TED日本語 - アウケ・エイスペールト: イモリの様に走り、泳ぐことのできるロボット



TED日本語 - アウケ・エイスペールト: イモリの様に走り、泳ぐことのできるロボット

TED Talks

A robot that runs and swims like a salamander
Auke Ijspeert




This is Pleurobot. Pleurobot is a robot that we designed to closely mimic a salamander species called Pleurodeles waltl. Pleurobot can walk, as you can see here, and as you'll see later, it can also swim.

So you might ask, why did we design this robot? And in fact, this robot has been designed as a scientific tool for neuroscience. Indeed, we designed it together with neurobiologists to understand how animals move, and especially how the spinal cord controls locomotion. But the more I work in biorobotics, the more I'm really impressed by animal locomotion. If you think of a dolphin swimming or a cat running or jumping around, or even us as humans, when you go jogging or play tennis, we do amazing things. And in fact, our nervous system solves a very, very complex control problem. It has to coordinate more or less 200 muscles perfectly, because if the coordination is bad, we fall over or we do bad locomotion. And my goal is to understand how this works.

There are four main components behind animal locomotion. The first component is just the body, and in fact we should never underestimate to what extent the biomechanics already simplify locomotion in animals. Then you have the spinal cord, and in the spinal cord you find reflexes, multiple reflexes that create a sensorimotor coordination loop between neural activity in the spinal cord and mechanical activity. A third component are central pattern generators. These are very interesting circuits in the spinal cord of vertebrate animals that can generate, by themselves, very coordinated rhythmic patterns of activity while receiving only very simple input signals. And these input signals coming from descending modulation from higher parts of the brain, like the motor cortex, the cerebellum, the basal ganglia, will all modulate activity of the spinal cord while we do locomotion. But what's interesting is to what extent just a low-level component, the spinal cord, together with the body, already solve a big part of the locomotion problem. You probably know it by the fact that you can cut the head off a chicken, it can still run for a while, showing that just the lower part, spinal cord and body, already solve a big part of locomotion.

Now, understanding how this works is very complex, because first of all, recording activity in the spinal cord is very difficult. It's much easier to implant electrodes in the motor cortex than in the spinal cord, because it's protected by the vertebrae. Especially in humans, very hard to do. A second difficulty is that locomotion is really due to a very complex and very dynamic interaction between these four components. So it's very hard to find out what's the role of each over time. This is where biorobots like Pleurobot and mathematical models can really help.

So what's biorobotics? Biorobotics is a very active field of research in robotics where people want to take inspiration from animals to make robots to go outdoors, like service robots or search and rescue robots or field robots. And the big goal here is to take inspiration from animals to make robots that can handle complex terrain -- stairs, mountains, forests, places where robots still have difficulties and where animals can do a much better job. The robot can be a wonderful scientific tool as well. There are some very nice projects where robots are used, like a scientific tool for neuroscience, for biomechanics or for hydrodynamics. And this is exactly the purpose of Pleurobot. So what we do in my lab is to collaborate with neurobiologists like Jean-Marie Cabelguen, a neurobiologist in Bordeaux in France, and we want to make spinal cord models and validate them on robots. And here we want to start simple.

So it's good to start with simple animals like lampreys, which are very primitive fish, and then gradually go toward more complex locomotion, like in salamanders, but also in cats and in humans, in mammals. And here, a robot becomes an interesting tool to validate our models. And in fact, for me, Pleurobot is a kind of dream becoming true. Like, more or less 20 years ago I was already working on a computer making simulations of lamprey and salamander locomotion during my PhD. But I always knew that my simulations were just approximations. Like, simulating the physics in water or with mud or with complex ground, it's very hard to simulate that properly on a computer. Why not have a real robot and real physics? So among all these animals,one of my favorites is the salamander. You might ask why, and it's because as an amphibian, it's a really key animal from an evolutionary point of view. It makes a wonderful link between swimming, as you find it in eels or fish, and quadruped locomotion, as you see in mammals, in cats and humans. And in fact, the modern salamander is very close to the first terrestrial vertebrate, so it's almost a living fossil, which gives us access to our ancestor, the ancestor to all terrestrial tetrapods.

So the salamander swims by doing what's called an anguilliform swimming gait, so they propagate a nice traveling wave of muscle activity from head to tail. And if you place the salamander on the ground, it switches to what's called a walking trot gait. In this case, you have nice periodic activation of the limbs which are very nicely coordinated with this standing wave undulation of the body, and that's exactly the gait that you are seeing here on Pleurobot. Now,one thing which is very surprising and fascinating in fact is the fact that all this can be generated just by the spinal cord and the body. So if you take a decerebrated salamander -- it's not so nice but you remove the head -- and if you electrically stimulate the spinal cord, at low level of stimulation this will induce a walking-like gait. If you stimulate a bit more, the gait accelerates. And at some point, there's a threshold, and automatically, the animal switches to swimming. This is amazing. Just changing the global drive, as if you are pressing the gas pedal of descending modulation to your spinal cord, makes a complete switch between two very different gaits. And in fact, the same has been observed in cats. If you stimulate the spinal cord of a cat, you can switch between walk, trot and gallop. Or in birds, you can make a bird switch between walking, at a low level of stimulation, and flapping its wings at high-level stimulation. And this really shows that the spinal cord is a very sophisticated locomotion controller.

So we studied salamander locomotion in more detail, and we had in fact access to a very nice X-ray video machine from Professor Martin Fischer in Jena University in Germany. And thanks to that, you really have an amazing machine to record all the bone motion in great detail. That's what we did. So we basically figured out which bones are important for us and collected their motion in 3D. And what we did is collect a whole database of motions, both on ground and in water, to really collect a whole database of motor behaviors that a real animal can do. And then our job as roboticists was to replicate that in our robot. So we did a whole optimization process to find out the right structure, where to place the motors, how to connect them together, to be able to replay these motions as well as possible. And this is how Pleurobot came to life.

So let's look at how close it is to the real animal. So what you see here is almost a direct comparison between the walking of the real animal and the Pleurobot. You can see that we have almost a one-to-one exact replay of the walking gait. If you go backwards and slowly, you see it even better. But even better, we can do swimming. So for that we have a dry suit that we put all over the robot --


and then we can go in water and start replaying the swimming gaits. And here, we were very happy, because this is difficult to do. The physics of interaction are complex. Our robot is much bigger than a small animal, so we had to do what's called dynamic scaling of the frequencies to make sure we had the same interaction physics. But you see at the end, we have a very close match, and we were very, very happy with this. So let's go to the spinal cord. So here what we did with Jean-Marie Cabelguen is model the spinal cord circuits. And what's interesting is that the salamander has kept a very primitive circuit, which is very similar to the one we find in the lamprey, this primitive eel-like fish, and it looks like during evolution, new neural oscillators have been added to control the limbs, to do the leg locomotion. And we know where these neural oscillators are but what we did was to make a mathematical model to see how they should be coupled to allow this transition between the two very different gaits. And we tested that on board of a robot.

And this is how it looks. So what you see here is a previous version of Pleurobot that's completely controlled by our spinal cord model programmed on board of the robot. And the only thing we do is send to the robot through a remote control the two descending signals it normally should receive from the upper part of the brain. And what's interesting is, by playing with these signals, we can completely control speed, heading and type of gait. For instance, when we stimulate at a low level, we have the walking gait, and at some point, if we stimulate a lot, very rapidly it switches to the swimming gait. And finally, we can also do turning very nicely by just stimulating more one side of the spinal cord than the other. And I think it's really beautiful how nature has distributed control to really give a lot of responsibility to the spinal cord so that the upper part of the brain doesn't need to worry about every muscle. It just has to worry about this high-level modulation, and it's really the job of the spinal cord to coordinate all the muscles.

So now let's go to cat locomotion and the importance of biomechanics. So this is another project where we studied cat biomechanics, and we wanted to see how much the morphology helps locomotion. And we found three important criteria in the properties, basically, of the limbs. The first one is that a cat limb more or less looks like a pantograph-like structure. So a pantograph is a mechanical structure which keeps the upper segment and the lower segments always parallel. So a simple geometrical system that kind of coordinates a bit the internal movement of the segments. A second property of cat limbs is that they are very lightweight. Most of the muscles are in the trunk, which is a good idea, because then the limbs have low inertia and can be moved very rapidly. The last final important property is this very elastic behavior of the cat limb, so to handle impacts and forces. And this is how we designed Cheetah-Cub.

So let's invite Cheetah-Cub onstage. So this is Peter Eckert, who does his PhD on this robot, and as you see, it's a cute little robot. It looks a bit like a toy, but it was really used as a scientific tool to investigate these properties of the legs of the cat. So you see, it's very compliant, very lightweight, and also very elastic, so you can easily press it down and it will not break. It will just jump, in fact. And this very elastic property is also very important. And you also see a bit these properties of these three segments of the leg as pantograph.

Now, what's interesting is that this quite dynamic gait is obtained purely in open loop, meaning no sensors, no complex feedback loops. And that's interesting, because it means that just the mechanics already stabilized this quite rapid gait, and that really good mechanics already basically simplify locomotion. To the extent that we can even disturb a bit locomotion, as you will see in the next video, where we can for instance do some exercise where we have the robot go down a step, and the robot will not fall over, which was a surprise for us. This is a small perturbation. I was expecting the robot to immediately fall over, because there are no sensors, no fast feedback loop. But no, just the mechanics stabilized the gait, and the robot doesn't fall over. Obviously, if you make the step bigger, and if you have obstacles, you need the full control loops and reflexes and everything. But what's important here is that just for small perturbation, the mechanics are right. And I think this is a very important message from biomechanics and robotics to neuroscience, saying don't underestimate to what extent the body already helps locomotion.

Now, how does this relate to human locomotion? Clearly, human locomotion is more complex than cat and salamander locomotion, but at the same time, the nervous system of humans is very similar to that of other vertebrates. And especially the spinal cord is also the key controller for locomotion in humans. That's why, if there's a lesion of the spinal cord, this has dramatic effects. The person can become paraplegic or tetraplegic. This is because the brain loses this communication with the spinal cord. Especially, it loses this descending modulation to initiate and modulate locomotion. So a big goal of neuroprosthetics is to be able to reactivate that communication using electrical or chemical stimulations. And there are several teams in the world that do exactly that, especially at EPFL. My colleagues Gregoire Courtine and Silvestro Micera, with whom I collaborate.

But to do this properly, it's very important to understand how the spinal cord works, how it interacts with the body, and how the brain communicates with the spinal cord. This is where the robots and models that I've presented today will hopefully play a key role towards these very important goals.

Thank you.


Bruno Giussani: Auke, I've seen in your lab other robots that do things like swim in pollution and measure the pollution while they swim. But for this one, you mentioned in your talk, like a side project, search and rescue, and it does have a camera on its nose.

Auke Ijspeert: Absolutely. So the robot -- We have some spin-off projects where we would like to use the robots to do search and rescue inspection, so this robot is now seeing you. And the big dream is to, if you have a difficult situation like a collapsed building or a building that is flooded, and this is very dangerous for a rescue team or even rescue dogs, why not send in a robot that can crawl around, swim, walk, with a camera onboard to do inspection and identify survivors and possibly create a communication link with the survivor.

BG: Of course, assuming the survivors don't get scared by the shape of this.

AI: Yeah, we should probably change the appearance quite a bit, because here I guess a survivor might die of a heart attack just of being worried that this would feed on you. But by changing the appearance and it making it more robust, I'm sure we can make a good tool out of it.

BG: Thank you very much. Thank you and your team.

これはプルーロボットといいます プルーロボットはイベリア・トゲイモリという イモリの一種を まねて作ったものです プルーロボットはご覧のとおり 歩行することも 後でご覧頂くように 泳ぐことも出来ます

なぜこんなロボットを設計するのかって? 実のところ このロボットは 神経科学の研究道具として設計されました 事実 神経生物学者と共同で 動物の動きを ― 特に脊髄が動作を制御する仕組みを 理解するために設計しました しかし生物ロボット工学を研究するにつれ 動物の動きに対する感銘を深めました イルカが泳ぎ ネコが走ったり飛び跳ねたり さらに我々人間が ジョギングしたりテニスをする時には 驚くべきことを行っています 実際 我々の神経系は非常に複雑な 制御の問題を解決しています 200ほどの筋肉を 完璧に操っています 連携がうまく出来なければ 倒れたり ぎこちない動きをすることでしょう 私の目標は このような動作を理解することです

動物の動きには 主に身体の4つの部位が関わっています 1つ目は胴体です 実際のところ 生物力学的な仕組みが 動物の動きをかなり簡素化していることを 過小評価してはいけません 次は脊髄です 脊髄は様々な反射を司り 脊髄内の神経活動と 機械的な動作の間の 知覚運動を制御する ループを作り出します 3つ目の部位は 中枢パターン発生器です これは脊椎動物の脊髄にある 興味深い回路で 非常に調和度の高い リズムのある行動パターンを 自ら発生しますが 受け取るのは とても単純な入力信号だけです この入力信号は 運動皮質、小脳、大脳基底核といった 脳の上部から下達された変調信号で 我々が動作する時に 脊髄の信号を 変調させます しかし興味深いのは 下位レベルの器官である脊髄が 胴体と共調して 運動に関する問題の多くを 片づけてしまうことです おそらくご存知だと思いますが 鳥の頭をちょん切っても しばらくの間走り続けますが 身体の下半分 つまり 脊髄と胴体だけで 運動の大部分を達成することを示しています

この仕組みを調べる方法は とても複雑です なぜならば 第一に 脊髄の活動を記録することは とても困難だからです 運動皮質に電極を埋め込むことは 脊椎で保護された脊髄に比べ とても容易です 人間の場合は特にやっかいです 困難である2つ目の理由は 動作は これら4つの部位の 非常に複雑 かつ動的な 相互作用によりなされるからです ですから これらの要素の役割を 逐次把握することは非常に困難です そこでプルーロボットのような 生物ロボットや数学モデルは 理解に役立ちます

では生物ロボットとは? 生物ロボット工学はロボット工学の中でも 特に研究が盛んで 動物からヒントを得て 野外で活躍する 奉仕ロボット、捜索・救出ロボットや 現場作業ロボットを 作ろうとしています ここで掲げた大目標は 動物にヒントを得て 複雑な地表 ― 階段、山、森など ロボットが今もなお苦手とするものの 動物なら容易な場所を 進めるようにすることです ロボットは素晴らしい 科学的道具にもなります ロボットを使った とても面白いプロジェクトがあります 神経科学、生物力学や流体力学向けの 科学的道具として使います まさにプルーロボットが 目的とするところです 我々が研究室で行っていることは フランスのボルドー在住の ジャン=マリエ・カベルゲンのような 神経生物学者達と共同で 脊髄のモデルを作って ロボットで確かめることです まずは簡単なことから始めます

とても原始的な魚である ヤツメウナギのような動物から始め 段階的に 複雑な動きを目指すのが 良いでしょう イモリ ネコ、ヒト 他の哺乳類へと進めていきます このとおり ロボットは我々のモデルを実証する 興味深いツールとなりました プルーロボットは 私にとって夢の実現です 博士課程の時から ヤツメウナギやイモリの動きを コンピュータで再現しようとし 20年前後の年月が経ちました しかし シミュレーションは 近似に過ぎないと常に認識していました 水、泥や複雑な地面といった場所における物理現象を コンピュータでシミュレートすることは とても困難です では本物のロボットを 現実の条件下で試しては? これらの動物の中で 私のお気に入りはイモリです なぜかというと 両生類だからです 進化の観点から 鍵となる動物です ウナギ、魚類の泳ぎと ネコやヒトなどの哺乳類に見られる 四足歩行を見事にリンクさせています 事実 現生のイモリは 最初の陸生の脊椎動物と とても似通っています 生きた化石といえるもので 我々の祖先 ― 全ての陸生の四足歩行動物の祖先のことを 知ることができます

イモリは ウナギ型の泳ぎをします 頭部から尾までの筋肉を 波を打つように見事にうねらせます イモリを地面に置くと 速足歩行モードに切り替わります 手足を上手に周期的に連携させます つまり 定常的な波の様に 身体をうねらせるのです まさにこの動きを プルーロボットで見ることができます とても驚くべき かつ素晴らしいことは この動きが脊髄と胴体の間だけで 行われていることです もし イモリの脳を除去しても ― ぞっとしますが 頭を切り離してしまっても 脊髄に電気刺激を与えると 低レベルの刺激により 歩行モードが誘発されます 刺激を少し強くすると 加速します ある限界点に達すると 自動的に 水泳モードに切り替わります 素晴らしいことです 刺激を変えると まるで変調信号を脊髄へと下達させる ペダルを踏んだかのように 全く異なる動きの 2つのモードが切り替わります 同様なことがネコでも観察されています ネコの脊髄を刺激すると 歩行、速足、駆け足のモードが 切り替わります 鳥でも切り替えが可能です 弱い刺激では歩き 強い刺激では 羽をはばたかせます 脊髄が実に精巧な 運動制御器官であることを 示しています

我々はイモリの動きを もっと詳しく調べました 実に素晴らしいX線動画撮影装置を ドイツのイェーナ大学の マーティン・フィッシャー教授に 使わせて頂きました この素晴らしい装置のおかげで 骨の動きを詳細に 記録することが出来ました こんなことを行ったのです どの骨が重要な働きを しているのかが分かりました また 動きを3次元的に記録しました 我々が集めたデータは 陸上、水中の両方における 網羅的なデータベース ― 本物の動物の動きをとらえた 包括的なデータベースです さて 我々ロボット研究家の役目は ロボットでこれを再現することです 動きを出来るだけ忠実に再現するために モーターの位置や それらのつなぎ方まで 適切な構造を見出すべく 全過程を最適化しました このようにしてプルーロボットが 実現しました

どれほど本物の動物に動きが似ているか ご覧ください 本物の動物とプルーロボットの歩行を 直接的に比較しながら 見ることができます 歩行の様子を 一挙手一投足で 再現することが出来ます 元に戻して ゆっくりと再生すると もっと良く分るでしょう さらに 泳ぐことも出来ます ドライスーツを準備して ロボットをすっぽり覆いました


水の中に入って 泳ぎを再現させましょう 我々は歓喜しました とても難しいことでしたからね 物理的な相互作用はとても複雑です 我々のロボットは 小動物に比べてずっと大型なので 周波数の動的スケーリングなるものを行い 等価の物理的相互作用が 得られるようにしました ついに ご覧のとおり 見事に真似ることが出来ました 我々は本当に喜びました 脊髄のお話をします ジャン=マリエ・カベルゲンと共に 脊髄神経回路をモデル化しました 興味深いことにイモリは とても原始的な神経回路をもっており これは ウナギに似た原始的な魚類である ヤツメウナギに 我々が見出したものと 非常に似ています 進化の過程で 脚の動作のために 肢を制御する新たな神経発振器が 加えられたかのようです この神経発振器の在り処は 分かっていますが 我々が行ったことは 陸水における全く異なった動きを 可能にする 連動の仕組みの 数学モデルを作ることでした 発振器をロボットに搭載して 試してみました

こんな感じです ご覧になっているのは プルーロボットの前バージョンですが ロボットに搭載した 脊髄モデルプログラムによって 完全に制御されています 我々は単に リモコンで2つの信号を送信するだけで これは 脳の上部から下達される 信号のようなものです 興味深いことに これらの信号だけで スピード、方向や動きの種類を 完全に制御することが出来ます 例えば 弱い刺激を与えると 歩行を行い 刺激を強くしていくと ある時点で 突然 水泳モードに切り替わります 方向転換もとてもスマートにできます 脊髄の一方の側を 他方より強く刺激するだけでよいのです とても素晴らしいことに 自然は脊髄に 制御の多くを任せており 脳の上部が個々の筋肉の制御に 煩わせられることがありません 脳は高レベルの変調だけを行い 脊髄は全ての筋肉を連携させることを 役目としています

さてネコの動きと生物力学の大切さについて お話ししましょう これは別のプロジェクトで ネコの生物力学を研究したものです 形態が運動の助けになることを 見てみたいと思っていました ネコには ― 基本的に肢には 3つの重要な性質があることが 分かりました まず最初に ネコの肢は パンタグラフのような構造を しています パンタグラフは その上面と下面を 常に平行に保つような 機械的構造です その内部のパーツの動きを 連動させるような 単純な幾何学的なシステムです ネコの肢の2つ目の性質は とても軽量に出来ていることです ほとんどの筋肉は胴体にあります 肢の慣性力を下げて 素早く動くのに好都合です ネコの肢の重要な3つ目の性質は とても弾力的であることで 衝撃や外力への対応を容易にします これを チーター・カブに 取り込んでみました

チーター・カブ 舞台へどうぞ 彼はピーター・エッカートで このロボットについて博士論文を書いています ご覧のとおり 小さくて可愛いロボットですね 小さなおもちゃのようですが ネコの脚の性質を調べるための 科学的道具として使われたのです とても従順で 軽量 しかも 弾力的です 押しつけても 壊れることもなく 少し跳びはねます この弾力性がとても重要です 脚の3つのパーツには パンタグラフとしての性質が 見てとれます

面白いことに このとてもダイナミックな動きが オープン・ループだけで ― つまり センサーも 複雑なフィードバック回路もなく 達成されていることです これは興味深いことで 力学的な構造だけで この素早い動きを 安定化させており 本当に優れた力学的構造は 基本的に動作を単純化しているのです 次のビデオでは 動作を少し乱したらどうなるか ご覧いただきましょう 一例として ロボットが段差を降りていく練習ですが ロボットはつまずきません 私たちにとって これは驚きでした これは ちょっとした乱れです センサーも敏速な フィードバック回路もないので ロボットはすぐに転ぶだろうと 思っていました しかし 動作は力学的に安定化されており ロボットは転びません もちろん 段差が大きくなったり 障害物があれば 完全な制御ループ、反射行動といったものが 必要となります ここで重要なことは 小さな乱れに対応するだけならば 力学的対応で十分だということです これは生物力学、ロボット工学から 神経科学までに共通した 重要なメッセージ ― 動作において身体自体の役割を 過小評価してはならないということです

では ヒトの動きとの関係は? 明らかに ヒトの動きは ネコやイモリよりも複雑ですが 神経回路そのものは 他の脊椎動物のものと ほとんど同じです 特に脊髄は ヒトの動きの重要な制御を担っています だから脊髄の損傷は 著しい障害をもたらします 対麻痺や四肢麻痺が起きます それは 脳が脊髄との情報伝達を 失うためです 詳しく言えば 変調信号を下達し 動作を始めることが 出来なくなるのです 神経機能代替装置の目的は 電気的 もしくは 化学的刺激により 情報伝達を再活性化することです EPFL(スイス連邦工科大学ローザンヌ校)など 世界中の いくつかのチームが研究しています 私はグレゴワー・コクティンや シルベストロ・ミチャーと 共同で研究を進めています

正しい方法で研究するために 大切なことは 脊髄の仕組み 脊髄と身体の相互作用 脳が脊髄と情報伝達する仕組みを 理解することです 今日ご紹介した ロボットやモデルが この重要な目的達成において 鍵となる役目を果たすことを願っています



ブルーノ・ジュサーニ:アウケ あなたの研究室で 汚染された水の中を泳ぎ 汚染度を測定するロボットを 目にしました でも このロボットは 捜索や救出に応用できると あなたはトークで お話になりました 事実 鼻にカメラが取り付けられています

アウケ・エイスペールト:全くその通りです 副産物的なプロジェクトで ロボットを捜索や救出のための調査に 使おうとしています 今ロボットがあなたを見ています 私の夢は 皆さんが危機に遭遇しているとき ― 崩壊したビルや 浸水したビルの中など レスキュー隊やレスキュー犬にとってさえも 危険な場所に ロボットを送り込み はって進み、泳ぎ、歩き 搭載したカメラで中を調べ 生存者を見つけ しかも生存者との通信を 可能にさせることです

ブルーノ:生存者がこの姿を見て 恐れをなさなければいいですね

アウケ:外見はちょっと 変えるべきかもしれませんね 食べられてしまうんではないかと 恐怖におののき 心臓まひで亡くなってしまうかも しれませんからね でも 外見を変え もっとしっかりしたものを作れば きっと便利なツールに 仕上がることでしょう

ブルーノ:チームの皆さんも含め どうも有難うございました

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