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?
ברוכים הבאים. אפשר להציג את השקופית הראשונה בבקשה? בניגוד לחישובים של כמה מהנדסים, דבורים יכולות לעוף, דולפינים יכולים לשחות, ושממיות יכולות לטפס אפילו על המשטחים החלקים ביותר. ברצוני לנצל את הזמן הקצר העומד לרשותי כדי לנסות לאפשר לכל אחד מכם להתנסות במידת מה, בהנאה שבגילוי העיצובים של הטבע. אני זוכה לכך באופן קבוע, וזה פשוט נפלא. ברצוני לנסות לשתף אתכם קצת בעזרת המצגת הזאת. האתגר בהתבוננות בעיצובים של הטבע -- אספר לכם על צורת ההסתכלות שלנו על הנושא, ועל הדרך בה יישמנו אותו. האתגר הוא, כמובן, לענות על השאלה הבאה: מה מאפשר את הביצועים יוצאי הדופן של החיות שיכולות למעשה לנוע לכל מקום? ואם נוכל להבין זאת, איך נוכל ליישם את העיצובים האלה?
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.
ביולוגים רבים יגידו למהנדסים ולאנשים אחרים, שלאורגניזמים היו מיליוני שנים כדי לסדר את העניינים, הם עוצרי נשימה, הם יכולים לעשות כל דבר בצורה טובה להפליא. והתשובה היא, אם כן, ביומימיקה -- פשוט לחקות ישירות את הטבע. אבל, מעבודה עם חיות אנו יודעים שהאמת היא שזה בדיוק מה שלא נרצה לעשות. האבולוציה עובדת על העקרון של להיות טוב דיך, ולא על עקרון המושלמות. המגבלות בבניה של אורגניזם כלשהו הן נוקשות ביותר. לטכנולוגיות טבעיות יש מגבלות עצומות. חשבו על כך. נניח שהנכם מהנדסים ואני מטיל עליכם לבנות מכונית, שצריכה להתחיל בגודל הזה, ואז עליה לצמוח לגודלה המלא, ועליה להיות במצב פעולה במשך כל השלבים בדרך. נניח שהייתם בונים מכונית, והייתי אומר לכם שעליכם להתקין בה בית חרושת שיאפשר לכם לייצר מכונית נוספת.
(Laughter)
(צחוק)
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.
ולעולם לא תוכלו, לעולם לא, בגלל ההיסטוריה והתוכנית התורשתית, להתחיל עם לוח חלק. לאורגניזמים יש היסטוריה חשובה. האבולוציה עובדת יותר כמו תיקונצ'יק מאשר כמו מהנדס, חשוב מאוד לזכור זאת כשמתחילים להתבונן בבעלי החיים. במקום זאת, אנו מאמינים שהביולוגיה צריכה להיות מקור ההשראה שלנו. עלינו לגלות את העקרונות הכלליים של הטבע, ולהשתמש באנלוגיות האלה כאשר ניתן להפיק מהן תועלת. זהו אתגר אמיתי מכיוון שבעלי החיים - כשמתחילים להתבונן בהם לעומק, ובדרך בה הם פועלים, נראים מורכבים עד כדי ייאוש. אין הסטוריה מפורטת של תוכניות העיצוב, לא ניתן למצוא אותן בשום מקום. יש להם יותר מדי תנועות במפרקים שלהם ויותר מדי שרירים, אפילו לחיה הפשוטה ביותר שתעלה בדעתנו, כמו חרק. מספר הנוירונים והחיבורים שלהם הוא מעבר לכל דמיון.
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.
איך אפשר להבין מה הולך שם? ובכן, אנחנו האמנו והעלנו השערה שדרך אחת בה בעלי החיים יכולים לפעול בצורה פשוטה היא אם השליטה על התנועות שלהם מובנית בגוף שלהם עצמו. גילינו שבעלי חיים בעלי 2, 4, 6 ו-8 רגליים, כולם הפעילו כוחות זהים על האדמה כאשר הם נעו. כולם פועלים כמו הקנגרו הזה, הם מנתרים. ניתן לבנות עבורם מודל ע"י מערכת קפיץ-מסה שנקראת כך מכיוון שאנחנו ביו-מכונאים, למעשה זהו מקל פוגו. כולם יוצרים את הדפוס של מקל הפוגו. איך זה קורה? אצל בני האדם - רגל אחת עובדת כמו 2 רגליים של כלב שרץ ריצה קלה, או כמו 3 רגליים של חרק שרץ ריצה קלה, או כמו 4 רגליים של סרטן שרץ ריצה קלה. ואז הן מתחלפות זו עם זו בכוח ההנעה שלהן. הדפוסים זהים כמעט בכל האורגניזמים שבדקנו. בשבוע הבא תראו - אתן לכם רמז, יצא לאור מאמר שאומר שדברים גדולים מאוד, כמו טי-רקס, כנראה לא היו מסוגלים לבצע זאת, אבל תראו זאת בשבוע הבא.
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.
אמרנו שהחיות מנתרות כך במישור האנכי. בשיתופי הפעולה שלנו עם פיקסאר ב"באג לייף", דנו בטבע הדו-רגלי של דמויות הנמלים. אמרנו שהן נעות גם במישור אחר, והם שאלו את השאלה הבאה. הם אמרו, "למה לבנות מודל רק במישור הסגיטלי או במישור האנכי, כאשר אתם אומרים לנו שהחיות האלה נעות במישור האופקי?" זאת שאלה טובה. אף אחד מעולם לא בנה מודל כזה בביולוגיה. שמענו בעצתם ובנינו מודל בו החיות נעות גם במישור האופקי. לקחנו 3 רגליים שלהן, ואיחדנו אותן לרגל אחת. גייסנו את טובי המתמטיקאים בעולם מפרינסטון לעבוד על הבעיה הזאת. והצלחנו לבנות מודל בו החיות לא רק מנתרות מעלה ומטה, אלא הן מנתרות באותו הזמן גם מצד לצד. אורגניזמים רבים מתאימים לדפוס הזה. מדוע יש למודל הזה חשיבות? מכיוון שהוא מאוד מעניין. כשלוקחים את המודל הזה ומפריעים לו, נותנים לו דחיפה כאילו הוא נתקל במשהו, הוא מייצב את עצמו, בלי מוח, בלי רפלקסים, רק באמצעות המבנה. זהו מודל יפהפה. בואו נתבונן במתמטיקה.
(Laughter)
(צחוק)
That's enough!
מספיק.
(Laughter)
(צחוק)
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.
כשמתבוננים בחיות רצות נראה שהן מייצבות את עצמן בדרך הזאת, באמצעות רגליים קפיציות. כלומר, הרגליים יכולות לבצע חישובים משל עצמן, ואלגוריתמי השליטה מוטמעים במבנה של החיה. למה לא שאבנו יותר השראה מהטבע ומתגליות מהסוג הזה? אני טוען שהטכנולוגיות האנושיות שונות מאוד מטכנולוגיות טבעיות. לפחות זה היה המצב עד עתה. חשבו על הרובוט הטיפוסי בו אתם נתקלים. טכנולוגיות אנושיות נטו להיות גדולות, שטוחות, עם זוויות ישרות, נוקשות, ובנויות ממתכת. יש להן גלגלים וצירים. יש להן מעט מאוד מנועים ומעט מאוד חיישנים. בעוד שהטבע נוטה להיות קטן, עם קימורים. הוא מתקפל ומתפתל ויש לו רגליים ותוספות. יש לו שרירים רבים וחיישנים רבים. כלומר זהו עיצוב שונה לחלוטין. אבל, מה שמשתנה, מה שבאמת מרגש, -- ואציג בפניכם חלק מהדברים -- זה שהטכנולוגיה האנושית רוכשת יותר תכונות של הטבע, והטבע יכול להיות מורה הרבה יותר שימושי.
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.
אציג בפניכם דוגמא אחת מאוד מרגשת. זהו שיתוף פעולה שלנו עם סטאנפורד. הם פיתחו טכניקה חדשה הנקראת ייצור בשיקוע צורות. זוהי טכניקה בה הם יכולים לערבב חומרים, לעצב כל צורה כרצונם, ולקבוע את תכונות החומר. הם יכולים להכניס חיישנים ומפעילים לתוך הצורה עצמה. לדוגמא, זוהי רגל -- החלק השקוף נוקשה, החלק הלבן גמיש, ואין צורך להשתמש בצירים. היא פשוט מתכופפת בעצמה באופן יפהפה. אפשר להכניס לתוכה את התכונות. היא היוותה מקור השראה לבניית רובוט קטן שכונה בשם ספרול. העבודה שלנו היוותה מקור השראה גם לרובוט מנתר שנבנה בהשראה ביולוגית, באוניברסיטת מישיגן ומקגיל. הוא נקרא רהקס -רובוט הקספוד. רובוט זה הוא אוטונומי בעל 6 רגליים. נעבור לסרט בו אציג בפניכם חלק מהחיות האלה בתנועה, ולאחר מכן את חלק מהרובוטים הפשוטים שנבנו בהשראת התגליות שלנו. זה מה שחלקכם עשה הבוקר, למרות שאתם עשיתם זאת בחוץ ולא על הליכון. זה מה שאנו עושים.
(Laughter)
(צחוק)
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.
זהו תיקן גולגולת המת - תיקן אמריקאי שאתם חושבים שלא נמצא במטבח שלכם. אלו הם עקרב בעל 8 רגליים, נמלה בת 6 רגליים ומרבה רגליים עם 44 רגליים. החיות האלה נעות בדרך דומה למקלות הפוגו -- הן מנתרות בזמן התנועה וניתן לראות זאת בסרטן החולות הזה מחופי פנמה וצפון קרוליינה. בזמן שהוא רץ הוא מתקדם 4 מטרים בשניה. למעשה, הוא מזנק לאוויר ויש לו שלבים אוויריים בהם הוא מבצע זאת, כמו סוס. תראו אותו מנתר כאן. גילינו שבין אם מתבוננים ברגל של אדם כמו ריצ'ארד, או ברגל של מקק, או של סרטן, או של קנגרו, נוקשות הרגל היחסית של הקפיץ זהה עבור כל מי שראינו עד כה. מה התועלת ברגליים קפיציות? מה הן יכולות לבצע? רצינו לבדוק אם הן מעניקות לחיות יותר יציבות וכושר תמרון. בנינו שטח עם מכשולים בגובה פי 3 מגובה הירך של החיות שבדקנו, והיינו בטוחים שהן לא יצליחו. זה מה שהן עשו. החיה רצה מעליהם ואפילו לא האטה. היא כלל לא הפחיתה את המהירות המועדפת עליה. לא האמנו שהיא מסוגלת לעשות זאת. זה אמר לנו שאם נוכל לבנות רובוט עם רגליים קפיציות פשוטות מאוד, נוכל להקנות לו כושר תמרון בדומה לכל מה שנבנה בעבר.
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.
זוהי הדוגמא הראשונה לכך, זהו הרובוט של סטאנפורד שיוצר בשיקוע צורות, העונה לשם ספרול. יש לו 6 רגליים - אלו הן רגליים קפיציות מתואמות. צורת ההליכה שלו דומה לזאת של חרק. כאן הוא הולך על הליכון. מה שחשוב ברובוט הזה, בהשוואה לרובוטים אחרים, זה שהוא לא יכול לראות, הוא לא יכול לחוש, אין לו מוח, ולמרות זאת הוא יכול לתמרן בין המכשולים האלה ללא כל קושי. זוהי הטכניקה של בניית התכונות אל תוך הצורה. זהו סטודנט מחקר, וזה מה שהוא עושה עבור התיזה שלו. חסון מאוד אם סטודנט מחקר עושה זאת עבור התיזה שלו.
(Laughter)
(צחוק)
This is from McGill and University of Michigan. This is the RHex, making its first outing in a demo.
זה ממקגיל ומאוניברסיטת מישיגן, זהו הרהקס, באאוטינג הראשון שלו בהדגמה.
(Laughter)
(צחוק)
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.
אותו עקרון. יש לו רק 6 חלקים נעים. 6 מנועים, אבל יש לו רגליים קפיציות מתואמות. הוא נע כמו חרק. הרגל האמצעית שלו נעה בסנכרון עם הרגל הקדמית והרגל האחורית שבצד השני. כמו טריפוד מתחלף, והן יכולות להתמודד עם מכשולים בדיוק כמו החיה.
(Laughter)
(צחוק)
(Voice: Oh my God.)
אלוהים אדירים!
(Applause)
(מחיאות כפיים)
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.
הוא יכול ללכת על משטחים שונים, כאן זהו חול, למרות שהרגל שלו עדיין לא מושלמת, אבל אדבר על כך בהמשך. כאן רהקס נכנס אל היער.
(Laughter)
(צחוק)
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.
ושוב, הרובוט הזה לא רואה, ולא חש, ואין לו מוח. הוא רק עובד עם מערכת מכנית מתואמת עם חלקים מאוד פשוטים. אבל הוא נבנה בהשראת הדינמיקה הבסיסית של החיה. אה, אני אוהב אותו, בוב. כאן הוא הולך בשביל. הצגתי אותו למעבדת ההנעה הסילונית של נאס"א. והם אמרו שאין להם יכולת להכנס למכתשים לחפש קרח, ובסופו של דבר חיים, במאדים, בעיקר עם הרובוטים הרגליים כי הם מורכבים מדי. שום דבר לא יכול לבצע זאת. לאחר מכן אני דיברתי והראתי להם את הסרט הזה עם הדגם הפשוט של רהקס. וכדי לשכנע אותם שעלינו לנסוע למאדים ב-2011, צבעתי את הסרט בכתום רק כדי לתת להם תחושה של להיות על מאדים.
(Laughter)
(צחוק)
(Applause)
(מחיאות כפיים)
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?
סיבה נוספת לכך שלחיות יש ביצועים יוצאי דופן ושהן יכולות לנוע לכל מקום, היא התקשורת היעילה שלהן עם הסביבה. החיה שאציג בפניכם שחקרנו כדי לבדוק את הנושא היא השממית. שימו לב לתנוחה של השממית הזאת. היא נתלית לה שם. ועכשיו אציב בפניכם אתגר. אראה לכם סרט. חיה אחת תרוץ במישור, והשניה תרוץ במעלה קיר. עליכם לזהות אותן. הן מתקדמות בקצב של מטר בשניה. כמה חושבים שזאת משמאל רצה במעלה הקיר?
(Applause)
(מחיאות כפיים)
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.
הנקודה היא שקשה מאוד להבחין. לא? זה לא יאומן. גם סטודנטים לא יכלו להבדיל. הן יכולות לרוץ במעלה קיר במהירות של מטר בשניה, 15 צעדים בשניה, ונראה כאילו הן רצות במישור. איך הן עושות זאת? זה בלתי נתפש. זאת שמימין רצה למעלה. הן עושות זאת באמצעות בהונות מוזרים - יש להן בהונות שנפרשים כמו צפצפות נחש במסיבה כשנושפים בהן, ואז הם מתקלפים מהמשטח כמו נייר דבק. באותה צורה בה היינו מקלפים נייר דבק. הן מבצעות זאת בעזרת הבהונות שלהן. זה מוזר. הקילוף הזה היווה מקור השראה לחברת איי-רובוט שבונה איתנו שממיות-מכניות. יש גירסה עם רגליים וגירסת טרקטור, או גירסת בולדוזר. נתבונן בשממיות נעות בסרט הבא. לאחר מכן אציג בפניכם קליפ קצר של הרובוטים. השממית הזאת רצה במשטח אנכי. הנה היא בזמן אמת, הנה היא שוב. אין ספק שצריך לעבור להילוך איטי.
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.
לא ניתן להשתמש במצלמות רגילות. צריך לצלם 1,000 תמונות לשניה כדי לראות זאת. זהו סרט ב-1,000 מסגרות לשניה. תביטו על הגב של החיה. אתם רואים איך הוא מתכופף? לא הצלחנו למצוא את הסיבה לכך. זוהי תעלומה לא מפוענחת. אנחנו לא יודעים איך זה עובד. אם יש לכם בן או בת שרוצים לבוא לברקלי, בואו למעבדה שלי ונפענח זאת. אוקי, תשלחו אותם לברקלי כי זהו הדבר הבא שברצוני לעשות. זהו ההליכון של השממית.
(Laughter)
(צחוק)
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.
זהו הליכון שניתן לראות דרכו, עם חגורה שניתן לראות דרכה, כך אנו יכולים להתבונן ברגליים של החיות, ולצלם אותן דרך החגורה של ההליכון, ולראות איך הן נעות. זוהי החיה כשהיא רצה על משטח אנכי. בחרו רגל ונסו להתבונן בבוהן ולראות מה החיה עושה. היא פורשת ואז מקלפת את הבהונות. היא יכולה לעשות זאת תוך 14 מילי-שניות. זה לא יאומן. אלו הרובוטים שנבנו בהשראתן, השממיות-המכניות של איי-רובוט. תחילה נראה את הבהונות של החיה מתקלפים -- שימו לב. זוהי פעולת הקילוף של השממית-המכנית. היא משתמשת בדבק הרגיש ללחץ כדי לבצע זאת. קילוף בחיה, קילוף בשממית-המכנית, שמאפשר להן לטפס באופן אוטונומי. הן יכולות ללכת על משטח שטוח, לעבור לקיר, ואז להמשיך לתקרה. זאת גירסת הבולדוזר. החיה לא משתמשת בדבק רגיש ללחץ. היא לא משתמשת בכך. אבל אלו הן המגבלות שלנו כרגע.
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.
מה החיה עושה? יש לה בהונות מוזרים, ואם תבחנו את הבהונות תראו שיש עליהם עלים קטנים, אם נבצע זום ונגדיל אותם נוכל לראות בעלים האלה חריצים קטנים. בזום של פי 270 זה נראה כמו שטיח. ואם נמשיך להגדיל ונעבור לזום פי 900, נראה שערות, שערות קטנטנות, שגם בהן ניתן להבחין בחריצים. ואם נעבור לזום של פי 30,000, נראה שלכל שערה יש קצוות מפוצלים. ואם נגדיל אותם נראה שיש להם מבנים קטנים בקצה. הענף הקטן ביותר של השערות נראה כמו מרית. לחיה זו יש מיליארד קצוות מפוצלים בגודל נאנו כדי להתקרב מאוד אל המשטח. למעשה, זהו הקוטר של השיער שלכם, לשממית יש 2 מיליון כאלה, ולכל שערה יש בין 100 ל-1,000 קצוות מפוצלים. חישבו על המגע שדבר זה מאפשר.
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.
התמזל מזלנו לעבוד עם קבוצה נוספת בסטאנפורד שבנתה עבורנו חיישן מיוחד שאיפשר לנו למדוד את הכוח של כל שערה בודדת. זוהי שערה בודדת עם קצה מפוצל קטן. כשמדדנו את הכוחות - הם היו עצומים, הם היו כל כך גדולים שקבוצת שערות בערך בגודל הזה של רגל שממית יכלה לתמוך במשקל של ילד קטן, כ-20 קילו, בקלות. איך הן עושות זאת? לאחרונה גילינו את התשובה. באמצעות חיכוך? לא, הכוחות חלשים מדי. באמצעות אלקטרוסטטיקה? לא, בהחלפת המטען החשמלי הן עדיין מחזיקות מעמד. באמצעות שולבים בדומה לסקוטש? לא, אפשר להניח אותן על משטחים חלקים מבחינה מולקולרית. מה עם יניקה? הן נדבקות גם בוואקום. מה עם הידבקות רטובה? או הידבקות נימית? אין להן דבק והן נצמדות גם במים. אם מכניסים את הרגליים שלהן למים - הן ממשיכות להאחז. אז איך הן עושות זאת? תאמינו או לא, הן נאחזות באמצעות כוחות בין-מולקולאריים - כוחות ון דר ואלס.
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.
ודאי נתקלתם בהם בשיעורי הכימיה. אם שני אטומים קרובים זה לזה האלקטרונים נעים סביבם. הכוח הזעיר הזה מספיק כדי לאפשר להן לבצע זאת מכיוון שהוא מצטבר בכל המבנים הקטנים האלה. שאבנו השראה מהשערות, ובעזרת עמית נוסף מברקלי, אנחנו מייצרים אותן. רק לאחרונה היתה לנו פריצת דרך ועכשיו אנחנו מאמינים שנוכל לייצר את הדבק הסינטטי, המתנקה עצמית, היבש הראשון. חברות רבות מגלות בכך עניין.
(Laughter)
(צחוק)
We also presented to Nike even.
עשינו מצגת גם לנייק.
(Laughter)
(צחוק)
(Applause)
[דבקות במטרה] (מחיאות כפיים)
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.
נראה לאן זה יוביל. היינו מאוד נרגשים כשהבנו שבקנה המידה הקטן הזה, כאשר הכל נעשה דביק, כבר אין חשיבות לכוח המשיכה, רצינו לבחון את הרגליים של הנמלים, מכיוון שאחד מחברי בברקלי בנה רובוט סיליקון בגודל 6-מילימטרים עם רגליים. אבל הוא נתקע. הוא לא נע בצורה כל כך טובה. אבל הנמלים כן. אנחנו נפענח את הסיבה לכך, ובסופו של דבר נבצע את המהלך הזה. דמיינו לעצמכם שתוכלו להשיג נחילי רובוטים בגודל 6 מילימטרים שיתרוצצו מסביב. לאן זה מוביל? אני חושב שאתם כבר יכולים לראות זאת.
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.
לאינטרנט כבר יש עיניים ואוזניים, יש מצלמות רשת וכו'. אבל בעתיד יהיו לו גם רגליים וידיים. תוכלו לבצע עבודה הניתנת לתכנות באמצעות רובוטים מהסוג הזה, כך שתוכלו לרוץ, לעוף ולשחות לכל מקום. ראינו את דייויד קלי בתחילת הדרך עם הדג שלו. ולסיכום, אני חושב שהמסר ברור. אם אתם זקוקים למסר, אם הטבע אינו מספיק, אם אתם מוטרדים לגבי חילוץ והצלה, פינוי מוקשים, רפואה, או הדברים השונים שאנו עוסקים בהם, עלינו לשמר את העיצובים של הטבע, אחרת הסודות האלה יעלמו לעולמי עולמים. תודה רבה.
(Applause)
(מחיאות כפיים)