Agy nélkül fut; s könnyebb
Valami felrobban a csótány mögött. A rovar elrohan a keskeny plexi csövön keresztül, mintha az életének örülne. Az állat hirtelen a hátsó lábain áll és két lábon fut a műanyag alagút mentén - gyorsabban, mint korábban. Elhalad egy fénysorompó, amely méri a futási sebességet. Az eredmény világrekordot jelent: 0,72 kilométer per óra! Ez teszi a csótányt a világ leggyorsabban járó rovarává - és a csillagot a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem Poly-PEDAL laboratóriumában. A „Poly” jelentése „sok”, a „PEDAL” pedig a latin „pedes” - láb szóból származik. Ugyanakkor az "Állatmozgás teljesítménye, energetikája és dinamikája" kifejezés alatt áll.
A sziporkázó hallgatók kerülik a Poly-PEDAL laboratóriumot: hemzsegnek a csótányok, rákok, bogarak, hangyák, ezerlábúak, foltok, gekkók és más gyíkok. Bármit, amelynek több mint két lába és mozdulata van, Robert Full laboratóriumi vezető és munkatársai alaposan megvizsgálják.
"Számomra a csótányok sem éppen esztétikusak" - mondja Full. „De nem kell kedvelned őket, hogy lenyűgözőnek találják őket.” Mindenesetre nincsenek gátjai, amikor velük foglalkozik: habozás nélkül benyúl a ketrecbe, és a látogató orra alatt tartja a sziszegő csótány pompás példányát. Akkora, mint egy ötjegyű darab.
Miért szentelik a Fullhoz hasonló kutatók sok nép bejárását? Úgy tűnik, hogy a kétlábú lények elérték a legmagasabb evolúciós szintet: a csuklós állatoknál nyolc láb rovarokban hat, emlősökben négy, emberben kettő lett - minél kevesebb futófelszerelés és annál nagyobb az agy, annál nagyobb stabilitást és rugalmasságot kapott, és annál nagyobb távolságokat lehet leküzdeni. De a Full biológus számára a kétirányú bejárat nem minden szempontból a tökéletesség csúcsa: "A kétlábúak járása nagyon stabil, de a sebességet és a manőverezhetőséget tekintve a hatlábúak apró agyuk ellenére is felettébb állnak felettünk."
A Poly-PEDAL laboratóriumban vannak olyan eszközök, mint az olimpiai sportolók, hogy kiderítsék a dobás vagy ugrás optimális mozdulatsorát - csak miniatűr formátumban. Azok a műszerek, amelyeken az állatkísérleti tárgyak taposnak, rendkívül érzékenyek. Az egyetlen apró rovarláb által kifejtett erő mérésére a kutatók egy különleges konstrukciót építettek: a rovarok egy gélen járnak, amelynek egyik oldalán fényforrás, a másikon érzékelő található. Amint egy állat beteszi a lábát, megváltozik a fényáram a gélben. Az érzékelő ezt regisztrálja, és továbbítja az információt egy számítógépnek, amely kiszámítja a rovarrúgás erőit.
Eleinte a gél a szupermarketből érkezett: Jell-O-ból, cukor-édes kocsonyából állt. De mivel a kísérleti állatokat inkább a párna elfogyasztása érdekelte, mint a futás, a csábítóan édes fickót egyszerű, ízetlen zselatinnal kellett felváltani.
A felfedezések, amelyeket Full és munkatársai tettek a tesztobjektumaikkal, ugyanolyan elképesztőek, mint egyszerűek. A biológusok azt feltételezték, hogy a többlábú állatok úgy mozognak, mint egy kerék, felváltva emelve és süllyesztve az egyes lábakat. De Full és csapata egészen mást fedezett fel: a többlábúak „hárompontos elvet” alkalmaznak. A hatlábú állatok esetében ez így néz ki: az egyik oldalon két láb és a másik láb egy háromszöget képez, amely a földön marad, míg a második háromszög előre lendül. A százlábúak is így mozognak: a lábuk mindkét oldalon háromfős csoportokat alkot. És a tudósok találtak még egy mászó törvényt. Sok láb esetén a lábak úgy működnek, mint egy ugrópálca, beépített rugókkal.
Egészen véletlenül jutottak erre a következtetésre. Full hallgatói azt akarták megtudni, hogy a rovarok miért tudják olyan gyorsan visszanyerni egyensúlyukat, miután kidobták őket a lépésről lépésre. Ehhez egy kis ágyút rögzítettek egy csótány hátán. Miután az ágyú apró golyót lőtt, a csótány megbotlott. De néhány lépéssel a zavarás után ugyanolyan sebességgel folytatta útját nyugtalanul. Amikor a tudósok megvizsgálták, hogyan tette ezt a csótány, azt találták, hogy a rovar olyan gyorsan visszanyerte egyensúlyát, mert nem kapott visszajelzést az agyától. Maguk a lábak - pontosabban: a lábizmok - feldolgozták a zavarjelet, és ezáltal stabilizálták magukat.
Németországban a Bielefeldi Egyetem Biológiai Kibernetikai Tanszékének Holk Cruse csapata a rovarok futtatásának fortélyait követi. Laboratóriumaiban a botrovaroknak akadálypályákat kell teljesíteniük, a rákok pedig futópadokon eveznek, szenzorokkal a tartályaikon. A kagylókat többször zavarják, amikor egyenesen haladnak, mivel Cruse asszisztense egyszerűen megfogja nyolc lábuk egyikét: "A lábak stabil lépésre való visszatérése arról is információt nyújt, hogy a" sétáló "rendszer hogyan működik egészében" - magyarázza. . A ketrecszerű kísérleti eszköz, amelynek közepén megunhatatlan rák van, nem csak a láb helyzetét regisztrálja, hanem az általa kifejlesztett erőt és az izomsejtekben fellépő izgalmat is.
"Bob Full érdekli, hogy mi az autonóm a rendszerben: az önirányító láb, amelyhez nincs szükség semmilyen visszajelzésre egy központi hatóságtól" - magyarázza Cruse kibernetikus. "Jobban érdekel bennünket a fenti szint: Hogyan hat hat rovarláb vagy nyolc rákláb együtt, anélkül, hogy állandóan egymásba botlana?"
A botrovarok a fő szereplők Bielefeldben. Hogy hogyan futnak át az akadályokon 6 lábával és 18 ízületével, felváltva és kiegyenesedve, Cruse újra és újra elkápráztatja: „Elképesztő az eltérés e bonyolult kihívások és a mozgások irányításának egyszerűsége között.” Cruse eredményei megerősítik Robertet Full csótányelmélete a következő magasabb szintre: A botrovarok esetében is hat kúszó láb nincs központi idegrendszer ellenőrzése alatt. Közvetlenül koordinálják egymással, érzékelik a környezeti benyomásokat és a helyszínen feldolgozzák azokat. Az eredmény: minden láb rendezett mozgása. Ha a rovar váratlanul akadályba ütközik, ezeket az információkat nem kell továbbadni a központi idegrendszernek (CNS). Elegendő, ha a két első láb izmai és idegek „regisztrálják” az akadályt, és továbbadják a fennmaradó négy lábnak. Az eredmény: A horror bekapcsol - mind a hatban.
De még a rovarok sem nélkülözhetik a központi idegrendszert: például a futás kezdetét és végét, sebességét és irányát az agy szabályozza. Bármennyire is furcsának tűnhetnek a rovarokkal, rákokkal és ezerlábúakkal végzett kísérletek, a Cruse és a Full kutatók számára ezek nem öncélok. Eredményei inspirációként szolgálhatnak más tudósok találmányaihoz. A Berkeley-i szék elnevezése „Integratív biológia”, mivel kutatásai integrálják az élettudományok eredményeit a számítástechnikával és a mérnöki tudományokkal. "Ezt" bioinspirációnak "hívjuk." - mondja Full. "Nem szeretjük a" biomimetikumok "szót, mert nem pusztán a természet utánzásáról szól."
Értelmetlennek tartja a természet egy-egy másolását, mivel az állatok fejlődési lehetőségei korlátozottak. Legfeljebb kis változásokat hajthatnak végre genetikai összetételükben generációról generációra. A mérnökök viszont a rajztáblával optimalizálhatják a természetet felülmúló megoldásokat. Az állatvilág - különösen az a rész, amely hat vagy több lábon mozog - elképesztő tervezési ötleteket nyújt: "Az alapelveket kutatjuk, a mérnökök a gyakorlatba ültetik át" - mondja munkájának célja Full.
A robotika úttörői, Rodney Brooks és Mark Raibert a Bostoni Massachusettsi Műszaki Intézetben, a Mesterséges Intelligencia Laboratóriumban - a mesterséges intelligencia laboratóriumában - ilyen "megvalósítók". Egy évtizeddel ezelőtt Brooks robotokat épített az osztályán, amelyeknek állítólag nehéz és veszélyes terepen kellett járniuk, például más bolygók felszínén. Abban az időben Raibert csoportja egy-, két- és négylábú robotokat készített, amelyek hasonlóan mozogtak, mint az emberek. Brooks járművei rendkívül robusztusak voltak, de haladásuk lassú és lassú volt. Raibert gépei viszont akár 21 kilométert is képesek futni óránként, akadályokat ugorhatnak és lépcsőkön mászhatnak. Amint azonban abbahagyták a mozgást, lebuktak.
A Full munkatársaival együtt a mérnökök felfedezték, hogy sok láb járása egyesíti a robotok két tulajdonságát: a stabilitást és a manőverezhetőséget. A következő lépés nyilvánvaló volt: olyan robot építése, amely úgy mozog, mint Full kedvenc kísérleti állata. Az "RHex" - rövidítve a "Robot Hexapod" -ból egy csótány példájára készült. Nagyjából egy cipősdoboz méretű RHex fürgén mozoghat egy akadálypályán - tiszteletre méltó tizenegy kilométer/órával. Hat lába a vízszintes síkban helyezkedik el, akárcsak a rákokban, gyíkokban és csótányokban: "Az RHex nem hasonlít csótányra, de a rovar legfontosabb alapelveit átültettük rá" - mondja büszkén Full.
A robot önkorrekciós reflexekkel rendelkezik a beépített rugók és lengéscsillapítók miatt, de nincs agya. "Erre nincs szükség, mert a lábai stabilizálják önmagukat" - magyarázza Full. Egy elemkészlettel az RHex 3700 métert tud megtenni, képes megbirkózni a 45 fokos lejtőkkel, úszni és lépcsőzni is. Fejlesztése során a mérnökök egyre több érzékelővel szerelték fel, például színes kamerával és gyorsulásmérőkkel. A prototípust a kanadai Mecheligent vállalat kereskedelmi termékké alakítja ma.
Az RHex fejlesztését nagyrészt a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) finanszírozta, az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának kutatási részlege. A hatóságokat nagyon érdekli a sok lábon járó robot: A háborús övezetekben durva, veszélyes terepen történő telepítéskor a robotoknak át kell venniük a katonák feladatait. Az amerikai űrügynökség is elkötelezett Bob Full robotja mellett: Jelenleg tárgyal a NASA-val arról, hogy az RHex részt vesz-e a 2007-es Mars-misszióban. Lábas robotokra sürgősen szükség van ott, mert barátságtalan vagy ismeretlen terepen könnyebben tudnak közlekedni, mint a kerekes járművek.
A Full műhely eddigi leghasznosabb robotjának az Ariel nevet adják: az első lábú robot, amely képes szárazföldön és víz alatt is járni. A rákok példáját követve az Arielt kifejezetten a tengerparti úgynevezett szörfzónához tervezték. Ariel áramvonalas teste minimalizálja a szívóerőket. Képes legyőzni azokat az akadályokat és szakadékokat, amelyeket a normál kerekes robotok tartanának. És ellenáll a hullámoknak. Ha egyikük megdönti, a lába egyszerűen megfordul a saját tengelye körül: Ami korábban a hátsó volt, most gyomrává válik, és fordítva.
Arielt - akit Ariel című Disney-rajzfilm főszereplőjéről, Arielről kaptak - most az iRobot, a Rodney Brooks cég építi. A jövőben a robotot aknák felkutatására használják majd a szörfözési zónában - a tenger melletti háborús övezetekben. A DARPA sok pénzt öntött Ariel fejlődésébe.
Az amerikai hadsereg hatalmas szponzorálása ellenére Robert Full reméli, hogy a Poly-PEDAL Lab által ihletett robotokat elsősorban békés keresési és mentési műveletekben fogják felhasználni. Kedvenc elképzelése a közeljövőről: kicsi, sok lábú robotok elpusztított területeket keresnek az eltemetett emberek után, hangyaméretű minirobotok pedig mikrosebészeti beavatkozásokat hajtanak végre az emberi testben. Kris Pister mérnök, a Berkeley Egyetem Robotikai Laboratóriumában már dolgozik rajta.
Bob Full már a „puha robotok” új generációjáról - „puha robotokról” - álmodik, amelyek önszabályozó izmokkal vannak felszerelve, amelyek szabadságfoka teljesen eltér a korábbi fém- és műanyag robotokétól. A Poly-PEDAL laboratóriumban felfedezett önstabilizációs elv teljesen megváltoztatta a tudósok gondolkodását a mesterséges izmokról. A mesterséges végtagok korai kialakításai úgy néznek ki, mintha a Schwarzenegger Terminator készülékének szánnák őket: acél kötések, inakkal, huzalból, amelyeket központilag egy számítógép vezérel.
Miután Full csoportja megállapította, hogy a futásnak az agyon keresztül egyáltalán nem szükséges, a kutatóknak szükségük volt az izmok önálló működésére, hasonlóan a rovarokéhoz. Erre a célra a Poly-PEDAL Lab együttműködik a kaliforniai Palo Altóból származó SRI International céggel, amely lágy elektroaktív polimereket (EAP) gyárt. Ha az EAP-filmet szigetelő rétegként két elektróda közé helyezi és feszültség alá helyezi, akkor a benne lévő molekulák kitágulnak. Ha kikapcsolja a feszültséget, akkor ismét összehúzódnak és vastagabbá válnak - akárcsak a valódi izomszövet.
A vizsgálatok kimutatták, hogy az akrilból és szilíciumból készült EAP-k hasonló teljesítményt képesek kifejezni testtömeg-kilogrammonként, mint a valódi izmok. Az EAP-t már működtetőként - azaz végrehajtó elemként - használták: például az SRI International jelenleg egy japán külkereskedelmi és ipari minisztérium (MITI) támogatásával mesterséges izmokat fejleszt ki egy centiméter nagyságú kisméretű mobil robotok számára.
A valódi izmok nemcsak működtetőként, hanem érzékelőként is működnek: Fel tudják venni a környezetből érkező jeleket, és ezredmásodperceken belül mozgássá alakíthatják őket. Olyan kutatók, mint Yoseph Bar-Cohen, a Kaliforniai Műszaki Intézet reményei szerint a jövőben ilyen izmokat tudnak majd használni biológiailag ihletett robotokon. Az ilyen robotok nagy távolságokat tehetnek meg, ha ugyanolyan rugalmasan ugranak, mint a szöcskék. De elképzelhetőek azok a robotok is, amelyek izmaiknak köszönhetően képesek kígyóként repülni vagy csavarni.
A mesterséges izmok akár az orvostudományban is segíthetnének: "Egy napon az EAP technológiának köszönhetően meglátjuk, hogy egy volt kerekesszékes használó kocog a szupermarketbe" - állítja Bar-Cohen. Az ilyen fantasztikus álmok valóra váltásához azonban a korábban rendelkezésre álló EAP-k mechanikai energiája nem elegendő.
Egy másik álom az EAP-k felhasználásával olyan intelligens anyag kifejlesztése, amely külső vezérlés nélkül alkalmazkodik az adott körülményekhez: "Nem lenne jó olyan cipőt viselni, amely tökéletesen illik hozzád?" - kérdezi Bob Full és kinéz terjedelmes lábán. Elképzelhető lenne az is, hogy a talpak pontosan illeszkedjenek a földhöz, amin kocog. - Vagy a pulóverek, amelyek a viselő derekának méretének megfelelően vannak kialakítva és jól ülnek - mosolyog és megsimogatja kerek hasát.
Aztán Full újra elkomolyodik, és a Poly-PEDAL Lab legmagasabb elvéről filozofál. August Krogh, a dán Nobel-díjas díjátadó idézetén alapszik: „Ha nagyszámú probléma van, mindig akad olyan állat, amely ideális vizsgálati modellként szolgálhat.” A bioinpiráció tehát csak a biodiverzitás révén lehetséges - magyarázza Full. Erős érv a környezetvédelem mellett, azt mondja: "Amikor egyre több faj tűnik el a földről, sok csodálatos tervezési ötlet veszik el." ■
Névtelen
Vastag, ősz haj, gigantikus bajusz és vonzó, mosolygós, nagy, kerek arc várja a Poly-PEDAL Lab látogatóit. Robert Full, az integratív biológia 40 éves professzora minden látogatót szeretettel vár, akit érdekel a kutatás. „Gyerekként két nagy érdeklődésem volt - emlékszik vissza -, a sport, főleg a baseball és a szokatlan állatok.” Floridában nyaralás közben a tízéves Bob rákokat látott a tengerparton átdördülni: olyan gyorsan mozgathatja hat lábukat. "
Full még mindig lelkesen hangzik, mint egy tízéves, amikor a munkájáról beszél. Középiskola után biológiát tanult a Buffalo-i New York-i Állami Egyetemen. Két évvel a doktori fokozat elvégzése után kinevezték Berkeley-be - először zoológusként, később az integratív biológia tanszékét kapta. Ezt követte a saját laboratóriuma - és végül a saját Berkeley-i intézete, amely jelenleg még fejlesztési szakaszban van.
A Full nemcsak szokatlan állatokkal dolgozik, hanem atipikus alkalmazottakkal is: fiatal diákokkal. Az elmúlt 15 évben több mint 60 egyetemi hallgató dolgozott laboratóriumában, akik még nem végeztek. Más laboratóriumokban nem fogadják őket szívesen: Az egyetemistáknak alig vannak korábbi ismereteik, és sok időbe kerülnek az állandó alkalmazottak. De Full másképp látja. Nem hiába kapta meg az egyik legmagasabb díjat, amelyet a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemnek át kell adnia: a „Distinguished Teaching Award” -t, a kiemelkedő oktatásért járó díjat. "Nem lennék ott, ahol ma vagyok, ha valaki nem nézett volna rám, amikor egyetemista voltam."
Bob Full sokat kér a tanfolyamain, de sokat ad: imád dicsekedni hallgatói eredményeivel, és társszerzőként nevezi meg őket, amikor a Nature és Science magas rangú folyóiratokban publikál. "Hihetetlen, hogy az egyetemisták milyen ötletekkel állnak elő itt" - mondja. Biomechatronikai tanfolyamán minden hallgatónak meg kell építenie egy robotot, amelyet a természet ihletett. A tanfolyam egyik alkotása a Full polcán található: Lego téglából készült sárga-fekete kígyó.
Nincs egyedül. A játék csak kiszivárog a polcokról: Plüss bogarak és műanyag rákok ülnek a Disney-Pixar film "A poloska élete" akciófigurái mellett. A Full nem csak robotokat tervez, hanem filmgyártó cégeket is tanácsot ad. Például a "Finding Nemo" című kasszasikeres slágerből ismert Pixar Animation. Köszönhetően Full hangyákról, hernyókról és csótányokról készült videofelvételeinek, a „Bug's Life” című rajzfilm rovarok élethűen animálhatók. Tanulmányai állítólag befolyásolták a rajzfilmes szereplők jellemvonásait is.
Mégis: a csótányokat kellemetlenségként ábrázolják a filmben. Nyilvánvaló, hogy itt nem konzultáltak a Fulldal. Hogyan is hagyhatnák ki a hollywoodi filmesek azt, amit a világ megtanulhat a csótányokból?
Névtelen
EVELYN HAUENSTEIN tudományos újságíró és nőgyógyász Münchenben - és nagyon lenyűgözte az óriási csótányok.