Hoe bewoog een amfibie? Vraag het deze paleorobot

Er loopt een amfibieachtig dier door het laboratorium van de Zwitserse hoogleraar Auke Jan IJspeert, op de campus van de technische universiteit EPFL in Lausanne. Orobates pabsti is zo’n anderhalve meter lang en stapt voort met trage tred. Linkerachterpoot en rechtervoorpoot, rechterachterpoot en linkervoorpoot, heen en weer zwiepende staart.

Zijn skelet is duidelijk zichtbaar, de huid ontbreekt. Orobates oogt als een fossiel, en dat is niet verwonderlijk: de voorloper van de Amniota (een diergroep waaruit later zowel zoogdieren als reptielen zich hebben ontwikkeld) is al zo’n 280 miljoen jaar uitgestorven. Het exemplaar dat IJspeert hier heeft rondlopen is een robot, bedoeld om te achterhalen hoe deze soort zich destijds voortbewoog.

Het Biorobotics Laboratory hier aan EPFL probeert met behulp van robots na te bootsen hoe dieren bewegen – om zodoende meer inzicht te krijgen in hoe die bewegingen worden aangestuurd door de hersenen – én om nieuwe robots te ontwerpen die op moeilijk toegankelijk terrein in te zetten zijn, bijvoorbeeld bij reddingsoperaties.

Muddybot en Pleurobot

„Robots zijn ideale proefdieren, omdat je er allerlei hypotheses mee kunt testen, en wat-als-scenario’s mee kunt uitvoeren. Je kunt een echt dier niet vragen om zijn loopje eindeloos te herhalen, maar een robot kun je het keer op keer laten doen”, vertelt IJspeert in het Engels, met een Frans accent – zijn ouders zijn Nederlanders, maar verhuisden al voor zijn geboorte naar Zwitserland om bij CERN te werken. Aan de muur van IJspeerts lab hangt een grote poster met een cover van Nature: in januari 2019 was Orobates het covermodel van het wetenschappelijke tijdschrift. Met de publicatie vestigden IJspeert en zijn collega’s zich als pioniers in een heel nieuw vakgebied: dat van de paleorobotica.

Het modelleren van uitgestorven diersoorten is op zichzelf niet nieuw. Al in de jaren tachtig schreef de inmiddels overleden Britse zoöloog Robert McNeill Alexander over het nut van biomechanica in de paleontologie. Zelf bouwde hij levensechte modellen van plastic om zo onder meer het gewicht van bepaalde dinosaurussoorten te bepalen. En in recent onderzoek worden regelmatig computermodellen gebruikt om inzichten te krijgen in het leefgedrag van vroegere soorten. Onder andere aan het Royal Veterinary College in Londen wordt onderzoek gedaan naar het ontwikkelen van paleorobots. En onderzoekers van de Georgia Tech School of Physics publiceerden in 2016 over hun MuddyBot, een robot die eveneens het loopgedrag van vroege tetrapoden oftewel viervoeters moest nabootsen. Maar het creëren van een complete robot op basis van een specifiek fossiel, zoals nu met Orobates pabsti is gebeurd, is nooit eerder gedaan.

Veel sneller dan één stap per seconde gaat niet, vanwege de motoren

Auke Jan IJspeert hoogleraar

IJspeert: „ Aanvankelijk waren we bezig met het ontwerp van een robotamfibie, Pleurobot (vernoemd naar de ribbensalamander, Pleurodeles waltl). Die moest ons inzicht geven in de bewegingen van salamanders: we wilden begrijpen hoe de ruggegraat die bewegingen beïnvloedt. En voor het ontwerp van Pleurobot bestudeerden we eerst een salamander in detail in een röntgenvideoapparaat, bij evolutiebioloog Martin Fischer van de Jena Universiteit. Een van mijn promovendi dronk na afloop daarvan een biertje met een van Martins promovendi, John Nyakatura, nu werkzaam aan de Humboldt Universiteit in Berlijn, en die zei: ‘Ik heb nog een mooi amfibieënfossiel liggen…’ En dat was Orobates pabsti.” Dat juist deze Orobates geschikt is als model voor een paleorobot, is geen toeval. „Het is heel zeldzaam dat je zo’n goed bewaard fossiel vindt sámen met de fossiele voetsporen – meestal is het of-of.”

Digitale marionet

Om na te gaan hoe de vroege viervoeter liep, maakten de onderzoekers eerst een scan van het fossiele skelet, en op basis daarvan een driedimensionaal computermodel. „Een soort digitale marionet waaraan we konden zien hoe ver hij elke ledemaat kon strekken en buigen”, zegt IJspeert.

Vervolgens programmeerden ze het model zodanig dat de stappen daadwerkelijk in de fossiele voetsporen pasten. „Maar daarmee bleven er nog steeds een heleboel mogelijke manieren van voortbewegen over. En dus besloten we de tred van huidige dieren die qua bouw aan Orobates verwant zijn met röntgenvideo te filmen: de kaaiman, de salamander, de leguaan en de skink – een hagedissensoort.”

Onderzoekers laten de Orobates-robot lopen.

Vanuit evolutionair standpunt gezien viel Orobates net tussen de huidige salamanders en reptielen in, maar die twee groepen hebben een heel andere manier van lopen: salamanders zijn aan land veel trager en klungeliger dan bijvoorbeeld hagedissen en kaaimannen. „De tred van Orobates zou zowel op die van de salamander als op die van de kaaiman geleken kunnen hebben, maar we vermoedden dat hij naar die tweede variant neigde: met gespreide poten, niet heel laag bij de grond, en behoorlijk snel en soepel. Het blijft een beetje speculeren, maar met een trage salamandertred had hij het als landdier waarschijnlijk niet zo ver geschopt.”

Variërende loopstijlen

Al kon Orobates vermoedelijk ook variëren tussen verschillende loopstijlen, zegt IJspeert. „Kijk bijvoorbeeld naar een kat: die wisselt ook continu af tussen speels, lui, alert, aanhankelijk. Dus hoe Orobates liep, kunnen we nooit met honderd procent zekerheid zeggen. Maar het digitale model en de robot helpen ons wel bij het analyseren van zijn vermoedelijke tred. Op basis van hoe soepel hij liep denken we bijvoorbeeld dat hij een stuk verder aan land kon komen dan tot nu toe werd gedacht.”

De paleorobot is onder meer bedoeld om de manier van voortbewegen nog inzichtelijker te maken. „Door Orobates na te bouwen, konden we kijken hoe hij zich in het écht voortbewoog, wat zijn interactie met de omgeving was. Dat hadden we met Pleurobot ook al gedaan – die gaven we zelfs een drysuit waarmee hij droog bleef in het water, zodat we konden zien hoe hij zwom.”

Galopperende kaaiman

Minstens zo belangrijk als de precieze voorspelling van de tred was ook de ontwikkeling van de robot zelf, benadrukt IJspeert. „Dit zorgt voor nieuw kwantitatief gereedschap binnen de paleontologie. Want in dat vakgebied moet je vaak op basis van een paar botten een heel verhaal maken, en dan kan het uitmonden in speculatie. Zoals ik het zie kun je robots ook heel goed gebruiken om bijvoorbeeld vraagstukken over balans en energie-efficiëntie bij al dan niet uitgestorven dieren te beantwoorden. En daarnaast zijn ze een platform om nieuwe dingen uit te proberen en hypotheses te testen. Daarom hebben we onze onderzoeksgegevens ook openbaar toegankelijk gemaakt online – zo kan iedereen zijn eigen analyse maken.”

Natuurlijk zijn er ook nog haken en ogen – zo is Orobates ruim 1,5 keer zo lang als het echte fossiel, omdat het mechaniek er anders niet in past. „En er zit een limiet aan de snelheid waarmee hij kan lopen. Veel sneller dan één stap per seconde gaat niet, vanwege de motoren. Kaaimannen kunnen galopperen over een afstand van vijftig meter, maar bij Orobates hebben we dat niet kunnen nabootsen. Maar de soort was vermoedelijk ook zwaarder dan de huidige kaaimannen, dus dat galopperen konden ze waarschijnlijk sowieso niet.”

In theorie zou je ook veel grotere paleorobots kunnen bouwen, zegt IJspeert. „Voor een dinosaurus heb je wel een groot budget nodig: je zou dezelfde elektrische motoren moeten gebruiken als voor elektrische auto’s, en misschien heb je nog wat hydraulische techniek nodig, maar de technologie is er wel. De uitdaging zit hem eerder in het ontwerpen van een heel kleine robot, een insect bijvoorbeeld: met piepkleine motoren heb je ook minder vermogen.” Ook vanuit natuurhistorische musea komen inmiddels aanvragen binnen. „Daar werken we nog aan. Momenteel hebben we in Zürich wel een replica van onze robot staan, waarbij op een video te zien is hoe hij loopt. Maar een robot écht dag in dag uit urenlang achter elkaar laten lopen… Dat hebben we nog niet gedaan, en de vraag is of het mechaniek dat volhoudt. Tot nu toe hoefde Orobates in onze experimenten steeds maar een klein eindje te wandelen.”