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?
Здравствуйте. Можно, пожалуйста, первый слайд? Вопреки расчётам некоторых инженеров, пчёлы могут летать, дельфины могут плавать, а гекконы даже взбираться по самым гладким вертикальным поверхностям. За время этой короткой презентации я хочу дать вам возможность испытать глубокое волнение от открытия того, как конструирует свои творения природа. Я занимаюсь этим постоянно и не перестаю удивляться. И сегодня я хочу поделиться с вами хотя бы небольшой частью этих наблюдений. Сложность в наблюдении за природными инженерными решениями — и я расскажу вам о том, как мы их постигаем и используем. Сложность, собственно, в следующем вопросе: какие особенные характеристики позволяют животным передвигаться, в общем-то, где угодно? И если нам удастся разобраться, как мы сможем применить такие разработки?
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.
Биологи, конечно же, ответят инженерам и всем остальным, что у живых организмов были миллионы лет чтобы найти верное применение; они впечатляют; они что угодно выполняют поразительно удачно. Итак, решение — это «био-мимикрия» — прямое подражание природе. Работая с животными, мы поняли, что как-раз этого делать не нужно, потому что эволюция использует принцип «достаточного качества», а не совершенствования. И ограничения в устройстве любого организма, если присмотреться, очень жёсткие. У природных конструкций невероятные ограничения. Только представьте себе. Если бы вы были инженером и я сказал бы вам, что вы должны сконструировать автомобиль, но в начале он должен быть вот такого размера, а затем он должен вырасти вот на столько, но в процессе роста он должен постоянно ездить. Теперь представтье, что вы как-то всё же построили автомобиль, и теперь я говорю вам, что ещё у него внутри должен быть завод, чтоб строить другие автомобили.
(Laughter)
(Смех в зале)
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.
И вам нельзя, совершенно нельзя, из-за предыстории и унаследованного устройства, начать с чистого листа. Итак, у организмов есть эта важная предыстория. В действительности эволюция работает скорее как жестянщик, чем как инженер. И понимание этого факта становится по-настоящему важным, если посмотреть на животных. Мы считаем, что инженер должен черпать вдохновение в работе природы. Необходимо открыть её основные принципы и затем использовать их аналоги, если они полезны. Это по-настоящему серьёзный вызов, потому что когда начинаешь изучать животных, изучать то, как они устроены, оказывается что они бесконечно сложны. И негде узнать о технологическом процессе, негде посмотреть историю чертежей. У них слишком много возможных движений суставов, слишком много мышц. Даже у простейших животных, даже у насекомых есть больше нейронов и связей, чем мы можем представить.
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.
Как во всём этом разобраться? Ну, мы посчитали и выдвинули гипотезу, что вообще-то животные могут двигаться просто, если контроль их движений является частью качеств самой конструкции их тела. Мы обнаружили, что двух-, четырёх-, шести- и восьминогие животные прилагают к земле один и тот же тип усилия, когда движутся. Они все передвигаются как этот кенгуру, они прыгают. И механику их движения можно смоделировать системой пружин, которую мы и называем «система пружин», потому что мы биомеханики, а вообще-то она напоминает тренажёр «Кузнечик». Все животные движутся по тому же принципу, что эта пружина. Как это может быть? Одна нога человека работает, как две ноги бегущей рысцой собаки или как три ноги бегущего насекомого взятые вместе, или как четыре ноги бегущего краба. Движущая сила у этих животных различается, но принцип движения у всех одинаков. Почти у всех животных, которых мы рассмотрели. Хотя на следующей неделе — выдам вам маленький секрет — выйдет статья, где говорится, что некоторые очень большие животные, такие, как тиранозавр Рекс, вероятно не могли так двигаться, но об этом — на следующей неделе.
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.
Интересным является также следующий факт: мы упомянули, что животные совершают прыжки вверх-вниз; и в нашей работе с «Pixar», когда мы обсуждали мультфильм «Приключения Флика», зашёл разговор о том, что персонажи изображены, как ходящие на двух ногах. Мы сказали им, что муравьи вообще-то могут передвигаться и в другой плоскости, на что нам задали вопрос: «Почему в таком случае вы моделируете движение животных только в вертикальной плоскости, если вы говорите нам, что они могут также двигаться и в горизонтальной?» Хороший вопрос! Никто из биологов никогда не строил таких моделей. Мы решили последовать их совету и смоделировать движение животного так же и в горизонтальной плоскости. Мы взяли три ноги и посчитали создаваемый ими импульс как для одной. Мы привлекли одних из лучших математиков в мире. Специалисты из Принстона работали над этой проблемой. И нам удалось создать модель, которая воссоздаёт не только прыжковое движение животного вверх-вниз, но ещё и прыжки из стороны в сторону вместе с этим. И оказалось — движение многих животных вписывается в такую схему. Почему для нас так было важно её создать? Потому что это очень интересно. Когда вы берёте эту модель и приводите её в движение, даёте ей толчёк, сталкиваясь с препятствием, она сама стабилизирует себя — не имея ни мозга, ни рефлексов — благодаря одной лишь структуре! Это прекрасная модель. Давайте оценим математическую красоту её формул.
(Laughter)
(Смех в зале)
That's enough!
Хватит.
(Laughter)
(Смех в зале)
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.
Если посмотреть на бегущее животное, то окажется, что оно стабилизирует своё положение, обходясь в основном, пружинящими ногами. То есть их ноги и делают вычисления; в том смысле, что алгоритмы управления встроены в саму форму животного. Почему же нас не вдохновляют открытия подобные этому, да и сама природа? Человеческие технологии значительно отличаются от того, что создаёт природа, ну, или по крайней мере до сих пор отличались. Представьте себе обычного робота. Люди склонны конструировать большое, плоское, с прямыми углами, жёсткое, металлическое. С вращающимися механизмами и осями. С малым количеством моторов и сенсоров. Тогда как природа, напротив, стремится сделать компактным, с плавными линиями; всё гнётся, скручивается, с ногами и отростками; а так же много мышц и много сенсоров. Настолько это иной подход. Однако, вот что меняет всё, что действительно вдохновляет — я продемонстрирую вам следом — когда человек начинает применять технологии характерные для природы. И тогда она становится по-настоящему ценным наставником.
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.
Вот один из примеров тому. Наше сотрудничество со Стэнфордом. Там была разработана новая технология — «Производство форм-носителей» (Shape Deposition Manufacturing). Эта технология позволяет смешивать разные материалы и выплавлять любую форму, закладывая в материал определённые качества. Стало возможным встраивать сенсоры и исполнительные механизмы в саму форму. Вот, например, нога. Прозрачная часть — жёсткая, белая часть — гибкая. И для этого не нужно ни осей, ни чего-либо подобного. Она просто прекрасно гнётся. Сама. Можно просто задать необходимые качества материала. Разработчики решили показать, на что способны, сконструировав маленького робота, которого они назвали «Ползун» (Sprawl). Наши исследования также вдохновили инженеров на создание ещё одного прыгающего робота. Он был собран конструкторами из Мичиганского университета и университета МакГилл. Робота назвали «Шестиног» (RHex); и он может работать автономно. Давайти перейдём к видео и посмотрим на некоторых животных в движении. А потом на некторых простых роботов, конструкторы которых черпали вдохновения в наших исследованиях. Сейчас вы видите то, чем занимались некоторые из вас сегодня утром. Вы, правда, делали это на улице, а не на беговой дорожке. А вот что устроили мы.
(Laughter)
(Смех в зале)
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.
Это таракан «Мёртвая голова». А это американский таракан, про которого вы думаете, что у вас на кухне такого нет. Это восьминогий сорпион. Шестиногий муравей. Сорокачетырёхногая многоножка. Как я уже говорил, ноги всех этих животных работают как пружины — их движение — это прыжки, посмотрите. Вот бежит краб-привидение с пляжей Панамы и Северной Каролины. Развивает скорость до четырёх метров в секунду, когда разгонится. В действительности он подпрыгивает и пролетает какое-то расстояние в воздухе. Посмотрите, как лошадь несётся. Мы обнаружили, что неважно, рассматриваем ли мы ногу человека, таракана, краба или кенгуру — у всех, рассмотренных на сегодня пружин, относительная жёсткость одна и та же. Какие же плюсы дают ноги-пружины, в чём их особенность? Мы собирались для начала выяснить обеспечивают ли они животным большую манёвренность и устойчивость. Для этого мы построили полигон, на котором были установлены препятствия высотой в три бедра животных, которых мы исследовали. Мы были уверены, что им не удастся пройти эту полосу препятствий. Но вот посмотрите, что произошло. Животное пробегает этот полигон даже не сбрасывая скорости. Оно легко движется с той скоростью, с которой хочет. Мы не верили своим глазам. То, что мы увидели, натолкнуло нас на мысль, что если создать робота с даже очень простыми ногами-пружинами, он будет гораздо манёвренней, чем все роботы, которые когда-либо создавлись ранее.
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.
Вот первый пример такого подхода. По Стэнфордской технологии «Производство форм-носителей» был создан робот «Ползун» (Sprawl). У него шесть ног — слаженно работающие ноги-пружины. Он движется так же, как движутся насекомые. Посмотрите, как он проходит беговую дорожку. Отличительной чертой этого робота является то, что он ничего не видит, ничего не чувствует, не имеет мозга и несмотря на это — он может с лёгкостью преодолевать все эти препятствия. Это и есть технология закладывания качеств в форму. Это выпускник университета. Вот что он делает со своим дипломным проектом. Очень вынослив — даже когда студент вытворяет такое со своим проектом.
(Laughter)
(Смех в зале)
This is from McGill and University of Michigan. This is the RHex, making its first outing in a demo.
А вот этот робот из университета МакГилл и Мичиганского университета. Это «Шестиног» (RHex). Впервые отправляется на тест-драйв.
(Laughter)
(Смех в зале)
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.
Принцип движения у него тот же. Просто у него шесть движущихся элементов. И шесть моторов. Синхронно работающие пружинящие ноги. Движется так же, как насекомые. Средняя нога движется синхронно с передней и задней ногами с другой стороны. Своеобразная попеременная тренога. И эти роботы могут справлятся с препятствиями так же, как это делают животные.
(Laughter)
(Смех в зале)
(Voice: Oh my God.)
Голос из зала: «Ох ты ж!»
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Он может передвигаться по разным поверхностям. По песку, например. Мы ещё не доработали конструкцию ног окончательно, но об этом я расскужу вам позже. «Шестиног» отправляется в лес.
(Laughter)
(Смех в зале)
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.
Как и «Ползун», этот робот ничего не видит и ничего не чувствует. У него нет мозга. Это просто хорошо отлаженная механическая система, которая собрана из очень простых частей, но основана на фундаментальном принципе биомеханики животного. Голос из зала: «Я его обожаю, Боб.» Роберт Фул: «Вот он идёт по тропинке.» Я делал его презентацию в лаборатории ракетных двигателей НАСА. Они сказали, что они не могут пока спускаться в кратеры, чтобы посмотреть есть ли там лёд и определить есть ли жизнь на Марсе в конце-концов. И особенно это трудно сделать с помощью шагающих роботов, из-за их слишком сложной конструкции. И ни какие роботы не смогут. Затем выступил я. Показал им это видео с просто устроенным «Шестиногом». Чтобы окончательно убедить их, что на Марс можно лететь уже в 2011, я подкрасил видео в оранжевый тон, просто чтоб создать эффект присутствия на Марсе.
(Laughter)
(Смех в зале)
(Applause)
(Аплодисменты)
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?
Ещё одна причина, по которой животные так устойчивы и манёвренны в движении и могут передвигаться по самым разным поверхностям, состоит в том, что у них прекрасное сцепление с поверхностью. Сейчас я покажу вам геккона. Именно его мы изучали. Обратите внимание, как он держится. А сейчас я хочу вас проверить. Я покажу вам одно видео. На нём один из гекконов будет бежать по горизонтальной поверхности, а другой будет бежать вверх по стене. Попробуйте определить кто из них? Они бегут со скоростью метр в секунду. Кто думает, что тот, который слева, бежит по стене?
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Трудно отличить, правда? Это невероятно. Мы задавали тот же вопрос студентам, и они тоже не смогли ответить. Геккон бежит по стене со скоростью метр в секунду. Пятнадцать шагов в секунду. Но выглядит это так, как будто он бежит по земле. Как ему это удаётся? Это поразительно. Тот, которого вы видите справа взбегал по склону холма. Как они это делают? У них удивительно устроенные пальцы. Они разворачиваются как праздничные свистелки, когда в них дуют, а затем создают с поверхностью сцепление, как клейкая лента. Если бы мы имели полоску клейкой ленты и сначала лепили её на стену, а потом отрывали, Мы бы делали то же самое, что геккон делает за счёт своих пальцев. Это просто невероятно. Мы работаем с компанией iRobot над созданием «механических гекконов» (Mecho-Geckos). Вот модель с ногами, вот на гусеничном ходу. А вот бульдозер. Давайте посмотрим, как двигаются гекконы на видео. А потом посмотрим короткое видео про роботов. Вот геккон бежит по вертикальной поверхности в реальном времени. Вот опять. Очевидно, что нужно замедлить запись немного.
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.
Обычная камера здесь не подойдёт. Чтобы рассмотреть то, что нас интересует, нужно снимать 1000 кадров в секунду. Вот тоже самое видео снятое с такой частотой кадров. Обратите внимание на его спину. Видите, насколько она гнётся? Мы не можем понять, как это возможно. Это пока неразрешённая загадка. Мы не знаем каков механизм этого. Если у вас есть сын или дочь, которые хотели бы пойти в Беркли — отправляйте их ко мне лабораторию, может вместе мы разберёмся. Ладно. На самом деле они нужны мне в Беркли вот для этого. Внимание — беговая дорожка для гекконов!
(Laughter)
(Смех в зале)
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.
Это прозрачная беговая дорожка, с прозрачным движущимся полотном. Таким образом мы можем видеть стопы животного и снимать их на видео сквозь полотно дорожки, для того, чтобы пронаблюдать, как они движутся. Вот он бежит по вертикальной дорожке. Посмотрите на его ногу. На пальцы посмотрите. Видите, что он делает? Сначала он разгибает пальцы, а затем отрывает их. И делает он это за 14 миллисекунд. Невероятно! Вот роботы, к созданию которых нас подтолкнули наблюдения за гекконами — «МехоГекко» компании iRobot. Посмотрите как животные отрывают кончики пальцев. А вот как это работает у «МехоГекко». Робот использует чувствительный к давлению клейкий материал. И робот и геккон выполняют одно и то же действие — взбираются по плоской отвесной поверхности. Переходят со стены на потолок. А вот бульдозерная версия. В ней не используется чувствительный к давлению клеящий материал. Которым, кстати, не пользуются и животные. Но это всё, что мы смогли создать на настоящий момент.
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.
Так как же всё-таки взбираются по отвесным поверхностям животные? Всё дело в устройстве их пальцев. Если вы присмотритесь к ним, то сможете различить маленькие листообразные образования. Если увеличить изображение, то можно будет увидеть тонкие бороздки, покрывающие эти «листья». Если увеличить картинку ещё в 270 раз, то становится видно, что всё это вместе похоже на коврик. Если увеличить ещё в 900 раз, то можно увидеть микроволоски, очень тонкие, и если вы присмотритесь ещё внимательней, то увидите, что и на волосках есть бороздки. А если увеличить ещё в 30 000 раз, то станет видно, что каждый волоск имеет разделённый кончик. Если увеличить и это, то вы увидите ещё более мелкие структуры этого кончика. Мельчайшие ответвления волосков выглядят как лопатки. И у обычного геккона есть миллиард этих разделённых нано-кончиков, которые обеспецивают ему очень хороший контакт с поверхностью. Взять диаметр вашего волоса — у геккона таких 2 миллиона и у каждого веник из 100 — 1000 разделённых кончиков. Представьте, какова при этом сила сцепления с поверхностью.
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.
Нам посчастливилось работать с ещё одной группой в Стэнфорде. Они создали специальный управляемый сенсор, с помощью которого стало возможно измерить силу каждого отдельного волоска. Вот как этот с разветвлённым кончиком. Когда мы измерили эту силу, она оказалась огромна. Пучок волос примерно такого размера, т.е. нога геккона, грубо говоря, может с лёгкостью удерживать на весу маленького ребёнка! А это примерно 20 килограмм. Как же это возможно? Недавно мы поняли как. Думаете, это сила трения? Нет. Сила трения в данном случае слишком слаба. Электростатика? Нет. Можно изменить заряд, а сцепление с поверхностью никуда не денется. Может они цепляются, как застёжки-липучки? Такие как на одежде и обуви. И снова нет. Геккон бежит даже по молекулярно ровной поверхности. Может их ноги работают как присоски? Нет. Они бегут по стене и в вакууме. Гидростатика? Капиллярные силы? Нет. У гекконов нет какого-либо клея; они отлично цепляются и под водой. Мы пробовали помещать их ноги под воду — они карабкаются. Как же всё-таки это им удаётся? Хотите верьте, хотите нет — они карабкаются за счёт сил межмолекулярного взаимодействия, за счёт Ван-дер-ваальсовых сил.
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.
Вспомните, когда-то вы проходили это по химии. Есть два находящихся близко друг к другу атома. Вокруг вращаются электроны. И этой силы притяжения достаточно, чтобы гекконы могли карабкаться по отвесной стене, потому что эта сила прилагается очень много раз — вспомните те микроструктуры на конце волосков. Вдохновлённые ими, мы попробовали их воссоздать с моим коллегой из Беркли. Совсем недавно мы совершили в этом направлении прорыв, скоро мы создадим первый синтетический, самоочищающийся, сухой клейкий материал. Многие компании уже интересуются им.
(Laughter)
(Смех в зале)
We also presented to Nike even.
Мы даже дали знать Nike.
(Laughter)
(Смех в зале)
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Посмотрим к чему приведут нас эти открытия. Нас обрадовало то, что мы обнаружили. Мы поняли, что в микромире всё притягивается и слипается, и гравитация больше не играет роли. Теперь нам нужно посмотреть на муравьёв и их ноги, потому что ещё один мой коллега в Беркли собрал шести-миллиметрового силиконового робота с ногами. Но он залипает. Он не может нормально передвигаться. Но муравьи же как-то могут! И мы поймём как. В конце концов, мы заставим его передвигаться. И представьте — у нас будет рой шести-миллиметровых роботов, способных бегать вокруг по делам. К чему это приведёт? Вы уже можете догадаться.
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.
У Интернета уже есть глаза и уши. Веб-камеры и подобное. Но скоро у него появятся ещё и руки и ноги. Вы сможете выполнять программируемые задачи посредством таких роботов так, что вы сможете бегать, летать и плавать где угодно. Мы уже наблюдаем за такими разработками у Дэвида Келли с его рыбой. И в заключение, полагаю, вывод ясен. Если же вывод необходим, то он в следующем: кроме исследования природы можно использовать роботов в поисково-спасательных операциях, разминировании, медицине и многих других областях. Если мы хотим этого достичь — мы должны сохранить созданное природой, иначе её секреты будут утеряны навсегда. Спасибо.
(Applause)
Аплодисменты