TED日本語 - ロバート・フル: ヤモリの尻尾から学ぶ


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - ロバート・フル: ヤモリの尻尾から学ぶ

TED Talks

Learning from the gecko's tail
Robert Full




Let me share with you today an original discovery. But I want to tell it to you the way it really happened -- not the way I present it in a scientific meeting, or the way you'd read it in a scientific paper. It's a story about beyond biomimetics, to something I'm calling biomutualism. I define that as an association between biology and another discipline, where each discipline reciprocally advances the other, but where the collective discoveries that emerge are beyond any single field. Now, in terms of biomimetics, as human technologies take on more of the characteristics of nature, nature becomes a much more useful teacher. Engineering can be inspired by biology by using its principles and analogies when they're advantageous, but then integrating that with the best human engineering, ultimately to make something actually better than nature.

Now, being a biologist, I was very curious about this. These are gecko toes. And we wondered how they use these bizarre toes to climb up a wall so quickly. We discovered it. And what we found was that they have leaf-like structures on their toes, with millions of tiny hairs that look like a rug, and each of those hairs has the worst case of split-ends possible: about 100 to 1000 split ends that are nano-size. And the individual has 2 billion of these nano-size split ends. They don't stick by Velcro or suction or glue. They actually stick by intermolecular forces alone, van der Waals forces. And I'm really pleased to report to you today that the first synthetic self-cleaning, dry adhesive has been made. From the simplest version in nature,one branch, my engineering collaborator, Ron Fearing, at Berkeley, had made the first synthetic version. And so has my other incredible collaborator, Mark Cutkosky, at Stanford -- he made much larger hairs than the gecko, but used the same general principles.

And here is its first test. (Laughter) That's Kellar Autumn, my former Ph.D. student, professor now at Lewis and Clark, literally giving his first-born child up for this test. (Laughter)

More recently, this happened.

Man: This the first time someone has actually climbed with it.

Narrator: Lynn Verinsky, a professional climber, who appeared to be brimming with confidence.

Lynn Verinsky: Honestly, it's going to be perfectly safe. It will be perfectly safe.

Man: How do you know?

Lynn Verinsky: Because of liability insurance. (Laughter)

Narrator: With a mattress below and attached to a safety rope, Lynn began her 60-foot ascent. Lynn made it to the top in a perfect pairing of Hollywood and science.

Man: So you're the first human being to officially emulate a gecko.

Lynn Verinsky: Ha! Wow. And what a privilege that has been.

Robert Full: That's what she did on rough surfaces. But she actually used these on smooth surfaces -- two of them -- to climb up, and pull herself up. And you can try this in the lobby, and look at the gecko-inspired material. Now the problem with the robots doing this is that they can't get unstuck, with the material. This is the gecko's solution. They actually peel their toes away from the surface, at high rates, as they run up the wall.

Well I'm really excited today to show you the newest version of a robot, Stickybot, using a new hierarchical dry adhesive. Here is the actual robot. And here is what it does. And if you look, you can see that it uses the toe peeling, just like the gecko does. If we can show some of the video, you can see it climbing up the wall. (Applause) There it is. And now it can go on other surfaces because of the new adhesive that the Stanford group was able to do in designing this incredible robot. (Applause)

Oh. One thing I want to point out is, look at Stickybot. You see something on it. It's not just to look like a gecko. It has a tail. And just when you think you've figured out nature, this kind of thing happens. The engineers told us, for the climbing robots, that, if they don't have a tail, they fall off the wall. So what they did was they asked us an important question. They said, "Well, it kind of looks like a tail." Even though we put a passive bar there. "Do animals use their tails when they climb up walls?" What they were doing was returning the favor, by giving us a hypothesis to test, in biology, that we wouldn't have thought of.

So of course, in reality, we were then panicked, being the biologists, and we should know this already. We said, "Well, what do tails do?" Well we know that tails store fat, for example. We know that you can grab onto things with them. And perhaps it is most well known that they provide static balance. (Laughter) It can also act as a counterbalance. So watch this kangaroo. See that tail? That's incredible! Marc Raibert built a Uniroo hopping robot. And it was unstable without its tail. Now mostly tails limit maneuverability, like this human inside this dinosaur suit. (Laughter) My colleagues actually went on to test this limitation, by increasing the moment of inertia of a student, so they had a tail, and running them through and obstacle course, and found a decrement in performance, like you'd predict. (Laughter) But of course, this is a passive tail. And you can also have active tails.

And when I went back to research this, I realized that one of the great TED moments in the past, from Nathan, we've talked about an active tail.

Video: Myhrvold thinks tail-cracking dinosaurs were interested in love, not war.

Robert Full: He talked about the tail being a whip for communication. It can also be used in defense. Pretty powerful. So we then went back and looked at the animal. And we ran it up a surface. But this time what we did is we put a slippery patch that you see in yellow there. And watch on the right what the animal is doing with its tail when it slips. This is slowed down 10 times. So here is normal speed. And watch it now slip, and see what it does with its tail. It has an active tail that functions as a fifth leg, and it contributes to stability. If you make it slip a huge amount, this is what we discovered. This is incredible. The engineers had a really good idea.

And then of course we wondered, okay, they have an active tail, but let's picture them. They're climbing up a wall, or a tree. And they get to the top and let's say there's some leaves there. And what would happen if they climbed on the underside of that leaf, and there was some wind, or we shook it? And we did that experiment, that you see here. (Applause) And this is what we discovered. Now that's real time. You can't see anything. But there it is slowed down.

What we discovered was the world's fastest air-righting response. For those of you who remember your physics, that's a zero-angular-momentum righting response. But it's like a cat. You know, cats falling. Cats do this. They twist their bodies. But geckos do it better. And they do it with their tail. So they do it with this active tail as they swing around. And then they always land in the sort of superman skydiving posture. Okay, now we wondered, if we were right, we should be able to test this in a physical model, in a robot.

So for TED we actually built a robot, over there, a prototype, with the tail. And we're going to attempt the first air-righting response in a tail, with a robot. If we could have the lights on it. Okay, there it goes. And show the video. There it is. And it works just like it does in the animal. So all you need is a swing of the tail to right yourself. (Applause)

Now, of course, we were normally frightened because the animal has no gliding adaptations, so we thought, "Oh that's okay. We'll put it in a vertical wind tunnel. We'll blow the air up, we'll give it a landing target, a tree trunk, just outside the plexi-glass enclosure, and see what it does. (Laughter) So we did. And here is what it does. So the wind is coming from the bottom. This is slowed down 10 times. It does an equilibrium glide. Highly controlled. This is sort of incredible. But actually it's quite beautiful, when you take a picture of it. And it's better than that, it -- just in the slide -- maneuvers in mid-air. And the way it does it, is it takes its tail and it swings it one way to yaw left, and it swings its other way to yaw right. So we can maneuver this way. And then -- we had to film this several times to believe this -- it also does this. Watch this. It oscillates its tail up and down like a dolphin. It can actually swim through the air. But watch its front legs. Can you see what they are doing? What does that mean for the origin of flapping flight? Maybe it's evolved from coming down from trees, and trying to control a glide. Stay tuned for that. (Laughter)

So then we wondered, "Can they actually maneuver with this?" So there is the landing target. Could they steer towards it with these capabilities? Here it is in the wind tunnel. And it certainly looks like it. You can see it even better from down on top. Watch the animal. Definitely moving towards the landing target. Watch the whip of its tail as it does it. Look at that. It's unbelievable.

So now we were really confused, because there are no reports of it gliding. So we went, "Oh my god, we have to go to the field, and see if it actually does this." Completely opposite of the way you'd see it on a nature film, of course. We wondered, "Do they actually glide in nature?" Well we went to the forests of Singapore and Southeast Asia. And the next video you see is the first time we've showed this.

This is the actual video -- not staged, a real research video -- of animal gliding down. There is a red trajectory line. Look at the end to see the animal. But then as it gets closer to the tree, look at the close-up. And see if you can see it land. So there it comes down. There is a gecko at the end of that trajectory line. You see it there? There? Watch it come down. Now watch up there and you can see the landing. Did you see it hit? It actually uses its tail too, just like we saw in the lab.

So now we can continue this mutualism by suggesting that they can make an active tail. And here is the first active tail, in the robot, made by Boston Dynamics. So to conclude, I think we need to build biomutualisms, like I showed, that will increase the pace of basic discovery in their application. To do this though, we need to redesign education in a major way, to balance depth with interdisciplinary communication, and explicitly train people how to contribute to, and benefit from other disciplines. And of course you need the organisms and the environment to do it. That is, whether you care about security, search and rescue or health, we must preserve nature's designs, otherwise these secrets will be lost forever. And from what I heard from our new president, I'm very optimistic. Thank you. (Applause)

今日は新しい発見についてお話したいと思います でも実際にどう起こったかを語ってお話します 私が学会で発表する形や 皆さんが学術論文で読む形とは違います これは生体模倣を超えた話です 個人的には「生体相利共生」と呼んでいます 私はこれを「生物学と別の分野が提携し それぞれが相手の分野を相互的に進歩させ そこから生まれる共同発見はどんな1つの分野より勝る」と定義します 生体模倣の観点では 自然の特性がもっと人間の技術に取り入れられるにつれ 自然はより一層有益な教師となります 生物学の原理や相似が有用な場合 それを利用して工学がアイデアを得ることもあり得ます そしてその後最終的に 実際自然よりも 優れたものを創るため それを最高の人間工学に統合するのです

私は生物学者なのでとても興味があったのはこれです ヤモリのつま先部分です 奇妙な足指は 壁を素早く登るのに どう使われるのだろうと思いました 私たちが突き止めたのは ヤモリの足指には 葉状構造があり 敷物のような 何百万の微細毛がついていることでした 1本1本の毛先は史上最悪な枝毛のようで ナノサイズで約100~1000の枝毛になっています このようなナノサイズの枝毛は1匹につき20億本あります マジックテープや吸盤や 糊で張り付くのでなく 実は分子間に働く力だけで 張り付くのです そして今日は皆さんに 初の合成自浄式の乾燥接着素材ができたことを発表します 自然界で一番単純な形である1本を バークレーの共同制作技術者ロン・フィアイングが 世界初の合成バージョンにしました もう1人の素晴らしい共同制作者 スタンフォードのマーク・カッコスキーも 同じ原理を使い ヤモリの毛よりももっと太いバージョンを作りました

これが最初のテストです (笑) ルイス&クラーク大学の教授になった 私の教え子のケラー・オータムです 文字通り自分の第一子をテストに捧げています (笑)



―プロクライマーのリン・ヴァリンスキー 自信たっぷりのようです―

リン:マジで全然大丈夫 全く安全よ



―マットレスを敷いて命綱をつけ リンが60フィートの高さを登り始めます― ―ハリウッドと科学を完璧に組み合わせ リンが最上部までたどり着きました―



ロバート:これはザラザラの表面でした 彼女は滑らかな表面には実は こちらを2つ使って登りました ロビーで試してみてください ヤモリからヒントを得た素材も見てください さて ロボットがこれを使用する際 問題になるのは この材質を 剥がせないことです これがヤモリの解決法です ヤモリはつま先を 表面からめくるように高速で 剥がして壁を駆け登ります

と言うことでですね 今日は皆さんに ロボットStickybotの最新型をご紹介します 新型の階層式乾付着素材を使っています これがそのロボットです こうやって動きます よく見てもらうと ロボットがつま先をめくるように 剥がすのが分かると思います ヤモリがするのと同じです 壁を登るのを映像でご覧ください (拍手) 登ってます ちなみに他のタイプの表面でも登れます スタンフォードのグループがこの凄いロボットを 設計するうえで新しい付着素材を作ったおかげです (拍手)

1つ指摘したいことがあります Stickybotを見てもらうと 何かついてますね ヤモリに似せるためだけではありませんが尻尾があります 自然の理解ができたと思った時に こういうことが起こるんですが エンジニアたちに言われたんです 「尻尾がないとロボットは 登っていても壁から落ちてしまう」 そして彼らは重要な質問を 私たちにしました 「尻尾に見えるだけで 我々がつけたのは 特別何も機能がない棒なんだが 生物は壁を登るとき尻尾を使うのか?」 彼らは生物学でテストすべき仮定を 提示して私たちにお返ししてくれたのです 私たちには考え付かないことでした

実際 当然私たちは慌てました 生物学者として知っているべきでした 「はて 尻尾の役目は何か?」 例えば尻尾が脂肪を貯蔵することや 何かに掴まるときに使われることは知っていました 一番よく知られているのは 静的なバランスを保てることです (笑) 平衡力にもなります このカンガルーを見てください この尻尾 素晴らしいですね! マーク・レイバートがUniroo片足跳びロボットを作りましたが 尻尾なしでは安定しなかったそうです 普通 尻尾は運動性を制限します この恐竜コスチュームを着ている人のように (笑) 私の同僚は実際にこの制限をテストしました 生徒の慣性モーメントを加増し 尻尾をつけさせ 障害コースを走らせると タイムが悪化すると判明しました 実験するまでもありませんが (笑) でももちろんこれは受動的尻尾でした 能動的尻尾もあります

これについて調べていて 今までの優れたTEDトークの1つで ネイサンが能動的な尻尾について 話していたのを思い出しました

ビデオ:ミアボルドは恐竜が 尻尾をバシッと鳴らすのは 戦いでなく求愛のためだと考えます

ロバート:尻尾は意思疎通用のムチだと言いました 身を守るために使うこともできます 迫力満点ですね そこでもう一度ヤモリを見ました 壁を登らせたのですが 今回は滑りやすい箇所を入れました 黄色の部分です ヤモリは滑ったときに尻尾をどうしているか右側で見てください 10倍のスローモーションです これが普通のスピードです では滑るところを見て 尻尾をどうするか見てください 5本目の足として機能して 安定感を保つ能動的尻尾です 思いっきり滑らせると こうなります ビックリです エンジニアたちのアイデアはとても良かったのです

私たちは当然その後考えました 能動的な尻尾があるわけだから 壁や木を登っているとして 上にたどり着いて 例えば葉っぱがあったら そして葉っぱの裏を登っていて風に吹かれたり 葉っぱが揺すられたりしたらどうなるのか? その実験をしたのがこれです (拍手) これがその結果です 実時間では何も分かりません スローモーションにするとこうです

私たちが見たのは世界一速い空中立ち直り反応でした 物理学で言うと角運動量ゼロの 立ち直り反応です 猫と同じです 猫も落ちるとき身体をひねります でもヤモリの方が上手にやります 尻尾を使ってやるんです くるりと回るときに能動的尻尾を使うわけです そしてスーパーマンがスカイダイビングする姿勢でいつも着地します これが正しいなら物理的モデルの ロボットでテストできるはずだと考えました

そこでTED用にあちらにある ロボットを尻尾付きの試作品として作りました 尻尾を使った空中立ち直り反応を ロボットで初めてやってみます 照明をお願いします オッケー それではいきます 映像を見せてください やりました ヤモリと同様の効果を見せます つまり体制を直すには尻尾を振るだけでいいのです (拍手)

でも当然普通かどうか心配でした ヤモリには滑空適応がないからです そこで考えました「それなら垂直風洞に入れて 下から風を送って プレキシガラスの囲いのすぐ外に 着地用の木の幹を置いて ヤモリがどうするか見ればいい」 (笑) その通りやると こうなりました 下から風が送られています 10倍のスローモーションです ヤモリは極めて制御された平衡滑空をします 驚きですが 写真を撮ってみると 実際かなり優美です それだけではありません ここの滑走で空中操作しています どうやるかと言うと 尻尾を 一方に振って左に進み もう一方に振って右に進むのです こうやってうまく動けます それとこれは信じられずに何度も撮影したのですが― こういうこともします 見てください イルカのように尻尾を上下します 実際に空中を泳いで進めるのです でも前足を見てください 何をしてるか分かりますか? 羽ばたきして飛行する起源に関係するのでしょうか? 木から飛び降りて滑降を制御することから 進化したのかもしれません この続きはお楽しみに (笑)

「本当にこれで滑降操作できるのか?」と考えました この機能を使って 着地目標の方向に行けるのか? 風洞の中を飛んできました 確かにできるようです 上から見下ろすともっとよく分かります ヤモリを見てください 明らかに目標方向に動いています その際に尻尾を振っているのに注意してください 見てください! 信じられません

本当に困惑してしまいました ヤモリの滑降の報告はないからです 「これはヤモリが本当に滑降するか 現地で確かめないと」と 自然映画と全く逆のやり方になりました 「自然のヤモリも本当に滑降するのか?」と東南アジアと シンガポールの森林に行きました 次の映像は初めて公開するものです

ヤラセではなく 実際の真面目な研究ビデオです ヤモリが滑降していて 赤で軌跡が示してあります ヤモリは最後に見えます でも木に近づいてきたら クローズアップで着地が見えるか見てください 降りてきました 軌跡の先にヤモリがいます 見えますか?降りてきます では上で着地を見てください 成功しましたね? 実際に尻尾も使っています 研究所で見た通りです

というわけで 能動的尻尾を作ることをエンジニアに提言して この相利共生を続けることができます そしてこれが初の能動的尻尾を持ったロボットです Boston Dynamicsが作成しました 結論として お見せしたような応用の中で基礎的発見の速度を上げる 生体相利共生を構築する必要があると思います でもそのためには教育制度を大きく変え 学際的情報交換の視野を調節する必要があります そして他の分野に貢献し利益を得るやり方を人々に明確に教えなくてはなりません もちろんこれを行うための生物と環境も必要です つまり安全保障や捜索活動や健康に関心があるなら 自然の様式を守らなくてはダメです でなければ解明の鍵は永遠に失われます 私たちの新大統領の言っていることからすると 楽観的です ありがとうございます (拍手)

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