Трча без мозок; е полесно
Нешто експлодира зад лебарката. Инсектот брза далеку низ тесната цевка од плексиглас како да е за цел живот. Одеднаш животното стои на задните нозе и трча на две нозе долж пластичниот тунел - побрзо отколку порано. Поминува светлосна бариера што ја мери брзината на трчање. Резултатот значи светски рекорд: 0,72 километри на час! Ова ја прави лебарката најбрз инсект на светот пеш - и theвезда во лабораторијата Поли-ПЕДАЛ на Универзитетот во Калифорнија во Беркли. „Поли“ значи „многу“, а „ПЕДАЛ“ потекнува од латинскиот збор „педали“ - стапала. Во исто време се залага за „Перформанси, енергетика и динамика на животно движење“.
Студираните студенти ја избегнуваат лабораторијата Поли-ПЕДАЛ: таа е преполна со лебарки, ракови, бубачки, мравки, милипеди, свирки, гекоси и други гуштери. Сè што има повеќе од две нозе и се движи, прецизно го испитуваат менаџерот на лабораторијата Роберт Фул и неговите колеги.
„И за мене лебарките не се баш естетски“, вели Фул. „Но, вие не мора да ги сакате за да ги најдете фасцинантни.“ Во секој случај, тој нема никакви инхибиции кога се занимава со нив: Без двоумење, тој стигнува во кафезот и држи прекрасен примерок од подушка на лебарка под носот на посетителот. Големина е на парче од пет марки.
Зошто истражувачите како Целосно се посветени на индексирање на многу народи? Се чини дека двоножните суштества достигнале највисоко ниво на еволуција: осум нозе кај членконогите станаа шест кај инсектите, четири кај цицачите и две кај луѓето - колку помалку опрема за трчање и колку поголем мозок, толку поголема стабилност и флексибилност се стекнаа и толку поголеми се растојанијата. Но, за биологот Фул, двонасочниот влез не е висина на совршенство во секој поглед: „Прошетката на двоногата е многу стабилна, но во однос на брзината и маневрирањето, луѓето со шест нозе се далеку супериорни од нас, и покрај ситниот мозок“.
Во лабораторијата Поли-ПЕДАЛ има уреди како оние што ги користат олимписки спортисти за да ја дознаат оптималната низа на движења за фрлање или скок - само во минијатурен формат. Инструментите на кои газат предметите за тестирање на животни се исклучително чувствителни. За да се измери силата што ја извршува стапалото на еден мал инсект, истражувачите изградиле посебна конструкција: Инсектите одат по гел кој има извор на светлина од едната страна и сензор од друга страна. Штом животно стапне, протокот на светлина во гелот се менува. Сензорот го регистрира ова и ги испраќа информациите до компјутер, кој ги пресметува силите на ударот на инсектот.
На почетокот гелот потекнуваше од супермаркетот: Се состоеше од ellел-О, желе-шеќер сладок. Но, бидејќи животните кои биле на тест биле повеќе заинтересирани да јадат подлога отколку да трчаат, заводливо слаткото гуо морало да биде заменето со обичен, невкусен желатин.
Откритијата што Фул и неговите колеги ги направија со своите тест објекти се исто толку неверојатни, колку и едноставни. Биолозите порано претпоставуваа дека животните со повеќе нозе се движат како тркало, наизменично ја креваат и спуштаат секоја нога. Но, Фул и неговиот тим откриле нешто сосема друго: повеќеножните луѓе користат „принцип на три точки“. Во случај на шестножни животни, изгледа вака: две нозе на едната страна и едната нога на другата формираат триаголник кој останува на земја додека вториот триаголник се врти напред. Милипедите се движат и на овој начин: нивните нозе формираат групи по три на секоја страна. И, научниците пронајдоа друг закон за индексирање. Во случај на многу стапала, нозете работат како скок со вградени пружини.
Дојдоа до овој заклучок сосема случајно. Студентите на Фул сакаа да откријат зошто инсектите можат толку брзо да ја вратат својата рамнотежа откако ќе бидат исфрлени од чекор. За да го направат ова, тие врзаа мал топ на грбот на лебарката. Откако топот испукал мал куршум, лебарката се сопнала. Но, неколку чекори по нарушувањето, таа продолжи со својот пат неподвижна со иста брзина. Кога научниците испитале како лебарката го сторила тоа, откриле дека инсектот толку брзо ја вратил рамнотежата, бидејќи не добил повратна информација од мозокот. Самите нозе - поточно: мускулите на нозете - го обработиле сигналот за нарушување и со тоа автоматски се стабилизирале.
Во Германија, тимот на Холк Крус на Одделот за биолошка кибернетика на универзитетот Билефелд ги следи триковите со водење инсекти. Во неговите лаборатории, лепливите инсекти мораат да завршат курсеви со препреки, а лопатките од рак на неблагодарна работа со сензори на резервоарите. Школките постојано се вознемируваат при одење право напред, бидејќи асистентот на Крус едноставно држи една од нивните осум нозе: „Како нозете се враќаат на стабилно одење, исто така, ни дава информации за тоа како функционира системот„ одење “како целина“, објаснува тој . Експериментален уред сличен на кафез со неуморен карцином во средината не само што ја регистрира позицијата на ногата, туку и силата што ја развива и возбудата што се јавува во мускулните клетки.
„Боб Фул е заинтересиран за она што е автономно во системот: нога за самоуправување што не му треба никаква повратна информација од централниот орган“, објаснува кибернетичарот Крус. „Повеќе нè интересира нивото погоре: Како шест нозе од инсекти или осум нозе од рак работат заедно без постојано да се сопнуваат едни со други?
Стапните инсекти се главните актери во Билефелд. Како ги прегазуваат препреките со своите 6 нозе и 18 зглобови, земаат кривини и се исправаат, Крус воодушевува повторно и повторно: „Неверојатно е разликата помеѓу овие сложени предизвици и едноставноста со која се контролираат движењата.“ Резултатите на Крус го потврдуваат Роберт Теоријата на лебарки на Фул на следното повисоко ниво: Дури и со стап-инсекти, шесте индексирани нозе не се под контрола на централниот нервен систем. Тие директно се координираат едни со други, ги согледуваат впечатоците од животната средина и ги обработуваат на лице место. Резултат: уредно движење на сите нозе. Ако стап-инсектот неочекувано наиде на пречка, оваа информација не мора да се пренесува на централниот нервен систем (ЦНС). Доволно е ако мускулите и нервите на двете предни нозе ја „регистрираат“ пречката и ја пренесат на преостанатите четири нозе. Резултат: Ужасот се врти - на сите шесткаши.
Но, дури и инсектите не можат без ЦНС: На пример, почетокот и крајот на процесот на трчање, неговата брзина и насока се контролираат од мозокот. Колку и да изгледаат чудни експериментите со инсекти, ракови и милипеди, за основните истражувачи Cruse и Full тие не се цел само по себе. Вашите резултати треба да послужат како инспирација за пронајдоци за други научници. Столот на Фул во Беркли се нарекува „Интегративна биологија“ затоа што неговото истражување ги интегрира наодите од животните науки со компјутерските науки и инженерството. „Ние го нарекуваме ова„ биоинспирација “, вели Фул. „Не ни се допаѓа зборот„ биомиметика “затоа што не станува збор за обична имитација на природата“.
Тој смета дека е бесмислено да се копира природата еден на еден, бидејќи животните се ограничени во нивните можности за развој. Најмногу, тие можат да направат мали промени во нивниот геном од генерација на генерација. Инженерите, од друга страна, можат да ја користат таблата за цртање за да дизајнираат оптимални решенија кои се супериорни во однос на природата. Worldивотинскиот свет - особено делот што се движи на шест нозе или повеќе - дава зачудувачки идеи за дизајн: „Ние ги истражуваме принципите, инженерите ги применуваат во пракса“, вели Фул за целта на неговата работа.
Пионерите за роботика Родни Брукс и Марк Раиберт од лабораторијата за вештачка интелигенција - лабораторијата за вештачка интелигенција - во Технолошкиот институт во Масачусетс во Бостон се такви „спроведувачи“. Пред една деценија, Брукс во својот оддел изгради роботи кои требаше да одат по тежок и опасен терен, како што е површината на другите планети. Во тоа време, групата на Раиберт конструираше роботи со еден, два и четири нозе кои се движеа слично како и луѓето. Возилата „Брукс“ беа исклучително стабилни, но нивниот напредок беше бавен и слаб. Од друга страна, машините на Раиберт можат да трчаат до 21 километар на час, да прескокнат препреки и да се искачуваат по скалите. Само што престанаа да се движат, тие паднаа над нив.
Работејќи со Фул, инженерите откриле дека одењето на многу нозе ги комбинира двата квалитети што им недостасуваат на нивните роботи: стабилност и маневрирање. Следниот чекор беше очигледен: изградба на робот што се движи како омиленото животно за тестирање на Фул. „RHex“ - скратено од „Robot Hexapod“ е создаден врз основа на примерот на лебарка. Приближно со големина на кутија за чевли, RHex може да се движи непречено на патека со пречки - со угледни единаесет километри на час. Неговите шест нозе се распоредени во хоризонтална рамнина, како кај ракови, гуштери и лебарки: „RHex не изгледа како лебарка, но ние му ги префрливме најважните принципи на инсектот“, гордо вели Фул.
Роботот има само-корегирачки рефлекси како резултат на вградени пружини и амортизери, но нема мозок. „Тоа не е потребно бидејќи неговите нозе се стабилизираат“, објаснува Фул. Со еден сет батерии, RHex може да покрие растојание од 3700 метри, може да се справи и со падини од 45 степени, да плива и да се качува по скали. Во текот на неговиот развој, инженерите го опремиле со се повеќе сензори, на пример, камера во боја и акцелерометри. Прототипот денес го претвора канадската компанија „Мехелигент“ во комерцијален производ.
Развојот на RHex беше во голема мера финансиран од DARPA (Агенција за напредни истражувачки проекти за одбрана), одделот за истражување на Министерството за одбрана на САД. Властите се многу заинтересирани за повеќеножните роботи: Кога се распоредени на груб, опасен терен во воените зони, роботите треба да ги преземат задачите на војниците. Американската вселенска агенција е посветена и на роботот на Боб Фул: во моментот тој преговара со НАСА дали RHex ќе биде дел од мисијата на Марс во 2007 година. Роботи со нозе се итно потребни таму затоа што тие можат полесно да се движат од возилата со тркала над нестоospубив или непознат терен.
Најкорисниот робот од работилницата на Фул до денес се вика Ариел: првиот робот со нога што може да оди и на копно и под вода. Следејќи го примерот на ракови, Ариел бил специјално дизајниран за таканаречената зона за сурфање на брегот. Рационализираното тело на Ариел ги минимизира силите на вшмукување. Тој е во состојба да ги надмине пречките и бездните што би ги држеле нормалните роботи на тркала. И може да издржи на брановите. Ако некој од нив го собори, неговите нозе едноставно се вртат околу сопствената оска: она што претходно беше грб, сега станува стомак и обратно.
Ариел - именуван по главниот лик Ариел во цртаниот филм на Дизни „Малата сирена“ - сега го гради iRobot, компанијата Родни Брукс. Во иднина, роботот ќе се користи за пребарување мини во зоната за сурфање - во воени зони покрај морето. ДАРПА исто така истури многу пари во развојот на Ариел.
И покрај масовното спонзорство од американската армија, Роберт Фул се надева дека роботите инспирирани од лабораторијата „Поли-ПЕДАЛ“ главно ќе се користат во мирни операции за пребарување и спасување. Неговата омилена визија за блиска иднина: мали роботи со многу нозе бараат уништени области за закопани луѓе, а мини-роботи со големина на мравка прават микрохируршки интервенции во човечкото тело. Инженерот Крис Пистер од лабораторијата за роботика на универзитетот Беркли веќе работи на тоа.
Боб Фул веќе сонува за нова генерација на „меки роботи“ - „меки роботи“, опремени со саморегулирачки мускули кои имаат степени на слобода, кои се сосема различни од претходните метални и пластични роботи. Принципот на самостабилизација откриен во лабораторијата Poly-PEDAL целосно го смени начинот на кој научниците размислуваат за вештачките мускули. Раните дизајни за вештачки екстремитети изгледаат како да се наменети за Терминаторот на Шварценегер: челични споеви со тетиви направени од жица што се централно контролирани од компјутер.
Откако групата на Фул открила дека трчањето воопшто не е потребно низ мозокот, на истражувачите им биле потребни мускули да работат самостојно, слични на оние од инсект. За оваа цел, Poly-PEDAL Lab работи заедно со компанијата SRI International од Пало Алто, Калифорнија, која произведува меки електро-активни полимери (EAP). Ако ставите филм на EAP како изолационен слој помеѓу две електроди и го ставите под напон, молекулите во него се шират. Ако ја исклучите напнатоста, тие повторно се стеснуваат и стануваат подебели - исто како и вистинското мускулно ткиво.
Тестовите покажаа дека EAP направени од акрилик и силициум можат да произведат слична изведба по килограм телесна тежина како и вистинските мускули. ЕАП веќе се користеа како активатори - т.е. извршни елементи: СРИ Интернационал во моментов развива вештачки мускули во мали мобилни роботи со големина од еден сантиметар, спонзорирани од јапонското Министерство за надворешна трговија и индустрија (МИТИ).
Вистинските мускули работат не само како активатори, туку и како сензори: Тие можат да соберат сигнали од околината и да ги претворат во движење во рок од милисекунди. Истражувачи како Јосиф Бар-Коен од Калифорнискиот институт за технологија се надеваат дека ќе можат да користат такви мускули на биолошки инспирирани роботи во иднина. Таквите роботи може да поминат големи растојанија скокајќи еластично како скакулци. Но, може да се замислат и роботи кои можат да летаат или да се вртат како змија благодарение на нивните мускули.
Вештачките мускули можат дури и да помогнат во медицината: „Еден ден, благодарение на EAP технологијата, ќе видиме поранешен корисник на инвалидска количка да џогира во супермаркет“, тврди Бар-Коен. За да се остварат ваквите фантастични соништа, сепак, механичката енергија на претходно достапните ЕАП не е доволна.
Друг сон е да се користат EAPs за да се развие интелигентен материјал кој ќе се прилагоди на дадените услови без надворешна контрола: „Зарем не би било одлично да носите чевли што совршено ви одговара?“, Го прашува Боб Фул и изгледа на нејзините обемни нозе. Исто така, може да се замисли дека табаните се вклопуваат точно на подот на кој џогира. „Или џемпери во форма на големината на половината на оној што ги носи и седат добро“, се насмевнува и го тапка заоблениот стомак.
Тогаш Фул повторно станува сериозен и филозофира за највисокиот принцип на лабораторијата Поли-ПЕДАЛ. Таа се заснова на цитат од данскиот лауреат на Нобеловата награда Аугуст Крог: „Ако има голем број проблеми, секогаш има некое животно што може да послужи како идеален модел на истражување.“ Значи, биоинспирацијата е можна само преку биодиверзитетот, објаснува Фул. Силен аргумент во прилог на заштитата на животната средина, тој вели: „Кога сè повеќе видови исчезнуваат од земјата, многу прекрасни идеи за дизајн се губат.“
Без наслов
Густа сива коса, гигантски мустаќи и привлечно, насмеано кружно, заоблено лице ги чекаат посетителите во лабораторијата „Поли-ПЕДАЛ“. Роберт Фул, 40-годишен професор по интегративна биологија, го поздравува секој посетител кој е заинтересиран за неговото истражување. „Како дете имав два големи интереси“, се сеќава тој, „спорт, особено бејзбол - и необични животни.“ Додека беше на одмор во Флорида, десетгодишниот Боб виде ракови како стрелат преку плажата: „Навистина сакав да знам како се сложуваа можат толку брзо да ги поместат своите шест нозе “.
Фул сè уште звучи ентузијастички како десетгодишно дете кога зборува за својата работа. По средното училиште, студирал биологија на Државниот универзитет во Newујорк во Бафало. Две години по завршувањето на докторатот, тој беше назначен во Беркли - најпрво како зоолог, подоцна му беше доделен стол за интегративна биологија. Ова беше проследено со сопствена лабораторија - и, конечно, свој институт во Беркли, кој во моментов е сè уште во фаза на развој.
Фул не само што работи со невообичаени животни, туку и со нетипични вработени: млади студенти. Во текот на изминатите 15 години, во неговата лабораторија работеа повеќе од 60 студенти на додипломски студии кои сè уште не завршиле диплома. Тие не се добредојдени во другите лаборатории: Додипломците немаат речиси никакво претходно знаење и ги чинат постојаните вработени многу време. Но, Фул го гледа поинаку. Не е за ништо што тој ја доби една од највисоките награди што Универзитетот во Калифорнија во Беркли треба да ја додели: „Наградата за одлична настава“, награда за извонредна настава. „Не би бил таму каде што сум денес, ако некој не ме гледаше кога бев додипломски.
Боб Фул бара многу на своите курсеви, но дава многу: обожава да се фали со достигнувањата на своите студенти и ги именува како коавтори кога објавува во главните списанија „Природа и наука“. „Неверојатно е какви идеи доаѓаат додипломците тука“, вели тој. На нивниот курс Биомехатроника, секој студент треба да изгради робот инспириран од природата. Една од креациите од курсот е на полицата на Фул: жолто-црна змија направена од лего коцки.
Таа не е сама. Играчката само излегува од полиците: Плишани бубачки и пластични ракови седат покрај акционите фигури од филмот Дизни-Пиксар „Bивотот на бубачката“. Комплетен не само што дизајнира роботи, тој исто така ги советува компаниите за производство на филмови. На пример, Pixar Animation, позната од хит-боксот „Наоѓање на Немо“. Благодарение на видео-снимките на Full од мравки, гасеници и лебарки, инсектите од цртаните филмови во „A Bug’s Life“ може да се анимираат во живот. За неговите студии, исто така, се вели дека влијаеле на карактерните црти на актерите од цртаните филмови.
Сепак, лебарките се прикажани како непријатност во филмот. Очигледно, тука не бил консултиран Фул. Како поинаку холивудските филмаџии можеа да го пропуштат она што светот може да го научи од лебарките?
Без наслов
ЕВЕЛИН ХОЕНСТАЈН е научен новинар и гинеколог во Минхен - и е многу импресиониран од гигантските роуши.