Pleurobot is a robot that we designed to closely mimic a salamander species

これはプルーロボットといいます

called Pleurodeles waltl.

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

Pleurobot can walk, as you can see here,

まねて作ったものです

and as you'll see later, it can also swim.

プルーロボットはご覧のとおり 歩行することも

So you might ask, why did we design this robot?

後でご覧頂くように 泳ぐことも出来ます

And in fact, this robot has been designed as a scientific tool for neuroscience.

なぜこんなロボットを設計するのかって？

Indeed, we designed it together with neurobiologists

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

to understand how animals move,

事実 神経生物学者と共同で

and especially how the spinal cord controls locomotion.

動物の動きを ー

But the more I work in biorobotics,

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

the more I'm really impressed by animal locomotion.

しかし生物ロボット工学を研究するにつれ

If you think of a dolphin swimming or a cat running or jumping around,

動物の動きに対する感銘を深めました

or even us as humans,

イルカが泳ぎ ネコが走ったり飛び跳ねたり

when you go jogging or play tennis,

さらに我々人間が

we do amazing things.

ジョギングしたりテニスをする時には

And in fact, our nervous system solves a very, very complex control problem.

驚くべきことを行っています

It has to coordinate more or less 200 muscles perfectly,

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

because if the coordination is bad, we fall over or we do bad locomotion.

200ほどの筋肉を 完璧に操っています

And my goal is to understand how this works.

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

There are four main components behind animal locomotion.

私の目標は このような動作を理解することです

The first component is just the body,

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

and in fact we should never underestimate

１つ目は胴体です

to what extent the biomechanics already simplify locomotion in animals.

実際のところ 生物力学的な仕組みが

Then you have the spinal cord,

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

and in the spinal cord you find reflexes,

次は脊髄です

multiple reflexes that create a sensorimotor coordination loop

脊髄は様々な反射を司り

between neural activity in the spinal cord and mechanical activity.

脊髄内の神経活動と 機械的な動作の間の

A third component are central pattern generators.

知覚運動を制御する ループを作り出します

These are very interesting circuits in the spinal cord of vertebrate animals

３つ目の部位は 中枢パターン発生器です

that can generate, by themselves,

これは脊椎動物の脊髄にある 興味深い回路で

very coordinated rhythmic patterns of activity

非常に調和度の高い

while receiving only very simple input signals.

リズムのある行動パターンを 自ら発生しますが

And these input signals

受け取るのは とても単純な入力信号だけです

coming from descending modulation from higher parts of the brain,

この入力信号は

like the motor cortex, the cerebellum, the basal ganglia,

運動皮質、小脳、大脳基底核といった

will all modulate activity of the spinal cord

脳の上部から下達された変調信号で

while we do locomotion.

我々が動作する時に 脊髄の信号を

But what's interesting is to what extent just a low-level component,

変調させます

the spinal cord, together with the body,

しかし興味深いのは 下位レベルの器官である脊髄が

already solve a big part of the locomotion problem.

胴体と共調して

You probably know it by the fact that you can cut the head off a chicken,

運動に関する問題の多くを 片づけてしまうことです

it can still run for a while,

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

showing that just the lower part, spinal cord and body,

しばらくの間走り続けますが

already solve a big part of locomotion.

身体の下半分 つまり 脊髄と胴体だけで

Now, understanding how this works is very complex,

運動の大部分を達成することを示しています

because first of all,

この仕組みを調べる方法は とても複雑です

recording activity in the spinal cord is very difficult.

なぜならば 第一に

It's much easier to implant electrodes in the motor cortex

脊髄の活動を記録することは とても困難だからです

than in the spinal cord, because it's protected by the vertebrae.

運動皮質に電極を埋め込むことは

Especially in humans, very hard to do.

脊椎で保護された脊髄に比べ とても容易です

A second difficulty is that locomotion is really due to a very complex

人間の場合は特にやっかいです

and very dynamic interaction between these four components.

困難である２つ目の理由は 動作は これら４つの部位の

So it's very hard to find out what's the role of each over time.

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

This is where biorobots like Pleurobot and mathematical models

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

can really help.

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

So what's biorobotics?

理解に役立ちます

Biorobotics is a very active field of research in robotics

では生物ロボットとは？

where people want to take inspiration from animals

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

to make robots to go outdoors,

動物からヒントを得て

like service robots or search and rescue robots

野外で活躍する

or field robots.

奉仕ロボット、捜索・救出ロボットや 現場作業ロボットを

And the big goal here is to take inspiration from animals

作ろうとしています

to make robots that can handle complex terrain --

ここで掲げた大目標は 動物にヒントを得て

stairs, mountains, forests,

複雑な地表 ―

places where robots still have difficulties

階段、山、森など

and where animals can do a much better job.

ロボットが今もなお苦手とするものの

The robot can be a wonderful scientific tool as well.

動物なら容易な場所を 進めるようにすることです

There are some very nice projects where robots are used,

ロボットは素晴らしい 科学的道具にもなります

like a scientific tool for neuroscience, for biomechanics or for hydrodynamics.

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

And this is exactly the purpose of Pleurobot.

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

So what we do in my lab is to collaborate with neurobiologists

まさにプルーロボットが 目的とするところです

like Jean-Marie Cabelguen, a neurobiologist in Bordeaux in France,

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

and we want to make spinal cord models and validate them on robots.

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

And here we want to start simple.

脊髄のモデルを作って ロボットで確かめることです

So it's good to start with simple animals

まずは簡単なことから始めます

like lampreys, which are very primitive fish,

とても原始的な魚である

and then gradually go toward more complex locomotion,

ヤツメウナギのような動物から始め

like in salamanders,

段階的に 複雑な動きを目指すのが 良いでしょう

but also in cats and in humans,

イモリ

in mammals.

ネコ、ヒト

And here, a robot becomes an interesting tool

他の哺乳類へと進めていきます

to validate our models.

このとおり ロボットは我々のモデルを実証する

And in fact, for me, Pleurobot is a kind of dream becoming true.

興味深いツールとなりました

Like, more or less 20 years ago I was already working on a computer

プルーロボットは 私にとって夢の実現です

making simulations of lamprey and salamander locomotion

博士課程の時から ヤツメウナギやイモリの動きを

during my PhD.

コンピュータで再現しようとし

But I always knew that my simulations were just approximations.

20年前後の年月が経ちました

Like, simulating the physics in water or with mud or with complex ground,

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

it's very hard to simulate that properly on a computer.

水、泥や複雑な地面といった 場所における物理現象を

Why not have a real robot and real physics?

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

So among all these animals, one of my favorites is the salamander.

では本物のロボットを 現実の条件下で試しては？

You might ask why, and it's because as an amphibian,

これらの動物の中で 私のお気に入りはイモリです

it's a really key animal from an evolutionary point of view.

なぜかというと 両生類だからです

It makes a wonderful link between swimming,

進化の観点から 鍵となる動物です

as you find it in eels or fish,

ウナギ、魚類の泳ぎと

and quadruped locomotion, as you see in mammals, in cats and humans.

ウナギ、魚類の泳ぎと

And in fact, the modern salamander

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

is very close to the first terrestrial vertebrate,

事実 現生のイモリは

so it's almost a living fossil,

最初の陸生の脊椎動物と とても似通っています

which gives us access to our ancestor,

生きた化石といえるもので

the ancestor to all terrestrial tetrapods.

我々の祖先 ―

So the salamander swims

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

by doing what's called an anguilliform swimming gait,

イモリは

so they propagate a nice traveling wave of muscle activity from head to tail.

ウナギ型の泳ぎをします

And if you place the salamander on the ground,

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

it switches to what's called a walking trot gait.

イモリを地面に置くと

In this case, you have nice periodic activation of the limbs

速足歩行モードに切り替わります

which are very nicely coordinated

手足を上手に周期的に連携させます

with this standing wave undulation of the body,

つまり 定常的な波の様に

and that's exactly the gait that you are seeing here on Pleurobot.

身体をうねらせるのです

Now, one thing which is very surprising and fascinating in fact

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

is the fact that all this can be generated just by the spinal cord and the body.

とても驚くべき かつ素晴らしいことは

So if you take a decerebrated salamander --

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

it's not so nice but you remove the head --

もし イモリの脳を除去しても ―

and if you electrically stimulate the spinal cord,

ぞっとしますが 頭を切り離してしまっても

at low level of stimulation this will induce a walking-like gait.

脊髄に電気刺激を与えると

If you stimulate a bit more, the gait accelerates.

低レベルの刺激により 歩行モードが誘発されます

And at some point, there's a threshold,

刺激を少し強くすると 加速します

and automatically, the animal switches to swimming.

ある限界点に達すると

This is amazing.

自動的に 水泳モードに切り替わります

Just changing the global drive,

素晴らしいことです

as if you are pressing the gas pedal

刺激を変えると

of descending modulation to your spinal cord,

まるで変調信号を脊髄へと下達させる

makes a complete switch between two very different gaits.

ペダルを踏んだかのように

And in fact, the same has been observed in cats.

全く異なる動きの ２つのモードが切り替わります

If you stimulate the spinal cord of a cat,

同様なことがネコでも観察されています

you can switch between walk, trot and gallop.

ネコの脊髄を刺激すると

Or in birds, you can make a bird switch between walking,

歩行、速足、駆け足のモードが 切り替わります

at a low level of stimulation,

鳥でも切り替えが可能です

and flapping its wings at high-level stimulation.

弱い刺激では歩き

And this really shows that the spinal cord

強い刺激では 羽をはばたかせます

is a very sophisticated locomotion controller.

脊髄が実に精巧な

So we studied salamander locomotion in more detail,

運動制御器官であることを 示しています

and we had in fact access to a very nice X-ray video machine

我々はイモリの動きを もっと詳しく調べました

from Professor Martin Fischer in Jena University in Germany.

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

And thanks to that, you really have an amazing machine

マーティン・フィッシャー教授に 使わせて頂きました

to record all the bone motion in great detail.

この素晴らしい装置のおかげで

That's what we did.

骨の動きを詳細に 記録することが出来ました

So we basically figured out which bones are important for us

こんなことを行ったのです

and collected their motion in 3D.

どの骨が重要な働きを しているのかが分かりました

And what we did is collect a whole database of motions,

また 動きを３次元的に記録しました

both on ground and in water,

我々が集めたデータは 陸上、水中の両方における

to really collect a whole database of motor behaviors

網羅的なデータベース ―

that a real animal can do.

本物の動物の動きをとらえた

And then our job as roboticists was to replicate that in our robot.

包括的なデータベースです

So we did a whole optimization process to find out the right structure,

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

where to place the motors, how to connect them together,

動きを出来るだけ忠実に再現するために

to be able to replay these motions as well as possible.

モーターの位置や それらのつなぎ方まで

And this is how Pleurobot came to life.

適切な構造を見出すべく 全過程を最適化しました

So let's look at how close it is to the real animal.

このようにしてプルーロボットが 実現しました

So what you see here is almost a direct comparison

どれほど本物の動物に動きが似ているか ご覧ください

between the walking of the real animal and the Pleurobot.

本物の動物とプルーロボットの歩行を

You can see that we have almost a one-to-one exact replay

直接的に比較しながら 見ることができます

of the walking gait.

歩行の様子を 一挙手一投足で

If you go backwards and slowly, you see it even better.

再現することが出来ます

But even better, we can do swimming.

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

So for that we have a dry suit that we put all over the robot --

さらに 泳ぐことも出来ます

(Laughter)

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

and then we can go in water and start replaying the swimming gaits.

（笑）

And here, we were very happy, because this is difficult to do.

水の中に入って 泳ぎを再現させましょう

The physics of interaction are complex.

我々は歓喜しました とても難しいことでしたからね

Our robot is much bigger than a small animal,

物理的な相互作用はとても複雑です

so we had to do what's called dynamic scaling of the frequencies

我々のロボットは 小動物に比べてずっと大型なので

to make sure we had the same interaction physics.

周波数の動的スケーリングなるものを行い

But you see at the end, we have a very close match,

等価の物理的相互作用が 得られるようにしました

and we were very, very happy with this.

ついに ご覧のとおり 見事に真似ることが出来ました

So let's go to the spinal cord.

我々は本当に喜びました

So here what we did with Jean-Marie Cabelguen

脊髄のお話をします

is model the spinal cord circuits.

ジャン＝マリエ・カベルゲンと共に

And what's interesting is that the salamander

脊髄神経回路をモデル化しました

has kept a very primitive circuit,

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

which is very similar to the one we find in the lamprey,

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

this primitive eel-like fish,

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

and it looks like during evolution,

我々が見出したものと 非常に似ています

new neural oscillators have been added to control the limbs,

進化の過程で

to do the leg locomotion.

脚の動作のために 肢を制御する新たな神経発振器が

And we know where these neural oscillators are

加えられたかのようです

but what we did was to make a mathematical model

この神経発振器の在り処は 分かっていますが

to see how they should be coupled

我々が行ったことは

to allow this transition between the two very different gaits.

陸水における全く異なった動きを

And we tested that on board of a robot.

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

And this is how it looks.

発振器をロボットに搭載して 試してみました

So what you see here is a previous version of Pleurobot

こんな感じです

that's completely controlled by our spinal cord model

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

programmed on board of the robot.

ロボットに搭載した 脊髄モデルプログラムによって

And the only thing we do

完全に制御されています

is send to the robot through a remote control

我々は単に

the two descending signals it normally should receive

リモコンで２つの信号を送信するだけで

from the upper part of the brain.

これは 脳の上部から下達される

And what's interesting is, by playing with these signals,

信号のようなものです

we can completely control speed, heading and type of gait.

興味深いことに これらの信号だけで

For instance,

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

when we stimulate at a low level, we have the walking gait,

例えば

and at some point, if we stimulate a lot,

弱い刺激を与えると 歩行を行い

very rapidly it switches to the swimming gait.

刺激を強くしていくと ある時点で

And finally, we can also do turning very nicely

突然 水泳モードに切り替わります

by just stimulating more one side of the spinal cord than the other.

方向転換もとてもスマートにできます

And I think it's really beautiful

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

how nature has distributed control

とても素晴らしいことに

to really give a lot of responsibility to the spinal cord

自然は脊髄に

so that the upper part of the brain doesn't need to worry about every muscle.

制御の多くを任せており

It just has to worry about this high-level modulation,

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

and it's really the job of the spinal cord to coordinate all the muscles.

脳は高レベルの変調だけを行い

So now let's go to cat locomotion and the importance of biomechanics.

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

So this is another project

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

where we studied cat biomechanics,

これは別のプロジェクトで

and we wanted to see how much the morphology helps locomotion.

ネコの生物力学を研究したものです

And we found three important criteria in the properties,

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

basically, of the limbs.

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

The first one is that a cat limb

分かりました

more or less looks like a pantograph-like structure.

まず最初に ネコの肢は

So a pantograph is a mechanical structure

パンタグラフのような構造を しています

which keeps the upper segment and the lower segments always parallel.

パンタグラフは その上面と下面を

So a simple geometrical system that kind of coordinates a bit

常に平行に保つような 機械的構造です

the internal movement of the segments.

その内部のパーツの動きを 連動させるような

A second property of cat limbs is that they are very lightweight.

単純な幾何学的なシステムです

Most of the muscles are in the trunk,

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

which is a good idea, because then the limbs have low inertia

ほとんどの筋肉は胴体にあります

and can be moved very rapidly.

肢の慣性力を下げて

The last final important property is this very elastic behavior of the cat limb,

素早く動くのに好都合です

so to handle impacts and forces.

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

And this is how we designed Cheetah-Cub.

衝撃や外力への対応を容易にします

So let's invite Cheetah-Cub onstage.

これを チーター・カブに 取り込んでみました

So this is Peter Eckert, who does his PhD on this robot,

チーター・カブ 舞台へどうぞ

and as you see, it's a cute little robot.