هذا بلوروبوت.
إنه ربوت صُمم ليحاكي نوع من السمندل
يسمى (بلورديلز والت).
كما ترون هنا، بليوروبوت يستطيع المشي،
و سترون لاحقًا، أنه يستطيع السباحة أيضًا.
ربما تتساءلون لماذا صممنا هذا الروبوت؟
في الحقيقة تم تصميم هذا الربوت ليكون أداة تُستخدم في علم الأعصاب.
وبالطبع، قمنا بتصميمه بمساعدة علماء الأعصاب
لنفهم كيف تتحرك الحيوانات،
بالأخص كيف يتحكم النخاع الشوكي في الحركة.
وكلما تعمقت في الروبوتات الحيوية،
انبهرت أكثر بحركة الحيوانات.
إذا فكرت في دلفين يسبح أو قط يجري أو يقفز،
أو حتى نحن البشر،
عندما تركض أو تلعب التنس،
نحن نقوم بأشياء عظيمة.
وفي الحقيقة نظامنا العصبي يحل أكثر مشاكل التحكم تعقيدًا.
فهو يقوم بتنسيق حركة 200 عضلة بإتقان،
لأنه إذا كان التنسيق سيئًا، سنسقط على الأرض أو تكون حركتنا سيئة.
وهدفي هو معرفة كيف يعمل هذا النظام.
هنالك 4 مكونات رئيسية لحركة الحيوانات.
المكون الأول هو الجسد فقط،
وفي الحقيقة يجب أن لا نستهين
بالمدى الذي بسطت فيه الكيمياء الحيوية الحركة في الحيوانات.
العنصر الثاني هو الحبل الشوكي
وفي الحبل الشوكي تجد ردود الفعل،
ردود الفعل المتعددة التي تخلق حلقة التنسيق الحسية
بين النشاط العصبي في النخاع الشوكي والنشاط الميكانيكي.
المكون الثالث هو مولدات الأنماط المركزية.
هذه دوائر موجودة في الحبل الشوكي في الحيوانات الفقارية
يمكنها أن تولد بنفسها،
أنماط إيقاعية متناسقة من النشاط
عندما تستقبل إشارات إدخال بسيطة جدًا.
وهذه الإشارات
تأتي بتناغم تنازلي من الأجزاء العليا للدماغ
مثل القشرة الدماغية المحركة و المخيخ والعقدة القاعدية
مع نشاطات الحبل الشوكي
حينما نقوم بالحركة.
الشيء المثير للإهتمام هو المدى الذي أحدثه عنصر منخفض المستوى وهو
الحبل الشوكي، مع الجسد،
يمكن أن يحل جزء كبيرا من مشكلة الحركة.
أنتم في الأصل تعرفون ذلك تعرف حقيقة أنك إذا قطعت رأس دجاجة،
يمكن للدجاجة أن تتحرك لفترة،
وهذا يثبت أن الجزء السفلي، الحبل الشوكي والجسم،
يحلان جزءًا كبيرا من الحركة.
والآن، فهم كيفية عمل ذلك معقد جدا،
لأنه أولا
تسجيل النشاط في الحبل الشوكي صعب جدا.
وضع أقطاب كهربائية في القشرة الدماغية المحركة أسهل بكثير
من الحبل الشوكي لأنه محمي بالفقرات.
وخاصة بالنسبة للبشر، ذلك صعب جدا.
وثانيا أنه بسبب أن الحركة هي نتاج تفاعل ديناميكي معقد جدا
وتفاعل ديناميكي معقد جدا بين تلك العناصر الأربعة.
لذا فإنه من الصعب جدا أن نكتشف أي دور يلعبه كل منها.
وهنا يأتي دور الروبوتات الحيوية مثل بلوروبوت و النماذج الرياضية
يمكن أن تساعد حقا.
ما هي الروبوتات الحيوية؟
الروبوتات الحيوية هو مجال ناشط في البحث في الروبوتات
يستلهم فيه الناس من الحيوانات
لصنع روبوتات لتعمل خارجا
مثل روبوتات الخدمة أو روبوتات البحث والإنقاذ
أو روبوتات الحقل.
والهدف الكبير هنا أن نستلهم من الحيوانات
لصنع روبوتات يمكنها تحمل تضاريس صعبة --
سلالم أو جبال أو غابات،
أماكن تجدها الروبوتات صعبة
وتقوم فيها الحيوانات بعمل أفضل.
يمكن للروبوت أن يكون أداة علمية رائعة أيضا.
هناك بعض المشاريع الجيدة التي تُستخدم فيها الروبوتات
كأداة علمية في علم الأعصاب أو الميكانيكا الحيوية أو الهيدروديناميك.
وهذا بالضبط هدف بلوروبوت.
ما نقوم به في مختبري هو التعاون مع علماء الأعصاب
مثل جين ماري كابلغون، عالم أعصاب في بوردكس في فرنسا،
ونريد أن نصنع نماذج للحبل الشوكي ونطبقها على الروبوتات.
وهنا نريد أن نبدأ ببساطة.
لهذا من الأفضل أن نبدأ بالحيوانات البسيطة
مثل الانقليس، وهو سمك بدائي جدا،
ثم نتدرج إلى حركات معقدة أكثر،
مثل تلك بالنسبة للسلمندر،
ولكن أيضا في القطط والبشر
في الثدييات.
وهنا، الروبوت أصبح أداة مثيرة للاهتمام
لتطبيق نماذجنا.
وفي الحقيقة، بليروبوت هو حلم تحول إلى واقع بالنسبة لي.
قبل حوالي أقل أو أكثر من 20 سنة كنت فد بدأت بالعمل
لصنع محاكيات لحركة الانقليس والسلمندر على حاسوب
خلال تحضيري للدكتوراه
لكنني كنت دائما أعلم أن محاكياتي كانت فقط تقريبية.
مثل، محاكاة الطبيعة في الماء أو مع الطين أو بيئة معقدة أكثر،
من الصعب محاكاة ذلك بطريقة صحيحة على حاسوب.
لم لا يكون روبوت حقيقي وطبيعة حقيقية؟
لذا من بين جميع هذه الحيوانات، المفضل بالنسبة لي هو السمندل.
ستتساءلون لماذا، لأنه حيوان برمائي،
إنه فعلا حيوان مهمّ من نظرة تطورية.
فهو يُشكل رابطا بين السباحة،
كما تجد ذلك في الثعابين أو السمك،
وذوات القوائم الأربعة، كما ترون ذلك في الثدييات
وفي واقع الأمر السمندل الحديث
قريب جدا للفقريات الأولية البرية،
إذن هي تقريبا احفوريات حية،
ثتيح لنا الوصول إلى أسلافنا،
أسلافنا من رباعيات الأرجل.
لذا يسبح السمندل
بالقيام بما يُسمّى مشية السباحة الحلزونية،
لذا يقومون بنشر موجة نتيجة نشاطهم العضلي من الرأس إلى الذيل.
وإذا قمت بوضع السمندل على الأرض،
فسيُحوّل مشيته إلى ما يُسمّى مشية الهرولة.
في هذه الحالة، لديكم نوع جميل من الحركة الدورية للأطراف
وهي متناسقة بشكل رائع
مع موجة الجسم هذه،
وهذابالضبط نوع المشية الذي ترونه هنا على بلوروبت.
حاليا، شيء واحد رائع ومدهش حقا،
حقيقة أن كل هذا يمكن توليده فقط من خلال النخاع الشوكي والجسد.
غن أخذنم سمندلا من دون وظيفة الدماغ --
هذا جميل ولكن ينبغي نزع الرأس--
وإن قمتم بتحفيز النخاع الشوكي كهربائيا،
بمستوى منخفض للتحفيز هذا سيولد مشية تشبه المشية العادية.
وإن قمتم بالتحفيز أكثر، ستتارع المشية.
وفي مكان ما، توجد عتبة،
وبصفة تلقائية سيتحول الحيوان إلى وضعية السباحة.
هذا مدهش.
مجرد تغيير للتوجه الكلي،
كما لو أنك تضغط على دواسة البنزين
لتعديل النخاع الشوكي،
وهو ما يُغيّر بين نوعين مختلفين من المشية.
في واقع الأمر، تمت ملاحظة نفس الشيء بالنسبة للقطط.
إذا قمت بتحفيز النخاع الشوكي لقطّ،
يمكن التغيير بين المشي والهرولة والركض.
أما بالنسبة للطيور، يمكن أن يُغيّر الطير
على مستوى منخفض من التحفيز،
ويُرفرف أجنحته على مستوى عال من التخفيض.
وهذا يُبرهن أن الحبل الشوكي
متحكّم متطور جدا في الحركة.
لذا درسنا حركة السمندل بشكل مفصل أكثر،
واستطعنا الحصول على آلة للفيديو بالأشعة السينية
من الدكتور مارتن فيشر في جامعة جينا في ألمانيا.
وبفضل هذا، لدينا آلة مذهلة
لتسجيل جميع حركات العظم بكلّ التفاصيل.
وهذا ما قمنا به.
لذا حددنا العظام المهمّة بالنسبة لنا
وجمعنا حركاتهم بطريقة 3D.
وما قمنا به هو جمع قاعدة بيانات كاملة من الحركات،
على الأرض وفي الماء،
لجمع قاعدة بيانات للحركات
يمكن لحيوان القيام بها.
ويكمن دورنا كمختصين في الروبوتات لتشخيص هذا في روبوتنا.
لذا قمنا بعملية تحسين كلية لإيجاد الهيكل الصحيح،
لوضع المحركات، وكيفية ربطها معا،
والقدرة على إعادة هذه الحركات قدر الإمكان.
وهكذا أصبح البلوروبوت حيّا.
لذا لنرى مدى الشبه بينه وبين الحيوان الحقيقي.
لذل ما ترونه هنا هو تقريبا مقارنة مباشرة
بين مشية الحيوان الحقيقي والبلوروبوت.
كما ترون تقريبا يقع التكرار
للمشية بالضبط.
إذا رجعت إلى الخلف قليلا، يمكنك رؤية ذلك بطريقة أفضل.
ولكن أحسن من ذلك، يمكننا السباحة.
لذا من أجل ذلك، نملك بدلة جافة نغطي بها الروبوت--
(ضحك)
ثم نستطيع وضعه في الماء والبدء في المشي.
وهنا كنا سعداء، لأن هذا يصعب القيام به.
إن فيزياء التفاعل معقدة جدا.
فروبوتنا أكبر بكثير من حيوان صغير،
لذا كان علينا القيام بما يُسمّى التدريج الديناميكي للترددات
للتأكد من نفس التفاعل الفيزيائي.
ولكن كما ترون في النهاية لدينا تقريبا نفس النموذج،
وكنا مسرورين بذلك جدا.
لذا لنتحدث عن النخاع الشوكي.
لذا هذا ما قمنا به مع جون ماري كابلجون
تصميم نموذج دوائر الحبل الشوكي.
والمثير للإهتمام أن السمندل
حافظ على دارة بدائية جدا،
وهي مشابهة تماما لما وجدناه عند الانقليس،
هذا ثعبان البحر البدائي المشابه للسمكة،
ويبدو أنه خلال التطور،
أُضيفت مذبذبات عصبية للتحكم في الأطراف
للقيام بتحريك الساق.
ونعرف أين توجد هذه المذبذبات العصبية
ولكن ما قمنا به كان صنع نموذج رياضي
لنرى كيف ينبغي أن ترتبط
للسماح بهذا التغيير بين نوعين مختلفين من المشيات.
وقمنا باختبار ذلك على الروبوت.
وهذا ما يبدو عليه الأمر.
لذا ما ترونه هنا هو نسخة سابقة لبلوروبوت
يتم التحكم فيه من خلال نموذجنا للنخاع الشوكي
المبرمج على الروبوت.
الشيء الوحيد الذي نقوم به
هو إرسال إشارتين من خلال أداة التحكم
والتي من المفترض استقبالها
من الجزء العلوي للدماغ.
والمثير للاهتمام، أنه من خلال اللعب بهذه الإشارات،
يمكننا التحكم بالسرعة والاتجاه ونوع المشية بشكل كلي.
على سبيل المثال،
عندما نقوم بالتحفيز على مستوى منخفض، نتحصل على المشي،
وفي مرحلة ما، إذا قمنا بالكثير من التحفيز،
تتحوّل المشية بسرعة كبيرة إلى السباحة.
وأخيرا، يمكننا تغيير الاتجاه بكل سهولة وروعة
من خلال تحفيز جانب واحد من النخاع الشوكي.
أعتقد أن ذلك جميل كيف قامت الطبيعة
بتوزيع التحكم
لإعطاء النخاع الشوكي المسؤولية الكبيرة
لكي لا يحتاج الجزء العلوي من الدماغ إلى القلق على كل عضلة.
ينبغي أن يتحكم في الحركات الصعبة،
وتكمن وظيفة النخاع الشوكي في التنسيق بين جميع العضلات.
الآن لننطلق إلى تحرك القط وأهمية الميكانيكا الحيوية.
إذن هذا مشروع آخر
حيث درسنا الميكانيكا الحيوية للقطط،
وأردنا معرفة مدى مساعدة الشكل على الحركة.
ووجدنا 3 أشياء مهمة للخاصيات،
أساسية للأطراف.
أول شيء هو أن أطراف القط
تشبه هيكلتها البنتوغراف.
البنتوغراف هو هيكل ميكانيكي
يُحافظ على الجزء العلوي والسفلي دائما متوازين.
إذا نظام هندسي بسيط يُنسّق نوعا ما
الحركة الداخلية للأجزاء.
والخاصيّة الأخرى لأطراف القط أنها خفيفة الوزن.
توجد معظم العضلات في الجسم،
وهذه فكرة جيدة، لأن الأطراف لها قصور ذاتي ضئيل
ويمكن أن تتحرك بسرعة كبيرة جدا.
والخاصية الأخيرة المهمّة هي السلوك المرن جدا لأطراف القط،
للتعامل مع الآثار والقُوى.
وهكذا قمنا بتصميم شبل الفهد.
لندعو شبل الفهد إلى المسرح.
هذا السيد بيتر إكرت الذي يقوم بالكتوراه خاصته حول هذا الروبوت،
وكما ترون، هو روبوت صغير جميل.
يبدو مثل اللعبة،
ولكن تم استعماله حقا كأداة علمية
للتحقيق في هذه الخاصيات لأطراف القط.
ذا كما ترون، هي متوافقة للغاية، وخفيفة الوزن،
ومرنة جدا أيضا،
لذا يمكنكم الضغط عليها ولن يتم كسرها.
بل ستقفز في الحقيقة.
وخاصية المرونة هذه مهمة جدا.
ترون قليلا من هذه الخاصيات
لهذه الأجزاء الثلاثة للساق كبنتوغراف.
حاليا، المثير للاهتمام هو هذه المشية الديناميكية
هي نتيجة لوثبة كبيرة،
يعني دون أجهزة استشعار ولا ردود فعل معقدة للوثبات.
وهذا مثير للاهتمام لأنه يعني
أن الميكانكيون هم من ثبتوا هذه المشية السريعة جدا،
وأن الميكانكيون الماهرون فقط هم من يستطيعون تلخيص الحركة.
يمكننا حتى تعديل الحركة،
كما سترون في الفيديو التالي،
أين يمكننا القيام ببعض التمارين حيث ينبغي على الروبوت أن ينخفض،
ولن يسقط،
والتي كانت مفاجأة بالنسبة لنا.
هذا تعديل بسيط.
كنت أتوقع السقوط الفوري للروبوت،
بسبب انعدام أجهزة الاستشعار وردود الفعل السريعة.
ولكن لا، قام الميكانيكيون بتثبيت الحركة فقط،
والروبوت لم يسقط.
من الواضح، إذا كانت الخطوة أكبر ومع وجود عديد العقبات،
تحتاج إلى التحكم الكلي في الوثبات وردود الفعل وكل شيء.
ولكن المهم هنا لمجرد اضطراب صغير،
الميكانيكيون هم على صواب.
وأعتقد أن هذه رسالة مهمة للغاية
الميكانيكا الحيوية والروبوتات إلى علم الأعصاب
والتي تشير إلى عدم التقليل من شأن الجسم المساعد على الحركة.
والآن، كيف يرتبط هذا بالحركة الإنسانية؟
من الواضح أن الحركة الإنسانية أكثر تعقيدا من حركة القطط والسمندل،
ولكن في نفس الوقت، الجهاز العصبي الإنساني مشابه
للفقريات الأخرى.
وخاصة النخاع الشوكي
وهو مفتاح التحكم للحركة عند الإنسان.
لذلك، عند وجود ضرر في مستوى النخاع الشوكي،
تكون تأثيراته خطيرة.
يمكن أن يُصاب الإنسان بشلل سفلي أو شلل كلّي.
وهذا بشبب فقدان الدماغ التواصل
مع النخاع الشوكي.
يفقد خاصّة هذا التعديل للحركة
لبدء الحركة وتعديلها.
لذا الهدف بالنسبة للجهاز العصبي
هو إعادة تفعيل هذا التواصل
باستخدام التحفيز الكهربائي والكيميائي.
وتوجد العديد من المجموعات في العالم تقوم بالمثل،
خاصة EPFL.
زملائي غريغوار كورتين وسيلفسترو ميسارا،
الذين عملت معهما.
ولكن للقيام بهذا بصورة صحيحة، من المهم أن تفهم
كيفية اشتغال النخاع الشوكي،
كيفية تفاعله مع الجسم،
وطريقة التواصل بين الدماغ والنخاع الشوكي.
وهنا سيلعب الروبوتات والنماذج التي قدمتها اليوم
دورا أساسيا
لتحقيق هذه الأهداف المهمة.
شكرا لكم.
(تصفيق)
برونو خيوساني: أوك، لقد رأيت في مختبرك روبوتات أخرى
التي تقوم بأشياء مثل السباحة في مكان ملوث
ويقيسون مدى التلوث بينما يسبحون.
ولكن بالنسبة لهذا،
لقد ذكرت في حديثك كمشروع ثانوي،
البحث والإنقاذ،
ولدى الروبوت كاميرا على مستوى أنفه.
أوك اسبجرت: بالطبع. إذن الروبوت --
لدينا بعض المشاريع الجانبية
حيث نريد استخدام الروبوتات للقيام بالبحوث والإنقاذ،
إذن الروبوت الآن يراك.
والحلم الكبير هو، إذا واجهت وضعية صعبة
كانهيار مبنى أو مبنى غمرته الفيضانات،
وهذا خطير جدا لفريق الإنقاذ أو حتى كلاب الإنقاذ،
لما لا يتمّ بعث روبوت يمكنه الزحف والسباحة والمشي،
مرفوق بكاميرا للقيام بالتفتيش وتعقّب الناجين
ومن المحتمل خلق نوع من الاتصال مع الناجين.
برونو خيوساني: طبعا، على افتراض أن لا يخاف الناجون من شكله
أوك: نعم، ربما ينبغي حتما أن نُغيّر المظهر قليلا
لأنني اعتقد أنه ربما يموت الناجي بسكتة قلبية
خوفا من أن يتم التهامه من قبل هذا الروبوت.
ولكن مع تغيير المظهر وجعله أكثر قوة،
أنا متأكد أنه يمكننا أن نصنع آلة جيدة منه.
برونو خيوساني: شكرا لكم كثيرا. شكرا لكم ولفريقكم.