自然の巧妙さを模倣:サラマンダーロボットが示す未来の科学と工学

テクノロジー

Roboticist Auke Ijspeert designs biorobots, machines modeled after real animals that are capable of handling complex terrain and would appear at home in the pages of a sci-fi novel. The process of creating these robots leads to better automata that can be used for fieldwork, service, and search and rescue. But these robots don’t just mimic the natural world — they help us understand our own biology better, unlocking previously unknown secrets of the spinal cord.

ロボティシストのAuke Ijspeertは、複雑な地形を扱うことができる実在の動物をモデルにした機械、つまりバイオロボットを設計しています。

これらのロボットを作成するプロセスは、フィールドワーク、サービス、そして捜索・救助に使用できるより優れたオートマトンを生み出します。しかし、これらのロボットは単に自然界を模倣するだけでなく、私たち自身の生物学をよりよく理解するのに役立ち、脊髄の以前に知られていなかった秘密を解き明かします。

タイトル A robot that runs and swims like a salamander
サンショウウオのように走ったり泳いだりするロボット
スピーカー アウケ・アイスピアート
アップロード 2016/02/19
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「サンショウウオのように走ったり泳いだりするロボット(A robot that runs and swims like a salamander)」の文字起こし

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.

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.

Let’s go to the spinal cord. 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. We made 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.

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. 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. 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. 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.

Now let’s go to cat locomotion and the importance of biomechanics. This is another project where we studied cat biomechanics, and we wanted to see how much the morphology helps locomotion. We found three important criteria in the properties 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. 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, to handle impacts and forces. And this is how we designed Cheetah-Cub. Let’s invite Cheetah-Cub onstage. 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 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.

「サンショウウオのように走ったり泳いだりするロボット(A robot that runs and swims like a salamander)」の和訳

こちらがPleurobotです。Pleurobotは、サラマンダーの一種であるPleurodeles waltlを模倣して設計されたロボットです。ご覧の通り、Pleurobotは歩行することができ、後でご覧いただくように泳ぐこともできます。

なぜこのロボットを設計したのかと疑問に思うかもしれませんが、実際、このロボットは神経科学のための科学ツールとして設計されました。神経生物学者と共同で設計し、動物の動きを理解し、特に脊髄がどのようにして運動を制御するのかを研究するためです。

バイオロボティクスの分野で仕事をすればするほど、動物の運動能力には本当に感嘆します。イルカが泳いだり、猫が走ったり跳んだりする様子、あるいは私たち人間がジョギングをしたりテニスをしたりする様子を考えてみてください。驚くべきことをしているのです。実際、私たちの神経系は非常に複雑な制御問題を解決しています。約200の筋肉を完璧に協調させなければなりません。協調が悪いと、転んだり、運動がうまくいかなかったりします。私の目標は、これがどのように機能するのかを理解することです。

動物の運動の背後には4つの主要な要素があります。最初の要素は単に身体です。実際、動物の運動を単純化する生体力学の重要性を過小評価してはいけません。次に脊髄があります。脊髄には反射があり、複数の反射が脊髄の神経活動と機械的活動の間にセンサーモーターの協調ループを作ります。3つ目の要素は中央パターン発生器です。これらは脊椎動物の脊髄にある非常に興味深い回路で、非常にシンプルな入力信号を受け取るだけで非常に協調されたリズムパターンの活動を生成することができます。そして、これらの入力信号は脳の高次部位からの下降モジュレーションから来ます。これには運動皮質、小脳、基底核などが含まれ、これらが運動中に脊髄の活動を調整します。

興味深いのは、低レベルの要素である脊髄と身体だけで、運動問題の大部分を解決する程度です。例えば、鶏の頭を切り落とすと、それでもしばらく走り続けることができます。これは脊髄と身体だけで大部分の運動を解決していることを示しています。

しかし、これがどのように機能するのかを理解するのは非常に複雑です。まず、脊髄の活動を記録するのは非常に難しいです。運動皮質に電極を埋め込む方がはるかに簡単です。脊椎に守られているため、特に人間では非常に難しいです。もう一つの難点は、運動はこれら4つの要素の非常に複雑で非常に動的な相互作用によるものだからです。そのため、各要素の役割を時間と共に特定するのは非常に難しいです。ここでPleurobotのようなバイオロボットや数学モデルが大いに役立ちます。

バイオロボティクスとは何かと言うと、これはロボティクスの非常に活発な研究分野で、研究者たちは動物からインスピレーションを得てロボットを作り、屋外で使用したり、サービスロボットや捜索救助ロボット、フィールドロボットなどとして使用したいと考えています。大きな目標は、動物からインスピレーションを得て、複雑な地形、例えば階段、山、森などを扱うことができるロボットを作ることです。これらの場所ではロボットはまだ困難を抱えていますが、動物ははるかにうまく対処できます。

ロボットは素晴らしい科学ツールにもなります。神経科学、バイオメカニクス、流体力学のための科学ツールとしてロボットが使用されている非常に素晴らしいプロジェクトがいくつかあります。

Pleurobotの目的もまさにこれです。私の研究室では、フランスのボルドーにいる神経生物学者ジャン=マリー・カベルゲンのような神経生物学者と協力して、脊髄モデルを作成し、それをロボットで検証することを目指しています。ここではシンプルな動物から始めるのが良いです。例えば、非常に原始的な魚であるヤツメウナギのようなシンプルな動物から始め、徐々にサラマンダーや猫、人間、哺乳類のようなより複雑な運動へと進んでいきます。ロボットは私たちのモデルを検証するための興味深いツールとなります。

実際、私にとってPleurobotは一種の夢の実現です。約20年前、私は博士課程の間にヤツメウナギやサラマンダーの運動のシミュレーションをコンピュータで行っていました。しかし、シミュレーションはあくまで近似であり、水や泥、複雑な地面での物理現象を正確にシミュレーションするのは非常に難しいことを常に知っていました。なぜリアルなロボットとリアルな物理現象を使わないのでしょうか?

これらの動物の中で私のお気に入りの一つはサラマンダーです。なぜかと聞かれると、両生類として進化の観点から非常に重要な動物だからです。サラマンダーは、ウナギや魚に見られる泳ぎと、哺乳類、猫、人間に見られる四足歩行を結びつける素晴らしいリンクを提供します。現代のサラマンダーは最初の陸上脊椎動物に非常に近く、ほぼ生きた化石であり、私たちの先祖、すべての陸上四肢動物の先祖にアクセスすることができます。

サラマンダーはアンギュイフォーム(うなぎのような)泳ぎの歩様で泳ぎます。これは頭から尾にかけて筋肉活動の美しい波を伝播させる泳ぎ方です。サラマンダーを地面に置くと、歩行トロット歩様に切り替わります。この場合、脚の周期的な活性化が体の波状の動きと非常によく協調されます。これがPleurobotで見られる歩様です。

驚くべきことに、すべてが脊髄と体だけで生成されるという事実です。サラマンダーの頭を取り除き、脊髄を電気的に刺激すると、低レベルの刺激で歩行のような歩様が誘発されます。刺激を強めると歩様が加速します。ある閾値に達すると、自動的に泳ぎに切り替わります。これは驚くべきことです。下降モジュレーションを脊髄に送り込むだけで、ガスペダルを踏むようにして、全く異なる二つの歩様の切り替えが行われます。同じことが猫でも観察されています。猫の脊髄を刺激すると、歩行、トロット、ギャロップの間で切り替えることができます。また、鳥では、低レベルの刺激で歩行、強い刺激で翼を羽ばたかせることができます。これにより、脊髄が非常に高度な運動制御器であることが示されています。

私たちはサラマンダーの運動を詳細に研究し、ドイツのイエナ大学のマーティン・フィッシャー教授の非常に素晴らしいX線ビデオ装置にアクセスできました。これ

により、すべての骨の動きを詳細に記録することができました。そして、どの骨が重要であるかを特定し、3Dでその動きを記録しました。地上と水中の両方で運動行動のデータベースを収集し、リアルな動物が行うすべての運動行動を記録しました。そして、私たちロボット技術者の仕事は、それをロボットで再現することでした。

モーターを配置する場所や接続方法を最適化し、これらの動きを再現するために最適な構造を見つけ出しました。これがPleurobotの誕生です。リアルな動物とどれほど近いかを見てみましょう。

ここでは、リアルな動物とPleurobotの歩行のほぼ直接の比較を示しています。ほぼ一対一の正確な歩行の再現が見られます。後ろに戻ってゆっくり見ると、さらによく分かります。しかし、さらに素晴らしいのは、泳ぐこともできることです。ロボット全体にドライスーツを着せて水に入れ、泳ぎの歩様を再現することができます。ここで非常に満足しました。物理的な相互作用は複雑です。私たちのロボットは小さな動物よりもはるかに大きいので、同じ相互作用の物理を確保するために周波数の動的スケーリングを行う必要がありました。しかし、最終的には非常に近い一致を得ることができ、非常に満足しました。

次に脊髄に移りましょう。ジャン=マリー・カベルゲンと一緒に脊髄回路をモデル化しました。サラマンダーは非常に原始的な回路を保持しており、ヤツメウナギという原始的なウナギ状の魚に見られるものと非常に似ており、進化の過程で四肢を制御する新しい神経振動子が追加されているようです。異なる歩様間の移行を可能にするためにそれらがどのように結合されるべきかを数学的モデルで見ました。そして、それをロボット上でテストしました。

ここでは、完全に私たちの脊髄モデルによって制御された以前のバージョンのPleurobotを示しています。リモコンを通じてロボットに上部脳からの二つの下降信号を送るだけです。これらの信号を操作することで、速度、方向、歩様のタイプを完全に制御できます。低レベルの刺激で歩行の歩様が得られ、一定のポイントで刺激が強くなると非常に速く泳ぎの歩様に切り替わります。最後に、脊髄の片側を他の側よりも強く刺激することで非常にうまく方向転換もできます。これは自然が制御をどれほど脊髄に分散させているかを示しており、脳の上部はすべての筋肉について心配する必要がなく、高レベルのモジュレーションだけを心配する必要があることを示しています。

次に猫の運動とバイオメカニクスの重要性に移りましょう。これは猫のバイオメカニクスを研究した別のプロジェクトで、形態が運動にどれほど役立つかを見てみました。猫の脚のプロパティで見つかった3つの重要な基準があります。最初のものは、猫の脚がパントグラフのような構造に見えることです。パントグラフは、上部セグメントと下部セグメントを常に平行に保つ機械構造です。猫の脚のもう一つの特性は、非常に軽量であることです。ほとんどの筋肉は胴体にあり、脚は低い慣性を持ち、非常に迅速に動かすことができます。

最後に重要な特性は、猫の脚が非常に弾力的であり、衝撃や力を処理できることです。これが私たちがCheetah-Cubを設計した方法です。Cheetah-Cubをステージに招待しましょう。こちらはPeter Eckertで、彼はこのロボットで博士号を取得しています。ご覧のとおり、これはかわいい小さなロボットです。おもちゃのように見えますが、猫の脚の特性を調査するための科学ツールとして使用されました。非常に柔軟で、軽量で、非常に弾力性があり、押しても壊れません。むしろ跳ね返ります。この非常に弾力性のある特性も非常に重要です。また、脚の三つのセグメントのパントグラフの特性も少し見えます。

興味深いのは、この非常に動的な歩行が完全にオープンループで得られることです。つまり、センサーや複雑なフィードバックループはありません。これは非常に興味深いことで、機械工学だけでこのかなり速い歩行を安定させていることを意味します。これにより、運動がどれほど単純化されるかが示されます。次のビデオでは、ロボットがステップを降りる練習をする場面を示しています。ロボットは転倒しませんでした。これは私たちにとって驚きでした。これは小さな摂動です。センサーや高速フィードバックループがないため、すぐに転倒すると予想していましたが、そうではありません。機械工学だけで歩行が安定し、ロボットは転倒しませんでした。もちろん、ステップが大きくなったり、障害物があったりすると、完全な制御ループや反射が必要ですが、ここで重要なのは、機械工学だけで小さな摂動に対応できることです。これはバイオメカニクスとロボティクスから神経科学への重要なメッセージであり、身体が運動をどれほど助けるかを過小評価しないでくださいということです。

次に、人間の運動に関連する部分に移りましょう。明らかに、人間の運動は猫やサラマンダーの運動よりも複雑ですが、同時に、人間の神経系は他の脊椎動物の神経系と非常に似ています。特に脊髄は人間の運動の重要な制御器です。そのため、脊髄に損傷があると、重大な影響を及ぼし、人が下半身不随や四肢麻痺になる可能性があります。これは、脳が脊髄との通信を失うためです。特に、運動を開始し、調整するための下降モジュレーションを失います。神経補助装置の大きな目標は、電気的または化学的な刺激を使用してその通信を再活性化することです。これを正しく行うためには、脊髄がどのように機能し、体とどのように相互作用し、脳が脊髄とどのように通信するかを理解することが非常に重要です。ここで、今日紹介したロボットやモデルが、これらの非常に重要な目標に向けて重要な役割を果たすことを期待しています。ありがとうございました。

ブルーノ・ジウサーニ:オーク、あなたの研究室では、汚染の中で泳ぎながら汚染を測定するロボットなど、他のロボットも見たことがあります。しかし、今回紹介されたロボットについては、捜索救助の副次的プロジェクトとして言及しましたが、鼻にカメラが付いていますね。

オーク・アイスピールト:その通りです。このロボットにはいくつかのスピンオフプロジェクトがあり、捜索救助や点検のために使用したいと考えています。このロボットは現在、皆さんを見ています。大きな夢は、倒壊した建物や浸水した建物などの困難な状況で、救助チームや救助犬にとって非常に危険な状況で、このロボットを送り込み、カメラを

搭載して点検し、生存者を特定し、場合によっては生存者との通信リンクを確立することです。

BG:もちろん、生存者がこの形に怖がらないことを前提としていますね。

AI:ええ、おそらく外観をかなり変更する必要がありますね。ここでは生存者が心臓発作を起こしてしまうかもしれません。このロボットが彼らを食べるのではないかと心配するかもしれません。でも、外観を変更し、より頑丈にすることで、素晴らしいツールにすることができると確信しています。

BG:ありがとうございました。あなたとあなたのチームに感謝します。

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