Behá bez mozgu; je jednoduchšie
Za švábom niečo exploduje. Hmyz sa rúti preč cez úzku plexisklovú trubicu, akoby to bolo na celý život. Zrazu zviera stojí na zadných nohách a beží po dvoch nohách pozdĺž plastového tunela - rýchlejšie ako predtým. Prechádza svetelná závora, ktorá meria rýchlosť jazdy. Výsledok znamená svetový rekord: 0,72 kilometra za hodinu! Vďaka tomu je šváb najrýchlejšie sa pohybujúcim hmyzom na svete - a hviezdou v laboratóriu Poly-PEDAL Lab na Kalifornskej univerzite v Berkeley. „Poly“ znamená „veľa“ a „PEDAL“ pochádza z latinského slova „pedes“ - nohy. Zároveň to znamená „Výkon, energia a dynamika pohybu zvierat“.
Šikovní študenti sa vyhýbajú laboratóriu Poly-PEDAL: hemží sa švábmi, krabmi, chrobákmi, mravcami, mnohonožkami, motolicami, gekónmi a inými jaštericami. Všetko, čo má viac ako dve nohy a pohyby, starostlivo prešetruje vedúci laboratória Robert Full a jeho kolegovia.
„Aj pre mňa nie sú šváby práve estetické,“ hovorí Full. "Ale nemusíš ich mať rád, aby ťa považovali za fascinujúce." V žiadnom prípade nemá zábrany pri jednaní s nimi: Bez váhania siahne do klietky a pod nosom návštevníka drží nádherný exemplár syčiaceho švába. Je to veľkosť päťmiestneho kusu.
Prečo sú vedci ako Full oddaní plazeniu mnohých národov? Zdá sa, že dvojnohé bytosti dosiahli najvyššiu úroveň vývoja: osem končatín u kĺbových zvierat sa zmenilo na šesť u hmyzu, štyri u cicavcov a dve u ľudí - čím menej pojazdového ústrojenstva a väčší mozog, tým viac stability a flexibility sa získalo tým väčšie sú vzdialenosti, ktoré je možné prekonať. Ale pre biológa Fullho nie je obojsmerný vstup v každom ohľade výškou dokonalosti: „Prechádzka dvojnohého dieťaťa je veľmi stabilná, ale pokiaľ ide o rýchlosť a manévrovateľnosť, sú šesťnohí ľudia napriek maličkým mozgom oproti nám nesmierne lepší.“
V laboratóriu Poly-PEDAL Lab sú zariadenia podobné tým, ktoré používajú olympijskí športovci na zistenie optimálnej postupnosti pohybov pri vhadzovaní alebo skokoch - iba v miniatúrnom formáte. Nástroje, po ktorých zvieracie testovacie objekty prešľapujú, sú mimoriadne citlivé. Na meranie sily vyvíjanej jednou malou nožičkou hmyzu vedci zostrojili špeciálnu konštrukciu: hmyz kráča po géli, ktorý má na jednej strane zdroj svetla a na druhej senzor. Len čo zviera vstúpi, zmení sa tok svetla v géli. Senzor to zaregistruje a preposiela informácie do počítača, ktorý počíta sily kopnutia hmyzom.
Gél spočiatku pochádzal zo supermarketu: Skladal sa z želé Jell-O, sladkého cukru. Ale pretože testované zvieratá mali väčší záujem jesť svoju podložku ako behať, bolo potrebné zvodne sladké goo nahradiť jednoduchou želatínou bez chuti.
Objavy, ktoré Full a jeho kolegovia priniesli so svojimi testovacími objektmi, sú rovnako ohromujúce ako jednoduché. Biológovia skôr vychádzali z toho, že zvieratá s mnohonohými nohami sa pohybujú ako koleso a každú nohu striedavo dvíhajú a spúšťajú. Full a jeho tím však objavili niečo úplne iné: ľudia s viacerými nohami používajú „princíp troch bodov“. V prípade šesťnohých zvierat to vyzerá takto: dve nohy na jednej strane a jedna noha na druhej tvoria trojuholník, ktorý zostáva na zemi, zatiaľ čo sa druhý trojuholník vyklápa dopredu. Aj mnohonožky sa pohybujú týmto spôsobom: ich nohy tvoria na každej strane skupiny po troch. A vedci našli ďalší plazivý zákon. V prípade mnohých chodidiel fungujú nohy ako skákacia palica so zabudovanými pružinami.
K tomuto záveru prišli úplne náhodou. Fullovi študenti chceli zistiť, prečo môže hmyz tak rýchlo znovu získať rovnováhu po vyhodení z kroku. Za týmto účelom pripútali malé delo na chrbát švába. Potom, čo kanón vystrelil malú guľku, šváb zakopol. Ale pár krokov po vyrušovaní pokračovala v ceste neodradenou rovnakou rýchlosťou. Keď vedci skúmali, ako to šváb urobil, zistili, že hmyzu sa tak rýchlo vrátila rovnováha, pretože zo svojho mozgu nedostával žiadnu spätnú väzbu. Samotné nohy - presnejšie: svaly nôh - spracovali signál rušenia a tým sa automaticky stabilizovali.
V Nemecku je tím Holk Cruse na Katedre biologickej kybernetiky na Bielefeldskej univerzite po trikoch s behaním hmyzu. V jeho laboratóriách musí paličkový hmyz absolvovať prekážkové dráhy a raky veslia na bežeckých pásoch so senzormi na svojich nádržiach. Mäkkýše sú opakovane rušené pri priamej chôdzi, pretože asistentka Cruse jednoducho drží jednu z ich ôsmich nôh: „To, ako sa nohy vracajú k stabilnej chôdzi, nám tiež poskytuje informácie o fungovaní systému„ chôdze “ako celku,“ vysvetľuje . Klietkové experimentálne zariadenie s neúnavnou rakovinou uprostred registruje nielen polohu nohy, ale aj vyvíjanú silu a vzrušenie, ktoré vzniká vo svalových bunkách.
„Bob Full sa zaujíma o to, čo je v systéme autonómne: samoriadiaca noha, ktorá nepotrebuje žiadnu spätnú väzbu od ústredného orgánu,“ vysvetľuje kybernetik Cruse. „Viac nás zaujíma vyššie uvedená úroveň: Ako spolupracuje šesť hmyzích nôh alebo osem krabích nôh bez toho, aby o seba neustále zakopávali?“
Hlavným aktérom v Bielefelde je tyčový hmyz. Cruse ako prekonávajú prekážky so svojimi 6 nohami a 18 kĺbmi, krivkami a narovnávaním, Cruse znova a znova udivuje: „Rozpor medzi týmito zložitými výzvami a jednoduchosťou ovládania pohybov je úžasný.“ Výsledky Cruse potvrdzujú Roberta Fullova teória švábov na nasledujúcej vyššej úrovni: Ani pri plazivom hmyze nie je šesť plaziacich sa nôh pod kontrolou centrálneho nervového systému. Priamo sa koordinujú, vnímajú environmentálne dojmy a spracúvajú ich na mieste. Výsledok: usporiadaný pohyb všetkých nôh. Ak sa hmyz palice nečakane stretne s prekážkou, nemusí sa táto informácia prenášať do centrálneho nervového systému (CNS). Postačí, ak svaly a nervy dvoch predných nôh prekážku „zaregistrujú“ a prenesú ju na zvyšné štyri nohy. Výsledok: Horor sa otočí - na všetkých šestkách.
Ale ani hmyz sa nezaobíde bez CNS: Napríklad začiatok a koniec prebiehajúceho procesu, jeho rýchlosť a smer riadi mozog. Akokoľvek zvláštne sa môžu experimenty s hmyzom, kraby a mnohonožkami zdať, pre základných výskumníkov Cruse a Full nie sú samoúčelné. Vaše výsledky by mali slúžiť ako inšpirácia pre vynálezy pre ďalších vedcov. Fullovo kreslo v Berkeley sa volá „Integrative Biology“, pretože jeho výskum integruje poznatky z biologických vied s počítačovou vedou a technikou. „Hovoríme tomu„ bioinšpirácia “,“ hovorí Full. „Nemáme radi slovo„ biomimetika “, pretože nejde o číre napodobňovanie prírody.“
Považuje za nezmyselné kopírovať prírodu jedna k jednej, pretože zvieratá majú obmedzené možnosti vývoja. Nanajvýš môžu robiť malé zmeny vo svojom genóme z generácie na generáciu. Inžinieri môžu na druhej strane pomocou rysovacej dosky navrhnúť optimálne riešenia, ktoré sú nadradené prírode. Svet zvierat - najmä časť, ktorá sa pohybuje na šiestich alebo viacerých nohách - poskytuje úžasné dizajnérske nápady: „Skúmame princípy, inžinieri ich uplatňujú v praxi,“ hovorí Full o cieli svojej práce.
Takými „realizátormi“ sú priekopníci v robotike Rodney Brooks a Mark Raibert z laboratória umelej inteligencie - laboratória pre umelú inteligenciu - na Massachusetts Institute of Technology v Bostone. Pred desiatimi rokmi postavil Brooks vo svojom oddelení robotov, ktorí mali kráčať po náročnom a nebezpečnom teréne, napríklad po povrchu iných planét. V tom čase Raibertova skupina skonštruovala jedno-, dvoj- a štvornohých robotov, ktorí sa pohybovali podobne ako ľudia. Vozidlá spoločnosti Brooks boli mimoriadne robustné, ale ich pokrok bol pomalý a pomalý. Raibertove stroje naopak dokázali bežať až 21 kilometrov za hodinu, skákať cez prekážky a stúpať po schodoch. Len čo sa však prestali hýbať, spadli.
Inžinieri v spolupráci s Full zistili, že chôdza mnohých nôh kombinuje dve vlastnosti, ktoré ich robotom chýbali: stabilitu a manévrovateľnosť. Ďalší krok bol zrejmý: zostrojenie robota, ktorý sa pohybuje ako Fullove obľúbené testovacie zviera. „RHex“ - skrátene „robot Hexapod“ bol vytvorený na základe príkladu švába. RHex, ktorý je zhruba taký veľký ako krabica od topánok, sa dokáže pohybovať po prekážkovej dráhe hravo - pri úctyhodných jedenástich kilometroch za hodinu. Jeho šesť nôh je usporiadaných v horizontálnej rovine, podobne ako u krabov, jašteríc a švábov: „RHex nevyzerá ako šváb, ale preniesli sme doň najdôležitejšie princípy hmyzu,“ hovorí hrdo Full.
Robot má samoopravné reflexy vďaka zabudovaným pružinám a tlmičom, ale nemá mozog. „To nie je potrebné, pretože jeho nohy sa stabilizujú,“ vysvetľuje Full. S jednou sadou batérií dokáže RHex prejsť 3 700 metrov, poradí si aj so sklonmi 45 stupňov, pláva a stúpa po schodoch. V priebehu vývoja ho inžinieri vybavili ďalšími a ďalšími senzormi, napríklad farebnou kamerou a akcelerometrami. Prototyp dnes prevádza kanadská spoločnosť Mecheligent na komerčný produkt.
Vývoj RHex bol z veľkej časti financovaný z výskumnej divízie amerického ministerstva obrany DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Úrady majú veľký záujem o mnohonohých robotov: Pri nasadení na drsný a nebezpečný terén vo vojnových zónach majú roboty prevziať úlohy vojakov. Americká vesmírna agentúra sa zaviazala aj k robotovi Boba Fulla: V súčasnosti rokuje s NASA, či bude RHex súčasťou misie Mars v roku 2007. Nožní roboti sú tam nevyhnutne potrební, pretože sa po nehostinnom alebo neznámom teréne môžu ľahšie pohybovať ako kolesové vozidlá.
Najužitočnejší robot z doterajšej Fullovej dielne sa volá Ariel: prvý robot s nohami, ktorý dokáže kráčať po zemi aj pod vodou. Podľa príkladu krabov bol Ariel špeciálne navrhnutý pre takzvanú surferskú zónu na pobreží. Arielino zjednodušené telo minimalizuje sacie sily. Je schopný prekonávať prekážky a priepasti, ktoré by bežní roboti na kolesách držali. A vydrží aj vlny. Ak ho jeden z nich prevráti, jeho nohy sa jednoducho otočia okolo vlastnej osi: to, čo bolo predtým chrbtom, sa teraz stáva žalúdkom a naopak.
Ariel - pomenovanú po hlavnej postave Ariel v komikse Disney „Malá morská víla“ - v súčasnosti vyrába spoločnosť iRobot, spoločnosť Rodney Brooks. V budúcnosti bude robot slúžiť na hľadanie mín v zóne surfovania - vo vojnových zónach pri mori. DARPA tiež vložila veľa peňazí do rozvoja Ariel.
Napriek rozsiahlemu sponzorstvu americkej armády Robert Full dúfa, že roboty inšpirované laboratóriom Poly-PEDAL sa budú používať hlavne pri mierových pátracích a záchranných operáciách. Jeho obľúbená vízia do blízkej budúcnosti: malí roboti s mnohými nohami prehľadávajú zničené miesta pre pochovaných ľudí a mini roboti s veľkosťou mravcov vykonávajú mikrochirurgické zásahy do ľudského tela. Inžinier Kris Pister z laboratória robotiky na Berkeley University už na tom pracuje.
Bob Full už sníva o novej generácii „mäkkých robotov“ - „mäkkých robotov“, vybavených samoregulačnými svalmi, ktoré majú stupne voľnosti, ktoré sú úplne odlišné od predchádzajúcich robotov vyrobených z kovu a plastu. Princíp seba-stabilizácie objavený v laboratóriu Poly-PEDAL Lab úplne zmenil spôsob, akým vedci uvažujú o umelých svaloch. Prvé návrhy umelých končatín vyzerajú, akoby boli určené pre Schwarzeneggerovho Terminátora: oceľové kĺby so šľachami vyrobenými z drôtu, ktoré sú centrálne riadené počítačom.
Keď Fullova skupina zistila, že behanie cez mozog nie je vôbec potrebné, vedci potrebovali svaly, aby mohli pracovať nezávisle, podobne ako hmyz. Za týmto účelom Poly-PEDAL Lab spolupracuje so spoločnosťou SRI International z Palo Alto v Kalifornii, ktorá vyrába mäkké elektroaktívne polyméry (EAP). Ak vložíte film EAP ako izolačnú vrstvu medzi dve elektródy a dáte ho pod napätie, molekuly v ňom sa roztiahnu. Ak vypnete napätie, znova sa stiahnu a zhrubnú - rovnako ako skutočné svalové tkanivo.
Testy preukázali, že EAP vyrobené z akrylu a kremíka môžu vyprodukovať podobný výkon na kilogram telesnej hmotnosti ako skutočné svaly. EAP sa už používali ako akčné členy - teda výkonné prvky: napríklad spoločnosť SRI International v súčasnosti vyvíja umelé svaly pre malé mobilné roboty veľké jeden centimeter, sponzorované japonským ministerstvom zahraničného obchodu a priemyslu (MITI).
Skutočné svaly fungujú nielen ako aktivátory, ale aj ako senzory: Môžu zachytávať signály z okolia a behom milisekúnd ich premieňať na pohyb. Vedci ako Yoseph Bar-Cohen z Kalifornského technologického inštitútu dúfajú, že budú môcť tieto svaly v budúcnosti použiť na biologicky inšpirovaných robotoch. Takíto roboti dokázali prekonať veľké vzdialenosti skokom rovnako pružným ako kobylky. Ale mysliteľné sú aj roboty, ktoré môžu vďaka svojim svalom lietať alebo sa krútiť ako had.
Umelé svaly by mohli pomôcť dokonca aj v medicíne: „Jedného dňa vďaka technológii EAP uvidíme bývalého vozičkára, ktorý si zabehne do supermarketu,“ tvrdí Bar-Cohen. Na uskutočnenie takýchto fantastických snov však mechanická energia predtým dostupných EAP nie je dostatočná.
Ďalším snom je pomocou EAP vyvinúť inteligentný materiál, ktorý sa bez vonkajšej kontroly prispôsobí daným podmienkam: „Nebolo by skvelé nosiť obuv, ktorá vám dokonale sedí?“ Pýta sa Bob Full a vyzerá na jeho objemných nohách. Bolo by tiež mysliteľné, aby chodidlá zapadli presne k zemi, na ktorej sa človek pohybuje. "Alebo svetre, ktoré sú tvarované podľa veľkosti pása nositeľa a sedia dobre," usmeje sa a potľapká si po guľatom brušku.
Potom Full znova zvážnie a filozofuje o najvyššom princípe laboratória Poly-PEDAL. Vychádza z citátu dánskeho laureáta Nobelovej ceny Augusta Krogha: „Ak existuje veľké množstvo problémov, vždy sa nájde nejaké zviera, ktoré môže slúžiť ako ideálny študijný model.“ Bioinšpirácia je teda možná iba prostredníctvom biodiverzity, vysvetľuje Full. Tvrdí to v prospech ochrany životného prostredia a hovorí: „Keď čoraz viac druhov zmizne zo Zeme, stratí sa veľa nádherných dizajnérskych nápadov.“ ■
Bez názvu
Na návštevníkov laboratória Poly-PEDAL čakajú husté sivé vlasy, gigantické fúzy a pútavá usmievavá veľká okrúhla tvár. Robert Full, 40-ročný profesor integračnej biológie, víta každého návštevníka, ktorý sa zaujíma o jeho výskum. „Ako dieťa som mal dva veľké záujmy,“ spomína, „šport, najmä bejzbal - a neobvyklé zvieratá.“ Desaťročný Bob na dovolenke na Floride uvidel, ako po pláži behajú kraby. pohybujú ich šiestimi nohami tak rýchlo. ““
Full stále znie nadšene ako desaťročný, keď hovorí o svojej práci. Po strednej škole študoval biológiu na State University v New Yorku v Buffale. Dva roky po ukončení doktorátu bol menovaný do Berkeley - najskôr ako zoológ, neskôr dostal miesto v odbore integrujúca biológia. Nasledovalo vlastné laboratórium - a nakoniec vlastný ústav v Berkeley, ktorý je v súčasnosti stále vo fáze vývoja.
Full pracuje nielen s neobvyklými zvieratami, ale aj s atypickými zamestnancami: mladými študentmi. Za posledných 15 rokov v jeho laboratóriu pracovalo viac ako 60 vysokoškolských študentov, ktorí ešte nedokončili štúdium. V iných laboratóriách nie sú vítaní: Vysokoškoláci nemajú takmer žiadne predchádzajúce vedomosti a stálych zamestnancov stoja veľa času. Full to však vidí inak. Nie nadarmo získal jedno z najvyšších ocenení, ktoré musí Kalifornská univerzita v Berkeley udeľovať: „Distinguished Teaching Award“, cena za vynikajúcu výučbu. „Dnes by som nebol tam, kde som, keby ma niekto nestaral, keď som bol vysokoškolák.“
Bob Full na svojich kurzoch veľa žiada, ale dáva veľa: rád sa chváli úspechmi svojich študentov a menuje ich ako spoluautorov, keď publikuje vo významných časopisoch Nature and Science. „Je neuveriteľné, s akými myšlienkami tu prichádzajú vysokoškoláci,“ hovorí. Na svojom kurze Biomechatronika musí každý študent zostrojiť robota inšpirovaného prírodou. Jeden z výtvorov z kurzu je na Fullovej poličke: žlto-čierny had vyrobený z lego kociek.
Nie je sama. Hračka len tak vyteká z políc: Plyšové chrobáky a plastové kraby sedia vedľa akčných figúrok z filmu Disney-Pixar „Život ploštice“. Full nielen navrhuje roboty, ale radí aj filmovým produkčným spoločnostiam. Napríklad Pixar Animation, známy z pokladne, „Finding Nemo“. Vďaka Fullovým videozáznamom mravcov, húseníc a švábov sa dal kreslený film „A Bug’s Life“ oživiť realisticky. Jeho štúdie údajne ovplyvnili aj charakterové vlastnosti kreslených hercov.
Napriek tomu: šváby sú vo filme vykreslené ako nepríjemnosť. Full tu zjavne nebol konzultovaný. Ako inak mohli hollywoodskym filmárom uniknúť to, čo sa svet môže naučiť od švábov?
Bez názvu
EVELYN HAUENSTEIN je vedecká novinárka a gynekologička v Mníchove - a veľmi na ňu pôsobia obrovské šváby.