Willkommen. Die erste Folie, bitte. Im Gegensatz zu den Berechnungen mancher Ingenieure können Bienen fliegen, Delfine schwimmen und Geckos sogar die glattesten Oberflächen emporklettern. In der kurzen Zeit, die ich habe, möchte ich Ihnen den Nervenkitzel nahebringen, den man beim Enthüllen der komplexen Strukturen der Natur erlebt. Das mache ich die ganze Zeit, und es ist einfach unglaublich. Durch diese Präsentation möchte ich versuchen, etwas davon mit Ihnen zu teilen. Die Herausforderung das Design der Natur zu erforschen – und ich werde erklären, wie wir sie wahrnehmen und verwendet haben. Die Herausforderung besteht darin, diese Frage zu beantworten: Was ermöglicht diese außergewöhnliche Leistung der Tiere, die es ihnen erlaubt, überall hinzugehen? Und wenn wir das herausfinden könnten, wie können wir die Entwürfe umsetzen?
Welcome. If I could have the first slide, please? Contrary to calculations made by some engineers, bees can fly, dolphins can swim, and geckos can even climb up the smoothest surfaces. Now, what I want to do, in the short time I have, is to try to allow each of you to experience the thrill of revealing nature's design. I get to do this all the time, and it's just incredible. I want to try to share just a little bit of that with you in this presentation. The challenge of looking at nature's designs -- and I'll tell you the way that we perceive it, and the way we've used it. The challenge, of course, is to answer this question: what permits this extraordinary performance of animals that allows them basically to go anywhere? And if we could figure that out, how can we implement those designs?
Nun, viele Biologen erzählen Ingenieuren und anderen, dass Organismen Jahrmillionen hatten, um es richtig zu machen; sie sind spektakulär, sie können alles wunderbar tun. Also, die Antwort ist Bio-Mimikry: Kopieren Sie einfach direkt die Natur. Wir wissen aus der Arbeit an Tieren, dass wir genau das in Wahrheit nicht tun wollen – weil die Evolution nach dem “Gerade gut genug"-Prinzip arbeitet, nicht nach einem perfektionierenden Prinzip. Und die Einschränkungen beim Aufbau jedes Organismus sind, wenn man ihn betrachtet, wirklich gravierend. Natürliche Technologien sind unglaublich eingeschränkt. Stellen Sie sich vor: Sie wären ein Ingenieur und ich sagte Ihnen, dass Sie ein Auto bauen müssten, aber es müßte anfangs so klein sein, und dann zur vollen Größe heranwachsen und dabei jederzeit fehlerfrei funktionieren. Oder Sie müssen so ein kleines Auto bauen, aber es muss in sich auch eine Fabrik haben, in der man ein weiteres Auto bauen kann.
Well, many biologists will tell engineers, and others, organisms have millions of years to get it right; they're spectacular; they can do everything wonderfully well. So, the answer is bio-mimicry: just copy nature directly. We know from working on animals that the truth is that's exactly what you don't want to do -- because evolution works on the just-good-enough principle, not on a perfecting principle. And the constraints in building any organism, when you look at it, are really severe. Natural technologies have incredible constraints. Think about it. If you were an engineer and I told you that you had to build an automobile, but it had to start off to be this big, then it had to grow to be full size and had to work every step along the way. Or think about the fact that if you build an automobile, I'll tell you that you also -- inside it -- have to put a factory that allows you to make another automobile.
(Lachen)
(Laughter)
Und Sie können absolut nie, absolut nie, wegen der Geschichte und des ererbten Plans bei Null beginnen. Organismen haben also diese wichtige Geschichte. Die Evolution arbeitet in Wirklichkeit eher wie ein Tüftler als ein Ingenieur. Und das ist wirklich wichtig, wenn Sie beginnen, Tiere zu erforschen. Man soll sich aber von der Biologie inspirieren lassen. Die allgemeinen Grundsätze der Natur entdecken und dann diese Analogien verwenden, wenn sie von Vorteil sind. Das ist eine echte Herausforderung, weil Tiere, wenn Sie sich Tiere von innen anschauen – wie sie funktionieren – scheinen sie hoffnungslos komplex zu sein. Es gibt keine detaillierte Geschichte der Baupläne, man kann sie nirgendwo nachschlagen. Sie haben für ihre Gelenke viel zu viele Bewegungen, zu viele Muskeln. Auch wenn wir an das einfachste Tier denken, etwa ein Insekt, sie haben mehr Neuronen und Verbindungen, als Sie sich vorstellen können.
And you can absolutely never, absolutely never, because of history and the inherited plan, start with a clean slate. So, organisms have this important history. Really evolution works more like a tinkerer than an engineer. And this is really important when you begin to look at animals. Instead, we believe you need to be inspired by biology. You need to discover the general principles of nature, and then use these analogies when they're advantageous. This is a real challenge to do this, because animals, when you start to really look inside them -- how they work -- appear hopelessly complex. There's no detailed history of the design plans, you can't go look it up anywhere. They have way too many motions for their joints, too many muscles. Even the simplest animal we think of, something like an insect, and they have more neurons and connections than you can imagine.
Wie soll man das verstehen können? Nun, wir glaubten – und stellten die Hypothese auf – dass eine Art, in der Tiere funktionieren könnten, darin besteht, dass die Bewegungssteuerung eher in ihre Körper selbst eingebaut ist. Wir entdeckten, dass zwei-, vier-, sechs- und achtbeinige Tiere bei ihrer Bewegung alle die gleichen Kräfte auf den Boden ausüben. Sie alle funktionieren wie dieses Känguruh, sie hüpfen. Und sie können durch ein Feder-Masse-System modelliert werden. Wir nennen das so, weil wir Biomechaniker sind. Es ist eigentlich ein Pogo-Stab. Sie alle produzieren das Muster eines Pogo-Stabs. Wie kann das sein? Bei Menschen funktioniert eines Ihrer Beine wie zwei Beine eines laufenden Hundes, oder wie drei Beine eines laufenden Insekts, oder vier Beine einer laufenden Krabbe. Und sie bewegen sich abwechselnd vorwärts, aber die Muster sind alle gleich. Fast jeder Organismus, den wir so untersucht haben – nächste Woche werden Sie es selbst sehen, da wird ein Artikel erscheinen, der erklärt, dass wirklich große Wesen – ein T. Rex wohl eher nicht, aber Sie werden es nächste Woche sehen.
How can you make sense of this? Well, we believed -- and we hypothesized -- that one way animals could work simply, is if the control of their movements tended to be built into their bodies themselves. What we discovered was that two-, four-, six- and eight-legged animals all produce the same forces on the ground when they move. They all work like this kangaroo, they bounce. And they can be modeled by a spring-mass system that we call the spring mass system because we're biomechanists. It's actually a pogo stick. They all produce the pattern of a pogo stick. How is that true? Well, a human, one of your legs works like two legs of a trotting dog, or works like three legs, together as one, of a trotting insect, or four legs as one of a trotting crab. And then they alternate in their propulsion, but the patterns are all the same. Almost every organism we've looked at this way -- you'll see next week, I'll give you a hint, there'll be an article coming out that says that really big things like T. rex probably couldn't do this, but you'll see that next week.
Interessant ist, dass sich die Tiere entlang der vertikalen Ebene hüpfend, bewegen. In unserer Zusammenarbeit mit Pixar in "Das große Krabbeln" diskutierten wir über die zweibeinige Natur der Ameisenfiguren. Und wir sagten ihnen, klar, sie bewegen sich auch in einer anderen Ebene. Und sie stellten uns diese Frage. Sie sagten: "Warum sollten wir nur in der Sagittalebene oder der vertikalen Ebene modellieren, wenn Sie uns sagen, dass diese Tiere sich in der horizontalen Ebene bewegen?" Das ist eine gute Frage. In der Biologie hat es nie jemand so modelliert. Wir nahmen ihren Rat an und modellierten die sich bewegenden Tiere auch in der horizontalen Ebene. Wir nahmen ihre drei Beine, fassten sie zu einem zusammen. Wir hatten einige der weltbesten Mathematiker von Princeton, um an diesem Problem zu arbeiten. Und wir waren in der Lage, ein Modell zu schaffen, wo Tiere nicht nur auf und ab sprangen, sondern auch zur gleichen Zeit seitwärts. Und viele Organismen passen in dieses Muster. Nun, warum ist so ein Modell wichtig? Weil es sehr interessant ist. Wenn Sie dieses Modell nehmen und Sie stören es, geben ihm einen Stoß, als ob es in etwas hineinläuft, stabilisiert es sich selbst, ohne Gehirn und ohne Reflexe, nur durch die Struktur allein. Es ist ein wunderschönes Modell. Schauen wir uns die Mathematik an.
Now, what's interesting is the animals, then -- we said -- bounce along the vertical plane this way, and in our collaborations with Pixar, in "A Bug's Life," we discussed the bipedal nature of the characters of the ants. And we told them, of course, they move in another plane as well. And they asked us this question. They say, "Why model just in the sagittal plane or the vertical plane, when you're telling us these animals are moving in the horizontal plane?" This is a good question. Nobody in biology ever modeled it this way. We took their advice and we modeled the animals moving in the horizontal plane as well. We took their three legs, we collapsed them down as one. We got some of the best mathematicians in the world from Princeton to work on this problem. And we were able to create a model where animals are not only bouncing up and down, but they're also bouncing side to side at the same time. And many organisms fit this kind of pattern. Now, why is this important to have this model? Because it's very interesting. When you take this model and you perturb it, you give it a push, as it bumps into something, it self-stabilizes, with no brain or no reflexes, just by the structure alone. It's a beautiful model. Let's look at the mathematics.
(Lachen)
(Laughter)
Das ist genug!
That's enough!
(Lachen)
(Laughter)
Wenn Sie die Tiere beim Laufen beobachten, scheinen sie selbst-stabilisierend zu sein, wie dieses, weil ihre Beine im Prinzip federn. Die Beine können ihre eigenen Berechnungen ausführen; die Steuerungsalgorithmen sind sozusagen in die Form des Tieres selbst eingebettet. Warum wurden wir nicht mehr von der Natur und Entdeckungen dieser Art inspiriert? Nun, ich würde behaupten, dass menschliche Technologien wirklich anders als natürliche Technologien sind, zumindest waren sie es bisher. Denken Sie an die typische Art von Roboter, die man sieht. Menschliche Technologien waren eher groß und flach, mit rechten Winkeln, steif, aus Metall bestehend. Sie haben rollende Elemente und Achsen. Es gibt sehr wenige Motoren oder Sensoren. Die Natur dagegen ist eher klein und kurvig, und biegt und windet sich und hat stattdessen Beine und Anhängsel und viele Muskeln und viele, viele Sensoren. Es ist also ein ganz anderes Design. Doch was sich verändert, was wirklich spannend ist – ich zeige Ihnen gleich etwas darüber – ist, wenn die menschliche Technologie mehr von den Eigenschaften der Natur annimmt, dann kann die Natur wirklich ein viel nützlicherer Lehrer werden.
The animals, when you look at them running, appear to be self-stabilizing like this, using basically springy legs. That is, the legs can do computations on their own; the control algorithms, in a sense, are embedded in the form of the animal itself. Why haven't we been more inspired by nature and these kinds of discoveries? Well, I would argue that human technologies are really different from natural technologies, at least they have been so far. Think about the typical kind of robot that you see. Human technologies have tended to be large, flat, with right angles, stiff, made of metal. They have rolling devices and axles. There are very few motors, very few sensors. Whereas nature tends to be small, and curved, and it bends and twists, and has legs instead, and appendages, and has many muscles and many, many sensors. So it's a very different design. However, what's changing, what's really exciting -- and I'll show you some of that next -- is that as human technology takes on more of the characteristics of nature, then nature really can become a much more useful teacher.
Und hier ist ein Beispiel, das wirklich aufregend ist. Dies ist eine Zusammenarbeit mit Stanford. Und sie entwickelten diese neue Technik, genannt Shape-Deposition Manufacturing. Das ist eine Technik, bei der sie Materialien mischen und in jede beliebige Form gießen und dabei auch die Werkstoffeigenschaften bestimmen können. Sie können Sensoren und Aktoren direkt in die Form einbetten. Zum Beispiel, hier ist ein Bein: der klare Teil ist steif, der weiße Teil flexibel und sie brauchen keine Achsen oder so etwas. Es beugt sich von selbst wunderbar. Also, man kann diese Eigenschaften einbauen. Es hat sie inspiriert, dieses Design anhand eines kleinen Roboters, der Sprawl heißt, vorzuführen. Unsere Arbeit hat auch einen anderen Roboter inspiriert, einen biologisch-inspirierten hüpfenden Roboter von der University of Michigan und McGill, RHex genannt, für Roboter Hexapod, und dieser ist autonom. Beginnen wir mit dem Video und lassen Sie mich Ihnen einige dieser Tiere in Bewegung zeigen, und dann einige der einfachen Roboter, die von unseren Entdeckungen inspiriert wurden. Hier ist etwas, was einige von Ihnen heute morgen getan haben, obwohl Sie es draußen getan haben, nicht auf einem Laufband. Hier ist, was wir tun.
And here's one example that's really exciting. This is a collaboration we have with Stanford. And they developed this new technique, called Shape Deposition Manufacturing. It's a technique where they can mix materials together and mold any shape that they like, and put in the material properties. They can embed sensors and actuators right in the form itself. For example, here's a leg: the clear part is stiff, the white part is compliant, and you don't need any axles there or anything. It just bends by itself beautifully. So, you can put those properties in. It inspired them to show off this design by producing a little robot they named Sprawl. Our work has also inspired another robot, a biologically inspired bouncing robot, from the University of Michigan and McGill named RHex, for robot hexapod, and this one's autonomous. Let's go to the video, and let me show you some of these animals moving and then some of the simple robots that have been inspired by our discoveries. Here's what some of you did this morning, although you did it outside, not on a treadmill. Here's what we do.
(Lachen)
(Laughter)
Dies ist eine Totenkopfschabe. Das ist eine amerikanische Schabe, von der Sie denken, Sie haben sie nicht in Ihrer Küche. Dies ist ein achtbeiniger Skorpion, eine sechsbeinige Ameise, ein vierundvierzigbeiniger Tausendfüßler. Nun sagte ich, all diese Tiere funktionieren etwa wie Pogo-Stäbe – sie hüpfen vorwärts, wenn sie sich bewegen. Und Sie können das bei dieser Geist-Krabbe sehen, von den Stränden von Panama und North Carolina. Sie kommt beim Laufen auf bis zu vier Metern pro Sekunde. Tatsächlich springt sie in die Luft und schwebt dann phasenweise, wie ein Pferd, und Sie sehen sie hier hüpfen. Was wir entdeckt haben, ist, ob man das Bein eines Menschen betrachtet wie Richard, oder das einer Schabe oder einer Krabbe oder eines Kängurus, die relative Beinsteifheit dieser Feder ist gleich für alle, die wir bis jetzt gesehen haben. Nun, warum dann federnde Beine? Was können sie tun? Nun, wir wollten sehen, ob sie den Tieren mehr Stabilität und Wendigkeit ermöglichen. Also bauten wir ein Gelände mit Hindernissen, dreimal so hoch wie die Hüfthöhe der Tiere, die wir untersuchten. Und wir waren sicher, sie könnten das nicht tun. Und hier ist, was sie taten. Das Tier lief darüber und ist nicht einmal langsamer geworden! Es verminderte seine bevorzugte Geschwindigkeit überhaupt nicht. Wir konnten nicht glauben, dass es das tun konnte. Es zeigt uns, dass, wenn man einen Roboter mit sehr einfachen, federnden Beinen bauen könnte, man ihn so wendig machen könnte, wie alles was bisher gebaut worden ist.
This is a death's head cockroach. This is an American cockroach you think you don't have in your kitchen. This is an eight-legged scorpion, six-legged ant, forty-four-legged centipede. Now, I said all these animals are sort of working like pogo sticks -- they're bouncing along as they move. And you can see that in this ghost crab, from the beaches of Panama and North Carolina. It goes up to four meters per second when it runs. It actually leaps into the air, and has aerial phases when it does it, like a horse, and you'll see it's bouncing here. What we discovered is whether you look at the leg of a human like Richard, or a cockroach, or a crab, or a kangaroo, the relative leg stiffness of that spring is the same for everything we've seen so far. Now, what good are springy legs then? What can they do? Well, we wanted to see if they allowed the animals to have greater stability and maneuverability. So, we built a terrain that had obstacles three times the hip height of the animals that we're looking at. And we were certain they couldn't do this. And here's what they did. The animal ran over it and it didn't even slow down! It didn't decrease its preferred speed at all. We couldn't believe that it could do this. It said to us that if you could build a robot with very simple, springy legs, you could make it as maneuverable as any that's ever been built.
Hier ist das erste Beispiel davon. Das ist Sprawl, der Stanford Shape Deposition Manufacturing Roboter. Er hat sechs Beine – es sind die getunte, federnde Beine. Sein Gang gleicht dem eines Insekts und hier läuft er auf dem Laufband. Nun, was bei diesem Roboter im Vergleich zu anderen Robotern wichtig ist, ist, dass er nichts sehen kann, er kann nichts fühlen, er hat kein Gehirn, aber er kann ohne jede Schwierigkeiten über diese Hindernisse manövrieren. Es ist diese Technik, wo man die Eigenschaften direkt in die Struktur einbaut. Dies ist ein Student. Das tut er für seine Diplomarbeit – sehr robust, wenn ein Student das für seine Diplomarbeit macht.
Here's the first example of that. This is the Stanford Shape Deposition Manufactured robot, named Sprawl. It has six legs -- there are the tuned, springy legs. It moves in a gait that an insect uses, and here it is going on the treadmill. Now, what's important about this robot, compared to other robots, is that it can't see anything, it can't feel anything, it doesn't have a brain, yet it can maneuver over these obstacles without any difficulty whatsoever. It's this technique of building the properties into the form. This is a graduate student. This is what he's doing to his thesis project -- very robust, if a graduate student does that to his thesis project.
(Lachen)
(Laughter)
Das ist von der McGill und der Universität von Michigan. Das ist der RHex, auf seinem ersten Ausflug bei einer Vorführung.
This is from McGill and University of Michigan. This is the RHex, making its first outing in a demo.
(Lachen)
(Laughter)
Gleiches Prinzip: er hat nur sechs bewegliche Teile, sechs Motoren, aber er hat federnde, abgestimmte Beine. Er bewegt sich in der Gangart des Insekts. Das mittlere Bein bewegt sich synchron mit dem vorderen und dem hinteren Bein auf der anderen Seite. Es ist eine Art alternierendes Dreibein, und sie können mit Hindernissen genauso wie ein Tier umgehen.
Same principle: it only has six moving parts, six motors, but it has springy, tuned legs. It moves in the gait of the insect. It has the middle leg moving in synchrony with the front, and the hind leg on the other side. Sort of an alternating tripod, and they can negotiate obstacles just like the animal.
(Lachen)
(Laughter)
(Stimme: Mein Gott.)
(Voice: Oh my God.)
(Applaus)
(Applause)
Robert Full: Es wird auf verschiedenen Oberflächen gehen – hier ist Sand – obwohl wir die Füße noch nicht perfektioniert haben, aber ich werde darüber später sprechen. Hier ist RHex, der in den Wald geht.
Robert Full: It'll go on different surfaces -- here's sand -- although we haven't perfected the feet yet, but I'll talk about that later. Here's RHex entering the woods.
(Lachen)
(Laughter)
Noch einmal, dieser Roboter kann nichts sehen, kann nichts fühlen, hat kein Gehirn. Er funktioniert einfach mit einem abgestimmten mechanischen System, mit sehr einfachen Teilen, aber inspiriert von der grundlegenden Dynamik des Tieres. (Stimme: Ah, ich liebe ihn, Bob.) RF: Hier geht er einen Weg hinunter. Ich stellte dies dem Jet Propulsion Lab der NASA vor und sie sagten, dass sie nicht die Fähigkeit hätten in Krater abzusteigen um nach Eis zu suchen, und letztlich nach Leben auf dem Mars. Und er sagte – besonders mit Robotern mit Beinen, weil sie viel zu kompliziert seien. Nichts kann das tun. Und dann redete ich. Ich zeigte ihnen dieses Video mit dem schlichten Design des RHex hier. Und nur um sie zu überzeugen, dass wir 2011 zum Mars fliegen sollten, tönte ich das Video orange, nur um ihnen das Gefühl zu geben, auf dem Mars zu sein.
Again, this robot can't see anything, it can't feel anything, it has no brain. It's just working with a tuned mechanical system, with very simple parts, but inspired from the fundamental dynamics of the animal. (Voice: Ah, I love him, Bob.) RF: Here's it going down a pathway. I presented this to the jet propulsion lab at NASA, and they said that they had no ability to go down craters to look for ice, and life, ultimately, on Mars. And he said -- especially with legged-robots, because they're way too complicated. Nothing can do that. And I talk next. I showed them this video with the simple design of RHex here. And just to convince them we should go to Mars in 2011, I tinted the video orange just to give them the sense of being on Mars.
(Lachen)
(Laughter)
(Applaus)
(Applause)
Ein weiterer Grund, warum Tiere außergewöhnliche Leistung erbringen, und überall hingehen können, ist ihre effektive Interaktion mit der Umwelt. Das Tier, das ich Ihnen zeigen werde, welches wir untersucht haben, ist der Gecko. Wir haben einen hier. Beachten Sie seine Position. Es hält sich fest. Jetzt habe ich eine Herausforderung für Sie. Ich zeige Ihnen ein Video. Eines der Tiere läuft auf der Ebene, und das andere läuft eine Wand hinauf. Welches ist welches? Sie laufen mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde. Wie viele glauben, dass der auf der linken Seite, die Wand hochläuft?
Another reason why animals have extraordinary performance, and can go anywhere, is because they have an effective interaction with the environment. The animal I'm going to show you, that we studied to look at this, is the gecko. We have one here and notice its position. It's holding on. Now I'm going to challenge you. I'm going show you a video. One of the animals is going to be running on the level, and the other one's going to be running up a wall. Which one's which? They're going at a meter a second. How many think the one on the left is running up the wall?
(Applaus)
(Applause)
Okay. Der Punkt ist, es ist wirklich schwer zu sagen, nicht wahr? Es ist unglaublich, Studenten haben es versucht und sie konnten es nicht sagen. Sie können eine Wand hochlaufen, 1 Meter pro Sekunde, 15 Schritte pro Sekunde, und sie sehen aus, als ob sie auf der Ebene laufen. Wie schaffen sie das? Es ist einfach phänomenal. Der eine auf der rechten Seite lief den Hügel hinauf. Wie schaffen sie es? Sie haben bizarre Zehen. Sie haben Zehen, die sich strecken wie eine Partytröte, wenn man hineinbläst, und sich dann von der Oberfläche lösen, wie Klebeband. Wenn wir jetzt ein Stück Klebeband hätten, würden wir es auf diese Art ablösen. Sie tun dies mit ihren Zehen. Es ist bizarr! Dieses Ablösen inspirierte iRobot – mit denen wir zusammenarbeiten – dazu Mecho-Geckos zu bauen. Hier ist eine zweibeinige Version und eine Traktor- oder Bulldozer-Version. Sehen wir uns in ein paar Videos an, wie einige der Geckos sich bewegen, und dann zeige ich Ihnen ein Stück eines Clips mit Robotern. Hier läuft der Gecko auf einer senkrechten Fläche hoch. Dort geht er, in Echtzeit. Dort geht er wieder. Offensichtlich müssen wir dies ein wenig langsamer machen.
Okay. The point is it's really hard to tell, isn't it? It's incredible, we looked at students do this and they couldn't tell. They can run up a wall at a meter a second, 15 steps per second, and they look like they're running on the level. How do they do this? It's just phenomenal. The one on the right was going up the hill. How do they do this? They have bizarre toes. They have toes that uncurl like party favors when you blow them out, and then peel off the surface, like tape. Like if we had a piece of tape now, we'd peel it this way. They do this with their toes. It's bizarre! This peeling inspired iRobot -- that we work with -- to build Mecho-Geckos. Here's a legged version and a tractor version, or a bulldozer version. Let's see some of the geckos move with some video, and then I'll show you a little bit of a clip of the robots. Here's the gecko running up a vertical surface. There it goes, in real time. There it goes again. Obviously, we have to slow this down a little bit.
Man kan keine normalen Kameras benutzen. Man muss 1.000 Bilder pro Sekunde machen, um es zu sehen. Und hier ist ein Video mit 1.000 Bildern pro Sekunde. Nun möchte ich, dass Sie den Rücken des Tieres ansehen. Sehen Sie, wie stark es sich biegt? Wir kommen nicht drauf – das ist ein ungelöstes Rätsel. Wir wissen nicht, wie es funktioniert. Wenn Sie einen Sohn oder eine Tochter haben, die nach Berkeley kommen wollen, kommen Sie in mein Labor und wir werden dies herausfinden. Okay, senden Sie sie nach Berkeley, weil das ist das Nächste, das ich tun möchte. Hier ist das Gecko-Laufband.
You can't use regular cameras. You have to take 1,000 pictures per second to see this. And here's some video at 1,000 frames per second. Now, I want you to look at the animal's back. Do you see how much it's bending like that? We can't figure that out -- that's an unsolved mystery. We don't know how it works. If you have a son or a daughter that wants to come to Berkeley, come to my lab and we'll figure this out. Okay, send them to Berkeley because that's the next thing I want to do. Here's the gecko mill.
(Lachen)
(Laughter)
Es ist ein durchsichtiges Gerät mit einem durchsichtigen Laufband, damit wir die Füße des Tieres sehen können und sie durch das Laufband filmen können, um zu beobachten, wie sie sich bewegen. Hier ist das Tier, welches wir hier haben, es läuft auf einer vertikalen Oberfläche. Wählen Sie einen Fuß, und sehen Sie, ob Sie beobachten können, was das Tier mit einem Zeh macht. Sehen Sie, wie es diese Zehen streckt und dann ablöst. Es kann dies in 14 Millisekunden machen. Es ist unglaublich. Hier sind die Roboter, die sie inspirieren, die Mecho-Geckos von iRobot. Zuerst werden wir sehen, wie die Tiere die Zehen ablösen – sehen Sie mal an. Und hier ist die Ablöseaktion des Mecho-Gecko. Er macht das mit einem druckempfindlichen Klebstoff. Ablösen bei dem Tier. Ablösen beim Mecho-Gecko – welches es ihnen erlaubt, selbständig zu klettern. Er kann auf der flachen Oberfläche gehen, herüber zu einer Wand, und dann an die Decke. Da ist die Bulldozer-Version. Nun, sie verwendet keinen druckempfindlichen Klebstoff. Das Tier benutzt das nicht. Aber das ist das, worauf wir im Moment beschränkt sind.
It's a see-through treadmill with a see-through treadmill belt, so we can watch the animal's feet, and videotape them through the treadmill belt, to see how they move. Here's the animal that we have here, running on a vertical surface. Pick a foot and try to watch a toe, and see if you can see what the animal's doing. See it uncurl and then peel these toes. It can do this in 14 milliseconds. It's unbelievable. Here are the robots that they inspire, the Mecho-Geckos from iRobot. First we'll see the animals toes peeling -- look at that. And here's the peeling action of the Mecho-Gecko. It uses a pressure-sensitive adhesive to do it. Peeling in the animal. Peeling in the Mecho-Gecko -- that allows them climb autonomously. Can go on the flat surface, transition to a wall, and then go onto a ceiling. There's the bulldozer version. Now, it doesn't use pressure-sensitive glue. The animal does not use that. But that's what we're limited to, at the moment.
Was tut das Tier? Das Tier hat komische Zehen. Und wenn Sie die Zehen ansehen, haben sie diese kleinen Blätter, und wenn man sie vergrößert und hineinzoomt, sieht man dass es kleine Schlieren in diesen Blättern gibt. Und wenn man 270-mal vergrößert, sieht man, dass es wie ein Teppich aussieht. Und wenn man das 900-mal vergrößert, sieht man winzige Haare. Und wenn Sie sie sorgfältig ansehen, bemerken Sie, dass diese winzigen Härchen Riefen haben. Und wenn man 30.000-fach hineinzoomt, sieht man, jedes Haar hat gespaltene Enden. Und wenn man diese vergrößert, sieht man kleine Strukturen am Ende. Der kleinste Zweig der Haare sieht aus wie ein Spachtel, und so ein Tier hat eine Milliarde dieser gespaltenen Enden in Nano-Größe, um ganz nah an die Oberfläche zu kommen. Eigentlich ist das hier der Durchmesser ihrer Haare – ein Gecko hat zwei Millionen davon und jedes Haar hat 100 bis 1.000 gespaltene Enden. Stellen Sie sich vor, welcher Kontakt dadurch möglich ist.
What does the animal do? The animal has weird toes. And if you look at the toes, they have these little leaves there, and if you blow them up and zoom in, you'll see that's there's little striations in these leaves. And if you zoom in 270 times, you'll see it looks like a rug. And if you blow that up, and zoom in 900 times, you see there are hairs there, tiny hairs. And if you look carefully, those tiny hairs have striations. And if you zoom in on those 30,000 times, you'll see each hair has split ends. And if you blow those up, they have these little structures on the end. The smallest branch of the hairs looks like spatulae, and an animal like that has one billion of these nano-size split ends, to get very close to the surface. In fact, there's the diameter of your hair -- a gecko has two million of these, and each hair has 100 to 1,000 split ends. Think of the contact of that that's possible.
Wir hatten das Glück mit einer weiteren Gruppe aus Stanford zu arbeiten, die uns einen speziellen MEMS Sensor gebaut hat, mit dem wir die Kraft eines einzelnen Haares messen konnten. Hier ist ein einzelnes Haar mit einem gespaltenen Ende. Als wir die Kräfte gemessen haben, waren sie riesig. Sie waren so groß, dass ein Stück Haare von der Größe eines Geckofußes das Gewicht eines kleinen Kindes von etwa 20 kg leicht tragen kann. Nun, wie schaft er das? Wir haben das vor Kurzem entdeckt. Machen sie es mittels Reibung? Nein, die Kraft ist zu niedrig. Machen sie es mit Elektrostatik? Nein, man kann die Ladung ändern – sie bleiben noch immer am Fleck. Machen sie es durch Verzahnen? So wie Velcro. Nein, man kann sie auf eine molekular glatte Oberfläche setzen – sie machen es nicht. Vielleicht mit Saugen? Nein, sie bleiben im Vakuum haften. Was ist mit Nasshaftung? Oder Kapillarhaftung? Sie haben keinen Klebstoff und sie kleben auch unter Wasser ganz gut. Wenn Sie ihre Füße unter Wasser bringen, haften sie auch dort. Wie machen sie es dann? Glauben Sie es oder nicht, die Haftung kommt von zwischenmolekularen Kräfte, von den Van der Waals-Kräften.
We were fortunate to work with another group at Stanford that built us a special manned sensor, that we were able to measure the force of an individual hair. Here's an individual hair with a little split end there. When we measured the forces, they were enormous. They were so large that a patch of hairs about this size -- the gecko's foot could support the weight of a small child, about 40 pounds, easily. Now, how do they do it? We've recently discovered this. Do they do it by friction? No, force is too low. Do they do it by electrostatics? No, you can change the charge -- they still hold on. Do they do it by interlocking? That's kind of a like a Velcro-like thing. No, you can put them on molecular smooth surfaces -- they don't do it. How about suction? They stick on in a vacuum. How about wet adhesion? Or capillary adhesion? They don't have any glue, and they even stick under water just fine. If you put their foot under water, they grab on. How do they do it then? Believe it or not, they grab on by intermolecular forces, by Van der Waals forces.
Sie wissen schon, Sie hatten das wahrscheinlich vor langer Zeit in Chemie, wo man diese beiden Atome hatte, die nahe beieinander sind, und die Elektronen bewegen sich rundherum. Diese winzige Kraft genügt, um ihnen zu ermöglichen, das zu tun, weil sie sich innerhalb dieser kleinen Strukturen so viele Male aufaddiert. Was wir machen, ist, wir nehmen die Haare als Vorbild, und stellen sie zusammen mit einem anderen Kollegen aus Berkeley her. Gerade kürzlich ist uns ein Durchbruch gelungen, wo wir jetzt glauben, dass wir den ersten synthetischen, selbstreinigenden Trockenkleber erzeugen können. Viele Firmen sind darin interessiert.
You know, you probably had this a long time ago in chemistry, where you had these two atoms, they're close together, and the electrons are moving around. That tiny force is sufficient to allow them to do that because it's added up so many times with these small structures. What we're doing is, we're taking that inspiration of the hairs, and with another colleague at Berkeley, we're manufacturing them. And just recently we've made a breakthrough, where we now believe we're going to be able to create the first synthetic, self-cleaning, dry adhesive. Many companies are interested in this.
(Lachen)
(Laughter)
Wir haben es sogar Nike vorgestellt.
We also presented to Nike even.
(Lachen)
(Laughter)
(Applaus)
(Applause)
Wir werden sehen, wohin es führt. Wir waren darüber so begeistert, dass wir erkannten, dass der kleine Maßstab – und wo alles klebrig wird und die Schwerkraft keine Rolle mehr spielt – wir uns mit Ameisen und deren Füße beschäftigen müssten, weil einer meiner Kollegen in Berkeley einen Sechs-Millimeter-Silikon-Roboter mit Beinen gebaut hat. Aber er bleibt stecken. Er bewegt sich nicht sehr gut. Aber die Ameisen schon und wir werden herausfinden warum, damit wir am Ende auch diesen Schritt machen. Und stellen Sie sich vor: Sie werden Schwärme dieser sechs-Millimeter-Roboter zur Verfügung haben, die herumlaufen können. Wohin führt das? Ich glaube, Sie können es schon erkennen.
We'll see where this goes. We were so excited about this that we realized that that small-size scale -- and where everything gets sticky, and gravity doesn't matter anymore -- we needed to look at ants and their feet, because one of my other colleagues at Berkeley has built a six-millimeter silicone robot with legs. But it gets stuck. It doesn't move very well. But the ants do, and we'll figure out why, so that ultimately we'll make this move. And imagine: you're going to be able to have swarms of these six-millimeter robots available to run around. Where's this going? I think you can see it already.
Klar, das Internet hat bereits Augen und Ohren, es gibt schon Web-Kameras und so weiter. Aber es wird auch Beine und Arme haben. Sie werden durch diese Art von Robotern programmierbare Arbeit erledigen können, so dass Sie überall hin laufen, fliegen und schwimmen können. Wir sahen, dass David Kelly mit seinem Fisch hierbei am Anfang ist. So, zum Schluss, denke ich, die Botschaft ist klar. Wenn Sie eine Nachricht benötigen, wenn die Natur nicht ausreicht, wenn Sie sich für Suche und Rettung oder Minenräumung oder Medizin interessieren oder für die verschiedenen Dinge, an denen wir gerade arbeiten, müssen wir das Design der Natur erhalten, sonst werden diese Geheimnisse für immer verloren sein. Vielen Dank.
Clearly, the Internet is already having eyes and ears, you have web cams and so forth. But it's going to also have legs and hands. You're going to be able to do programmable work through these kinds of robots, so that you can run, fly and swim anywhere. We saw David Kelly is at the beginning of that with his fish. So, in conclusion, I think the message is clear. If you need a message, if nature's not enough, if you care about search and rescue, or mine clearance, or medicine, or the various things we're working on, we must preserve nature's designs, otherwise these secrets will be lost forever. Thank you.
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