהם. אבל השממיות עושות זאת טוב יותר. והן עושות זאת בעזרת הזנב. הן נעזרות בזנב האקטיבי שלהן כדי להתהפך. הן תמיד נוחתות בתנוחה הזאת של סופרמן בצניחה חופשית. אוקי. עכשיו תהינו, אם אנחנו צודקים, נוכל לנסות זאת במודל פיזיקלי - ברובוט.
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)
אז בנינו רובוט עבור TED, אב-הטיפוס נמצא שם, עם הזנב. ואנחנו עומדים לנסות את תגובת ההתיישרות האווירית הראשונה של זנב, עם רובוט. אפשר להאיר עליו בבקשה. אוקי. הנה הוא נוחת. הציגו את הסרט. הנה הוא. זה עובד בדיוק כמו אצל החיה. צריך רק להניף את הזנב כדי להתיישר. [מחיאות כפיים]
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)
באופן טבעי, חששנו עכשיו, מכיוון שלחיה אין הסתגלות לדאיה. אז חשבנו, "זה בסדר. נשים אותה במנהרת רוח אנכית. האוויר ינשוב כלפי מעלה, ניתן לה מטרה לנחות עליה, גזע של עץ, מחוץ לקופסת הפלקסיגלאס, ונבדוק מה היא תעשה." [צחוק] עשינו זאת. וזה מה שהיא עשתה. הרוח נושבת מלמטה. זה בהילוך איטי של פי 10. היא מבצעת דאייה בשיווי משקל. בשליטה גבוהה. זה לא יאמן. אבל זה מאוד יפה, כשמצלמים את זה. ויותר מכך, תוך כדי גלישה היא מתמרנת באוויר. היא עושה זאת בעזרת הזנב. היא מניעה אותו לכיוון אחד כדי לסטות שמאלה ולכיוון השני כדי לסטות ימינה. אנו יכולים לתמרן בדרך הזאת. ואז - היינו צריכים לצלם זאת כמה פעמים כדי להאמין - היא עושה גם את זה. הביטו. היא מניעה את הזנב למעלה ולמטה כמו דולפין. היא ממש יכולה לשחות באוויר. אבל הביטו ברגליים הקדמיות שלה. אתם יכולים לראות מה הן עושות? מה משמעות הדבר לגבי מקור התעופה תוך תנועות כנפיים? אולי היא התפתחה מהירידה מהעצים, ומהנסיונות לשלוט בדאייה. השארו עימנו. [צחוק]
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.
ואז תהינו, "האם הן באמת יכולות לתמרן עם זה?" זוהי מטרת הנחיתה. האם הן יוכלו לנווט לשם עם היכולות האלה? הנה אחת במנהרת הרוח. נראה שהיא בהחלט יכולה. אפשר לראות יותר טוב במבט מלמטה. הביטו בחיה. היא בהחלט מתקדמת לכיוון מטרת הנחיתה. הביטו בהצלפות הזנב שלה. זה לא יאומן.
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.
עכשיו היינו לגמרי מבולבלים. מכיוון שאין דיווחים על דאיית שממיות. אז אמרנו "אוי אלוהים. עכשיו נצטרך לצאת לשטח ולבדוק אם היא באמת עושה את זה." כמובן, ההפך הגמור ממה שאתם רואים בסרטי טבע. תהינו, "האם הן דואות בטבע?" יצאנו ליערות של סינגפור ודרום מזרח אסיה. בסרט הבא תראו את הפעם הראשונה בה ראינו זאת.
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.
זהו הסרט המקורי. הוא לא מבויים. זהו סרט מחקר אמיתי של חיה הדואה כלפי מטה - המסלול מסומן בקו אדום. התבוננו בקצהו כדי לראות את החיה. כשהיא מתקרבת אל העץ, הביטו בצילום התקריב ונסו לראות אותה נוחתת. הנה היא יורדת. יש שם שממית בקצה של קו המסלול. אתם רואים אותה? שם? תראו אותה יורדת. עכשיו תסתכלו למעלה ותראו את הנחיתה. ראיתם אותה מגיעה? גם כאן היא משתמשת בזנב. בדיוק כמו שראינו במעבדה.
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)
ועכשיו אנו יכולים להמשיך בהדדיות ולהציע להם לייצר זנב אקטיבי. וזהו הזנב האקטיבי הראשון ברובוט שיוצר ע"י בוסטון דיינמיקס. ולסיכום, אני חושב שעלינו ליצור מערכות ביו-הדדיות, בדומה לזו שהצגתי, שהיישום שלהן יגביר את קצב התגליות הבסיסיות. אבל, כדי לעשות זאת, עלינו לבצע שינוי גדול בתכנון החינוך, לאזן בין עומק ובין תקשורת בין תחומית. עלינו לאמן אנשים לתרום לתחומים אחרים ולהפיק מתחומים אחרים תועלת. וכמובן, אנו זקוקים לבעלי החיים ולסביבה כדי לעשות זאת. כלומר, בין אם אתם מתעניינים בביטחון, בחילוץ והצלה, או בבריאות, עלינו לשמר את התכנונים של הטבע, אחרת הסודות האלה יעלמו לעולמי עולמים. ומהדברים ששמעתי מהנשיא החדש שלנו, אני מאוד אופטימי. תודה. [מחיאות כפיים]