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?
Welkom. Mag ik de eerste dia hebben, alstublieft? In tegenstelling tot wat volgt uit de berekeningen van een aantal ingenieurs, kunnen bijen vliegen, kunnen dolfijnen zwemmen en kunnen gekko's zelfs de gladste oppervlakken beklimmen. In deze korte tijd die ik heb, wil ik jullie de sensatie van het ontdekken van de ontwerpen in de natuur laten ervaren. Ik heb hier de hele tijd mee te maken en het is gewoon ongelooflijk. Ik wil in deze presentatie proberen om jullie daar een beetje deel aan te laten hebben. De uitdaging van het bestuderen van de ontwerpen in de natuur - ik vertel jullie hoe we ernaar kijken en hoe we er gebruik van maken. De uitdaging is natuurlijk om een antwoord te vinden op deze vraag: wat maakt de buitengewone prestatie mogelijk waardoor dieren zich kunnen verplaatsen? En als we dat kunnen uitzoeken, hoe kunnen we die ontwerpen dan toepassen?
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.
Biologen vertellen ingenieurs en anderen dat organismen miljoenen jaren hebben gehad om dit klaar te spelen, dat ze spectaculair zijn, dat ze alles wonderwel kunnen. Het antwoord is biomimetisme - kopieer gewoon de natuur. Door het bestuderen van dieren weten we nu dat je dat vooral niet moet doen. Omdat evolutie volgens het net-goed-genoeg-principe werkt, niet volgens het perfectioneer-het-principe. De moeilijkheden bij het bouwen van een organisme zijn serieus. Natuurlijke technologieën hebben ongelooflijke beperkingen. Denk er eens over na. Stel dat je een ingenieur was en ik je vertelde dat je een auto moest bouwen, maar dat hij in het begin maar zo groot mocht zijn, vervolgens moest groeien tot de normale grootte en onderwijl altijd moest blijven werken. En als je een auto bouwt, zal ik je vragen dat er binnenin ook een fabriekje moet zitten om andere auto's te maken.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Je kunt absoluut nooit, wegens de voorgeschiedenis en het overgeërfde plan, beginnen met een onbeschreven blad. Organismen hebben een belangrijke voorgeschiedenis. Evolutie werkt meer als een knutselaar dan als een ingenieur. Dat is heel belangrijk wanneer je dieren begint te bestuderen. In plaats daarvan geloven we dat je je moet laten inspireren door de biologie. Je moet de algemene beginselen van de natuur ontdekken en dan deze analogieën gebruiken als ze je goed uitkomen. Dit is een echte uitdaging, omdat dieren, wanneer je ze echt begint te bestuderen, hopeloos complex lijken. Je vindt geen gedetailleerde geschiedenis van de ontwerpplannen. Je kunt ze nergens gaan opzoeken. Hun gewrichten laten teveel bewegingen toe, ze hebben te veel spieren. Zelfs de eenvoudigste dieren, zoals insecten, hebben meer neuronen en verbindingen dan je je kunt voorstellen.
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.
Hoe kan je daaraan uit? Onze hypothese was dat één manier waarop dieren op een eenvoudige manier konden werken, erin bestond dat de controle van hun bewegingen in de bouw van hun lichaam zelf zou liggen. We ontdekten dat twee-, vier-, zes- en achtpotige dieren allemaal dezelfde krachten op de grond veroorzaken als ze bewegen. Ze werken allemaal als deze kangoeroe, ze springen. Ze kunnen worden gemodelleerd door een veer-massa-systeem dat we zo noemen omdat we nu eenmaal biomechanici zijn, maar eigenlijk is het een pogostick. Ze werken allemaal als een pogostick. Waarom? Nou ja, bij een mens doet een van je benen hetzelfde als de twee poten van een rennende hond of als drie poten van een rennend insect of als de vier poten van een rennende krab. Ze wisselen elkaar af bij hun voortstuwing, maar de patronen zijn allemaal hetzelfde. Bijna elk organisme dat we zo hebben bestudeerd - jullie zullen het volgende week zien - ik geef je al een tip. Er zal een artikel verschijnen dat zegt dat echt grote beesten, zoals T. Rex, dat waarschijnlijk niet konden doen, maar je zult dat volgende week zien.
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.
Wat interessant is, is dat de dieren op deze manier in het verticale vlak springen. In onze samenwerking met Pixar in "A Bug's Life," discussieerden we over de tweevoetige aard van de mierenpersonages. We vertelde hen dat ze natuurlijk ook in een ander vlak bewogen, en ze vroegen ons: "Waarom ze alleen in het sagittale vlak of het verticale vlak modelleren, als je ons vertelt deze dieren in het horizontale vlak bewegen?" Dit is een goede vraag. Niemand in de biologie heeft het ooit op deze manier gemodelleerd. We namen hun advies ter harte en we modelleerden de dieren ook in het horizontale vlak. We namen hun drie poten, en voegden ze samen tot één. We kregen enkele van de beste wiskundigen van de wereld van Princeton zover om aan dit probleem te werken. We konden een model creëren waarbij dieren niet alleen op en neer springen, maar ook tegelijkertijd van links naar rechts springen. Veel organismen passen in dit soort patroon. Waarom is dit model nu zo belangrijk? Omdat het erg interessant is. Wanneer je dit model verstoort, het een duw geeft, dan stabiliseert het zichzelf als het ergens tegenaan botst. Zonder hersenen of reflexen. Door de structuur alleen. Het is een mooi model. Laten we eens kijken naar de wiskunde ervan.
(Laughter)
(Gelach)
That's enough!
Da's genoeg.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Als je de dieren ziet lopen, dan lijken ze zich op deze manier te stabiliseren met behulp van verende poten. Dat wil zeggen, de poten kunnen zelf berekeningen uitvoeren, de controle-algoritmen zitten in zekere zin in de vorm van het dier zelf ingebed. Waarom werden we niet méér geïnspireerd door de natuur en dit soort ontdekkingen? Ik zou zeggen: omdat menselijke technologieën echt anders zijn dan natuurlijke technologieën, in ieder geval tot nu toe toch. Denk aan de typische soort van robot. Menselijke apparaten hebben de neiging om groot, vlak, met rechte hoeken, stijf en van metaal te zijn. Ze hebben draaiende onderdelen en assen. Met zeer weinig motoren, zeer weinig sensoren. Terwijl de natuurlijke 'apparaten' de neiging hebben om klein en gekromd te zijn. Ze wenden en krommen zich in alle richtingen, hebben poten en aanhangsels, veel spieren en vele, vele sensoren. Het is dus een heel ander ontwerp. Maar wat aan het veranderen is, wat echt spannend is - en ik zal je daar dadelijk wat van laten zien - is dat naarmate menselijke technologie meer en meer kenmerken van de natuur overneemt, de natuur een veel bruikbaarder leraar kan worden.
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.
Hier een prachtig voorbeeld daarvan. Hiervoor werken we samen met Stanford. Ze ontwikkelden deze nieuwe techniek, Shape Deposition Manufacturing genaamd. Het is een techniek waarbij ze materialen met elkaar combineren, er elke gewenste vorm aan kunnen geven en dat in de materiaaleigenschappen vastleggen. Ze kunnen in de vorm zelf sensoren en actuatoren insluiten. Hier een poot bijvoorbeeld - het heldere deel is stijf, het witte gedeelte is buigzaam. Geen assen of wat dan ook nodig. Het buigt gewoon mooi vanzelf. Je kunt er deze eigenschappen inbouwen. Het inspireerde hen om met dit ontwerp te gaan pronken door een kleine robot, Sprawl genoemd, te maken. Ons werk inspireerde ook een andere robot, een biologisch geïnspireerde, springende robot. Ontworpen op de Universiteit van Michigan en McGill en RHex genoemd, robot hexapod. Hij is autonoom. Op de video toon ik jullie een aantal van deze bewegende dieren. Evenals een aantal eenvoudige robots die door onze ontdekkingen zijn geïnspireerd. Sommigen van jullie hebben dit vanmorgen gedaan, maar dan buiten, niet op een loopband. Dit is wat wij doen.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Dit is een doodskopkakkerlak - een Amerikaanse kakkerlak waarvan je denkt dat hij niet in je keuken is te vinden. Hier een achtpotige schorpioen, een zespotige mier, een vierenveertigpotige honderdpoot. Nu zei ik al dat deze dieren werken als pogosticks - ze springen als ze bewegen - en je kunt dat zien bij deze spookkrab van de stranden van Panama en North Carolina. Ze haalt vier meter per seconde als ze loopt. Ze springt echt in de lucht en heeft fasen waarbij ze de grond niet raakt, net als bij een paard. Jullie kunnen ze hier zien springen. Wat we ontdekten, is, of je nu kijkt naar het been van een mens, zoals Richard of naar de poot van een kakkerlak, een krab of een kangoeroe, de relatieve pootstijfheid van de veer is dezelfde voor alles wat we tot nu toe hebben gezien. Waar zijn verende poten nu goed voor, wat kunnen ze doen? We wilden nagaan of ze de dieren meer stabiliteit en wendbaarheid gaven. Dus bouwden we een terrein met obstakels van drie keer de heuphoogte van de te onderzoeken dieren. We waren er zeker van dat ze dat niet konden belopen. Dit deden ze. Het dier liep erover en het vertraagde niet eens. Het verminderde zijn gewenste snelheid helemaal niet. We konden niet geloven dat ze dit konden. Het vertelde ons dat als je een robot kon bouwen met zeer eenvoudige verende poten, je die net zo wendbaar kon maken als eender welke tot nu toe gebouwde robot.
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.
Hier is het eerste voorbeeld daarvan. Dit is de robot Sprawl, in Stanford gebouwd met de 'Shape Deposition Manufacture'-methode. Hij heeft zes poten - daar zijn de afgestemde verende poten. Hij beweegt zich zoals een insect en hier zie je hem lopen op de loopband. Wat belangrijk is aan deze robot, in vergelijking met andere robots, is dat hij niets kan zien, niets kan voelen, geen intelligentie heeft maar wel zonder problemen over deze obstakels kan manoeuvreren. Dat komt door de techniek om deze eigenschappen in de vorm in te bouwen. Dit is een student. Hij doet dit voor zijn eindwerk. Zeer robuust als eindwerk van een student.
(Laughter)
(Gelach)
This is from McGill and University of Michigan. This is the RHex, making its first outing in a demo.
Deze is van McGill en de Universiteit van Michigan. Het is de RHex die zijn eerste uitje maakt voor een demonstratie.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Hetzelfde principe. Hij heeft slechts zes bewegende delen. Zes motoren, maar verende, afgestemde poten. Hij beweegt zoals een insect. De middelste poot beweegt synchroon met de voorste en de achterste poot aan de andere kant. Een soort van afwisselende driepoot. Ze kunnen hindernissen nemen zoals een dier.
(Laughter)
(Gelach)
(Voice: Oh my God.)
Oh mijn God.
(Applause)
(Applaus)
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.
Hij kan over verschillende oppervlakken lopen. Hier over zand. De voeten staan nog niet op punt, maar daar zal ik het later over hebben. Hier loopt RHex de bosjes in.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Ook deze robot kan zien noch voelen en heeft geen intelligentie. Alleen maar een aangepast mechanisch systeem, met zeer eenvoudige onderdelen. Maar geïnspireerd op de fundamentele dynamiek van het dier. Ach, ik hou van hem, Bob. Hier loopt hij over een pad. Ik presenteerde dit aan het Jet Propulsion Lab van NASA en zij zeiden dat ze niet wisten hoe in kraters af te dalen om ijs te zoeken, en uiteindelijk ook leven te zoeken op Mars. Hij zei - dat vooral robots op poten veel te ingewikkeld waren. Niets kan dat doen. Ik liet ze deze video zien met het eenvoudige ontwerp van RHex hier. Ik wilde hen overtuigen om in 2011 naar Mars te gaan. Daarom heb ik de video oranje bijgekleurd, alleen maar om hen het gevoel te geven op Mars te zijn.
(Laughter)
(Gelach)
(Applause)
(Applaus)
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?
Een andere reden waarom dieren tot buitengewone prestaties in staat zijn en overal kunnen geraken, is dat ze een effectieve interactie hebben met de omgeving. Het dier dat we hiervoor bestudeerd hebben, is de gekko. Hier is er een. Let op waar hij zich bevindt. Hij houdt zich vast. Nu ga ik jullie uitdagen. Ik ga jullie een video tonen. Een van de dieren zal over een horizontaal vlak lopen en het andere op een muur. Wie doet wat? Ze lopen één meter per seconde. Hoeveel denken er dat die aan de linkerzijde de muur oploopt?
(Applause)
(Applaus)
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.
Oke. Het is echt moeilijk te zeggen, is het niet? Het is ongelooflijk, ook studenten konden het niet uitmaken. Ze kunnen een wand oplopen met een meter per seconde, 15 stappen per seconde en ze zien eruit alsof ze over een horizontaal vlak lopen. Hoe doen ze dat? Het is gewoon fenomenaal. Het was de rechtse die omhoog liep. Hoe ze dit doen - ze hebben bizarre tenen - ze hebben tenen die zich ontkrullen als roltongfluitjes, en dan worden ze net als tape van het oppervlak afgepeld. Net zoals je een stuk tape van een oppervlak lostrekt. Ze doen dit met hun tenen. Het is bizar. Dit afpellen inspireerde iRobot om ermee aan de slag te gaan en Mecho-Gecko's te bouwen. Hier een versie met poten en een tractor- of bulldozerversie. Laten we eens enkele van de gekko's zien bewegen en daarna zal ik zal je een clip van de robots tonen. Hier loopt de gekko een verticaal oppervlak op, daar gaat hij, in real time, en daar weer. Uiteraard moeten we dit een beetje vertragen.
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.
Je kunt hiervoor geen gewone camera gebruiken. Je moet 1000 beelden per seconde nemen om dit te zien. Hier een paar video's met 1000 beelden per seconde. Kijk nu naar rug van het dier. Zie je hoever hij doorbuigt? Daar kunnen we niet aan uit - een onopgelost mysterie. We weten niet hoe het werkt. Als je een zoon of een dochter hebt die naar Berkeley wil komen, kom dan naar mijn lab en we zullen dit uitzoeken. Oke, stuur ze naar Berkeley want dat is mijn volgende project. Hier de gekkomolen.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Hij loopt op een doorzichtige loopbandriem zodat we de voeten van de dieren kunnen bekijken en ze filmen doorheen de loopbandriem om te zien hoe ze bewegen. Hier zie je het dier op een verticaal oppervlak lopen. Kies een voet, probeer om één teen te volgen en kijk of je kunt zien wat het dier aan het doen is. Zie hoe het deze tenen ontkrult en afpelt. Hij kan dit doen in 14 milliseconden. Ongelooflijk! Hier zijn de robots die ze hebben geïnspireerd, de Mecho-Gekko's van iRobot. Eerst zullen we zien hoe de dieren hun tenen afpellen. En hier is het afpellen bij de Mecho-Gecko Het maakt gebruik van een drukgevoelige kleefstof om dat te doen. Pellen bij het dier, pellen bij de Mecho-Gecko, wat hen in staat stelt zelfstandig te klimmen en over het vlakke oppervlak te lopen, dan de muur op, en dan naar het plafond. Hier de bulldozerversie. Die maakt geen gebruik van drukgevoelige lijm. Het dier maakt daar geen gebruik van. Voorlopig zijn we daartoe beperkt.
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.
Wat doet het dier? Het dier heeft vreemde tenen, en als je kijkt naar de tenen, hebben ze daar van die kleine blaadjes. Als je erop inzoomt, zul je zien dat er kleine streepjes op die blaadjes zijn te zien. Als je 270 keer vergroot, zie je dat het eruitziet als een tapijt. Bij een vergroting van 900 keer, zie je die kleine haartjes daar en als je goed kijkt hebben die kleine haartjes ook strepen. Bij een vergroting van 30.000 keer zie je dat elke haar gesplitste uiteinden heeft. En als je die nog eens vergroot zie je die kleine structuren op het uiteinde. De kleinste vertakking van de haren ziet eruit als een spatel en zo'n dier heeft 1 miljard van deze gespleten haarpunten op nano-formaat om heel dicht bij het oppervlak te komen. Hier zie je de diameter van jouw haar, een gekko heeft er 2 miljoen van en elke haar heeft 100 tot 1.000 gespleten haarpunten. Denk aan het contact dat daarmee mogelijk is.
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.
We hadden het geluk om in Stanford met een andere groep te werken. Zij bouwden voor ons een speciale MEMS sensor waarmee we in staat waren om de kracht van een enkele haar te meten. Hier is een enkele haar met een klein gespleten uiteinde. We vonden enorme krachten. Een toef haren van de omvang van de voet van een gekko kon gemakkelijk het gewicht van een klein kind dragen - ongeveer 20 kilogram. Hoe doen ze dat? We hebben dat onlangs ontdekt. Doen ze het door wrijving? Nee, de kracht is te laag. Doen ze dat door elektrostatische ladingen? Nee, je kunt de lading veranderen, ze blijven nog steeds plakken. Doen ze dat door in elkaar te grijpen? Zoals bij klittenband? Nee, je kunt ze op moleculair gladde oppervlakken plaatsen - dat is het niet. Hoe zit het met zuiging? Ook in een vacuüm blijven ze plakken. Adhesie? Of capillaire hechting? Ze hebben geen lijm en ze plakken zelfs onder water prima. Ook onder water houden ze zich vast. Hoe doen ze het dan? Geloof het of niet: ze houden zich vast door intermoleculaire krachten, door Van der Waals-krachten.
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.
Lange tijd geleden heb je daar misschien in de chemieles over gehoord: als twee atomen dicht bij elkaar komen, gaan hun elektronen synchroon bewegen. Die kleine kracht is voldoende om hen daartoe in staat te stellen, want ze is het resultaat van de zovele effecten van deze kleine structuren. We lieten ons inspireren door deze haren en met een andere collega in Berkeley gingen we er zelf aanmaken. Onlangs hebben we een doorbraak gehad waardoor we nu geloven dat we gaan in staat zijn om de eerste synthetische, zelfreinigende, droge lijm te maken. Veel bedrijven zijn hierin geïnteresseerd.
(Laughter)
(Gelach)
We also presented to Nike even.
We hebben het zelfs ook aan Nike voorgelegd.
(Laughter)
(Gelach)
(Applause)
(Applaus)
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.
We zullen wel zien waar dit naartoe gaat. We waren hier zo enthousiast over dat we beseften dat op die kleine schaal, waar alles plakkerig wordt en de zwaartekracht er niet meer toe doet, we moesten gaan kijken naar de mieren en hun voeten. Een van mijn andere collega's in Berkeley heeft een zes millimeter grote siliconen robot met poten gebouwd. Maar hij loopt vast. Hij beweegt niet erg goed. Maar mieren doen dat wel en we willen erachter komen hoe ze dat doen, zodat we dit uiteindelijk in beweging krijgen. Stel je voor dat je zwermen van deze zes-millimeter robots gaat laten rondstruinen. Waar zal dit toe leiden? Ik denk dat je het al kan zien.
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.
Internet heeft nu al ogen en oren, door webcams enzovoort. Maar het gaat ook benen en handen krijgen. Je gaat ze kunnen programmeren zodat je ze overal kunt laten gaan, vliegen en zwemmen. We zagen daar een begin van, met de vis van David Kelly. Tot slot denk ik dat de boodschap duidelijk is. Als je hier één boodschap aan wil overhouden: als de natuur ontoereikend is, als je geeft om zoek-en reddingsoperaties, ontmijning, medicijnen of om alles waar we mee bezig zijn, dan moeten we de ontwerpen van de natuur behouden. Anders zullen deze geheimen voor altijd verloren gaan. Dankjewel.
(Applause)
(Applaus)