Robert Full談向壁虎尾巴學習

Robert Full: Learning from the gecko's tail

生物學家Robert Full研究壁虎超具黏性的腳,及頑強的攀登技巧等令人嘆為觀止的特性。但高速影片顯示,壁虎的尾巴也許才是牠最令人吃驚的天賦。

講者介紹

Robert Full

Robert Full研究蟑螂腿和壁虎腳。他的研究是以進化的古老工程為基礎,幫助未來機器人建立功能完美的「分佈式足」。

加州大學柏克萊分校生物學家Robert Full深受蟑螂腿的功能所吸引,因為它能讓蟑螂全速疾跑於鬆散的網布上;而有數十多億根奈米大小細毛的壁虎腳,則能在牆上垂直攀升。他運用自己的研究設計完美的機械「分佈式足」,在金屬腿上加入尖刺、細毛和其他部分,創造出能夠靈活奔跑跳躍的機器。 他還協助創造出如Spinybot之類的機器人,使其可以像壁虎一樣攀上垂直的玻璃,他甚至還幫助皮克斯動畫工作室,在電影《蟲蟲危機》中製作更逼真的昆蟲動畫。 「Full博士欣然承認,他在現實生活中研究的一些生物可能令人感到噁

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Robert Full談向壁虎尾巴學習

  • 我今天想與大家分享一個原創發現,但我想呈現其真實的面貌,而不是以我在科學會議所闡述,或你從科學論文上讀到的形式呈現,這是一個超越仿生學領域的故事,我稱之為生物互利共生。


    我將其定義為生物學和其牠學科間的關連性,每個學科相輔相成,但其整體上的發展則超出了任何單一領域,以仿生學的觀點來看,人類科技師法了大多的自然性質大自然是助益良多的老師,工程可以由生物學得到啟發,利用其較優的原理和類比方式,但將其與最好的人體工學相結合,最終能創造出比大自然更棒的東西。


    身為一名生物學家,我對壁虎的腳趾很好奇,我們想知道牠們如何使用這些怪異的腳趾,這麼快就爬上牆,我們探索了箇中秘密之後發現,牠們的腳趾是葉狀結構,有著數百萬計的細毛,看上去就像一塊地毯,每根細毛的分叉端極多,約有100至1000個奈米大小的分叉端,每根腳趾就有20億個奈米大小的分叉端,牠們的附著力不是靠魔鬼氈或吸盤或膠水而來,事實上牠們僅由分子間作用力來吸附,即凡德瓦力。


    真的很高興告訴大家,第一個人造自潔乾式黏氈已成功製造出來了,從自然界最簡單的版本,單一分枝,我的技術合作者,柏克萊的Ron Fearing做出了第一個合成版本,另一位傑出的合作者是史丹佛的Mark Cutkosky,他製造出比壁虎更大量的細毛,依然使用同樣的原理,這是他的第一次試驗。


    (笑聲)

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  • 這是Kellar Autumn,我的前博士班的學生,現在是路易斯克拉克大學教授,竟然讓他的第一個孩子的來做這個試驗。(笑聲)。這是最近的一個試驗。


    男子:這是第一次有人實際用它來做攀登。

    旁白:Lynn Verinsky,專業攀岩玩家,她似乎充滿了自信。

    Lynn Verinsky:說實話,這將是絕對安全的。絕對安全。

    男子:你怎麼知道?

    Lynn Verinsky:因為責任保險。

    旁白:下面放著防護墊,並繫著安全繩。

    Lynn將開始60英尺的向上攀升,Lynn成功到達頂端,在好萊塢和科學的完美搭配下。

    男子:所以妳是第一個正式模仿壁虎的人。

    Lynn Verinsky:哈!哇。多榮幸啊!

    Robert Full:這是她在粗糙表面所做的試驗,事實上,她也在平滑表面上使用這兩片腳板,向上攀升並將自己拉上,你可以在大廳試試,觀察一下由壁虎啟發製成的材料,用於機器人會產生一個問題,若使用這材料的話,它們無法脫離攀附。



    這是壁虎的解決方法,事實上牠們能夠使自己的腳趾以極高的速率剝離表面,當牠們在牆上攀升時,真的很高興今天能向你們展示,最新版本的機器人-Stickybot,使用一種新的乾式黏氈,這是機器人實物,這是它的作用,如果你仔細看,可以看到它使用腳趾從表面剝離,就像壁虎一樣,如果用影片顯示,你可以看到它爬上牆。


    (掌聲)


    就是這樣,現在它可以在其他表面行走,因為使用新式粘氈,史丹佛團隊設計出
    這個令人嘆為觀止的機器人。


    (掌聲)


    哦,我要強調的是,看看Stickybot,它身上有個東西,它不只是看起來像壁虎,它有一條尾巴,正當你認為已經瞭解自然時,這種事就會發生,工程師告訴我們,對攀登機器人來說,如果沒有尾巴,它們就會掉下牆面,因此,他們問了我們一個重要的問題說:「嗯,這看起來像一條尾巴」,即使我們只是在那放一根不會動的棒子,「動物爬牆時會用到牠們的尾巴嗎」?

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  • 他們送出一份大禮,給我們一個生物學的假設進行測試,那是我們從未想過的概念,當然,事實上,我們有點驚慌失措,作為生物學家,我們應該早就想到這一點,我們說:「好吧,尾巴有什麼作用」?我們知道,例如尾巴能儲存脂肪,我們知道,你可以用它來捲住東西,也許最為人所知的是牠們能提供靜態平衡。


    (笑聲)


    它也可以作為抵消力,看這隻袋鼠,看那尾巴嗎?真是太不可思議了!Marc Raibert製造了Uniroo跳躍機器人,沒有尾巴的話它是不穩的,大部分尾巴限制了機動性,就像人類穿著恐龍裝一樣。


    (笑聲)


    我的同事實際測試了這個限制,增加了學生轉動慣量,所以他們裝著一個尾巴,穿越障礙賽跑場,發現其性能降低了,就跟預測的一樣。


    (笑聲)


    當然,這是一條不動的尾巴,但也可以裝條活動的尾巴,當回頭來做這個研究時,我發現到在過去一個很棒,由Nathan所發表的TED演講中,已經談過活動尾巴。


    影片:Myhrvold認為尾部開裂的恐龍,對愛感興趣,而不是戰爭。


    Robert Full:他談到尾巴是一個溝通的鞭子,也可以用於防禦,非常強而有力,我們回頭繼續動物實驗,我們讓牠在一個表面上往上爬,但這一次我們所做的是,設置了一個光滑的區塊,就是您所看到的黃色部份,看看右側,動物的尾巴會有什麼動作。


    當牠滑落時,這是放慢10倍,這是正常的速度,看牠現在滑下來了,再看看牠如何使用尾巴,牠有一個活動的尾巴,功能相當於第5條腿,有助於穩定,如果讓牠下滑一大段路程,就是我們所要探索的,真是不可思議。


    工程師們的想法相當棒,當然我們會想,Ok,牠們有活動的尾巴,讓我們替牠們拍一些照片,牠們爬上牆或一棵樹,牠們到達頂端,假設那裡有一些樹葉,如果牠們爬上樹葉背面會發生什麼情況,或是有點風,或者我們搖晃牠呢?我們做這樣的實驗,就是這樣。


    (掌聲)


    這就是我們所發現的,這是實時的情形,你還看不出任何東西,但現在放慢了。

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  • 我們發現的是世界上最快的空中翻正反應,如果你還記得,所學過的物理,這是一個零角動量的,翻正反應,就像一隻貓,你知道,貓的降落,貓就是這樣做,牠們扭曲自己的身體,但壁虎做得更好,牠們用尾巴這樣做,牠們用活動尾巴做轉身動作,牠們總是以那種超人空中跳傘的姿勢著地。


    Okay,現在我們想知道,如果我們是正確的,我們應該能測試於物理模型上,就是用機器人來做,為了TED演講,我們製作了一個機器人,就在那裡,這是一個原型,有尾巴,我們將要嘗試首開先例的尾巴空中翻正反應,用機器人來做
    可以的話打個燈吧,Okay,開始。


    再用影片放看看,就是這樣,它就像在動物身上那樣運作,所以,你只需要擺動尾巴來使自己翻正。


    (掌聲)


    當然,我們常會擔心,因為這種動物並不適應滑翔所以我們想:「噢,沒關係,我們將牠放在一個垂直風洞中」,我們把空氣向上打,提供牠著陸的目標-一截樹幹,就在塑膠玻璃外面,看看牠會怎麼做。


    (笑聲)


    我們就這麼做了,這就是牠的表現,風是來自底部,這是放慢10倍的影片,牠做了一個平衡的滑行,展現了高度主控性,這真是太不可思議了,但確實是相當漂亮,當你拍攝牠時,更棒的是,牠一面下滑,一面在半空中做操控,牠操控的方式是用尾巴,擺向一邊使自己向左偏航,擺向另一邊則向右偏航,因此,我們可以用這樣的方式來操控。


    然後,我們拍攝了好幾次,以證實牠一直這麼做,看這個,牠像海豚一樣上下擺動尾巴,牠確實可以在空中游泳,但看牠的前腿,你看到它們在做什麼嗎?這對展翅飛翔的起源有何意義?也許這是一種來自於從樹上到地面的進化過程並試圖控制滑行,敬請期待。


    (笑聲)


    於是我們想,「牠們真的能做這樣的操控嗎」?我們設置了一個著陸目標,牠們真的能對正目標前進嗎?出現了,就在風洞中,看起來確實如此,從上面看下來會更清楚,看看這個動物,確實邁向著陸目標,看看牠尾巴的揮鞭動作,仔細看一看,這真是不可思議。


    所以現在我們的確感到困惑,因為沒有關於牠滑翔行為的報告,因此,我們想:「噢,我的天,我們必須研究這個領域,看看牠是不是真的能夠做到」,與你在自然影片中所看到的完全不同,確實如此,我們想知道「在自然界中牠們確實會滑行嗎」?


    於是我們就到了新加坡和東南亞地區的森林,下一部你看到的影片是我們的首播。

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  • 這是真實的影片而不是舞台演出,是關於動物滑翔的真實研究影片,有一條紅色的軌跡線,看看終點端的動物,但是,當牠越來越接近樹,看這個實地觀察影片,看看你是否可以看到牠著陸。


    牠滑下來了,有一個壁虎在軌跡線終點端,看到牠了嗎?就在那兒,看牠降落,現在看那裡,你可以看到牠著陸了,您們有看到牠落地嗎?牠實際上也是使用了尾巴,就像我們在實驗室看到的一樣所以,現在我們將共生學繼續做應用,就是建議他們作出活動的尾巴,這裡是第一個在機器人身上的活動尾巴,由波士頓動態科技公司製作,總結來說,我認為我們需要,建立生物共生學,如同我所展示,將其做應用將能增進基礎研究的腳步。


    但要做到這一點,我們首要的是重新設計教育體制,深入平衡跨學科領域間的交流,明確培養人們如何作出貢獻並從其他學科中受益,當然,需要生物和環境相配合才能夠做到,也就是說,無論你關心的是安全、搜救或健康,我們都必須保護大自然的設計,否則這些秘密將永遠喪失了,而從新總統的演講聽來,我感到非常樂觀,謝謝。


    (掌聲)

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