في عام 2015، تنافس 25 فريقًا حول العالم لإنشاءِ روبوتاتٍ تستجيبُ للكوارث يمكنها أن تؤدّيَ عدداً من المهام، مثلَ استخدامِ أداةٍ كهربائيّة والعملَ فوقَ أرضيّةٍ غيِرِ مستوية وقيادةَ سيّارة. كلّ هذا يبدو مثيراً للإعجاب، وهوَ بالفعلِ كذلك. لكن، ألقوا نظرةً إلى هيكلِ الروبوت (هيوبو) الفائز. يحاولُ هنا (هيوبو) الخروجَ من السيّارة، وخذوا بعينِ الاعتبار أنّه تمّ تسريعُ الفيديو ثلاثَ مرّات.
In 2015, 25 teams from around the world competed to build robots for disaster response that could perform a number of tasks, such as using a power tool, working on uneven terrain and driving a car. That all sounds impressive, and it is, but look at the body of the winning robot, HUBO. Here, HUBO is trying to get out of a car, and keep in mind, the video is sped up three times.
(ضحك)
(Laughter)
(هيوبو) الذي صنعه فريق (كايست) في كوريا هو روبوتٌ متقدّم المستوى بقدراتٍ مثيرةٍ للإعجاب، لكنّ هيكلهُ لا يختلفُ كثيرًا عن ذلك الخاصّ بالروبوتات الأقدمِ منذ عقود. بالنظرِ إلى الروبوتات الأخرى في المنافسة، يبدو أنّ تحركاتهم أيضاً ما تزالُ آليةً جدًا. إنّ أجسادهم هي هياكل آليّة معقّدة تعتمد على موادٍ صلبة، مثلَ المعدن والمحرّكاتِ الكهربائيّة التقليديّة. لكن بالطّبع، لم تُصمّم هذه الروبوتات لتكون منخفضةَ التكلفة، ويكونَ وجودها إلى جانب البشر آمناً أو أن تتأقلمَ مع العقباتِ المفاجئة. لقد أحدثنا تقدّما بارزاً بطريقةِ تفكيرِ الروبوتات لكنّ أجسادهم لا تزالُ بدائيّة.
HUBO, from team KAIST out of Korea, is a state-of-the-art robot with impressive capabilities, but this body doesn't look all that different from robots we've seen a few decades ago. If you look at the other robots in the competition, their movements also still look, well, very robotic. Their bodies are complex mechanical structures using rigid materials such as metal and traditional rigid electric motors. They certainly weren't designed to be low-cost, safe near people and adaptable to unpredictable challenges. We've made good progress with the brains of robots, but their bodies are still primitive.
هذه ابنتي (ناديا) هي في الخامسةِ من عمرها، ويمكنها أن تخرجَ من السّيارةِ أسرع بكثيرٍ من (هيوبو)
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
(ضحك)
(Laughter)
يمكنها التأرجح على قضبانِ الحديقةِ بسهولة أيضاً، وأفضلَ بكثيرٍ مما يمكن أن يقومَ به أي روبوتٍ شبيه بالبشر. بخلافِ الروبوت (هيوبو)، يستفيد الجسمُ البشريُّ استفادةً شاملةً من الموادّ اللينة والقابلة لتغيير شكلها مثلَ العضلاتِ والجلد. نحتاجُ إلى جيلٍ جديدٍ من أجساد الروبوتات مستوحىً من الأناقة والكفاءة والمواد اللينة للتصميماتِ الموجودةِ في الطّبيعة. وبالطّبع، أصبحت هذه الفكرةَ الرّئيسيّة لميدانِ بحثٍ جديد يهتمّ بالروبوتاتِ اللينة.
She can also swing around on monkey bars with ease, much better than any current human-like robot could do. In contrast to HUBO, the human body makes extensive use of soft and deformable materials such as muscle and skin. We need a new generation of robot bodies that is inspired by the elegance, efficiency and by the soft materials of the designs found in nature. And indeed, this has become the key idea of a new field of research called soft robotics.
بالتعاونِ مع ناسٍ من أنحاء العالم، يستخدمُ فريقُ بحثي مكوناتٍ ليّنة مستوحاةً من العضلاتِ والبشرة لإنشاء روبوتاتٍ تتمتع بالرشاقةِ والبراعة والتي تصبح أقرب كثيرًا للقدراتِ المذهلةِ للكائنات الحيّة الموجودةِ في الطبيعة. لطالما كانت عضلاثُ الجسم مصدرَ إلهامٍ لي. حسناً، هذا ليس مفاجئًا. أنا أيضًا نمساوي، وأعلم أن صوتي يشبه قليلاً صوت (آرني) من فلم (Terminator)
My research group and collaborators around the world are using soft components inspired by muscle and skin to build robots with agility and dexterity that comes closer and closer to the astonishing capabilities of the organisms found in nature. I've always been particularly inspired by biological muscle. Now, that's not surprising. I'm also Austrian, and I know that I sound a bit like Arnie, the Terminator.
(ضحك)
(Laughter)
العضلةُ البيولوجيّة هي تحفةٌ حقيقية من تحفِ التطوّر. يمكنها أن تتعافى بعد التّلف، ويتكاملُ عملها بإحكامٍ مع العصبونات الحسية للإحساسِ بالحركةِ والبيئةِ المحيطة. يمكنها أن تنقبض بسرعةٍ تكفي لتقوية الأجنحة ذات السرعة العالية لطائر الطّنان، يمكنها أن تصبح قويةً بما يكفي لتحريك فيل، ويمكنُ أن تتكيّف لتقوم بوظائف أذرعِ الأخطبوط متعددة القدرات وهو حيوانٌ يمكنه أن يحشرَ جسدهُ بالكامل في فتحاتٍ صغيرة جدًا. المشغّلاتُ الميكانيكيّة للروبوتات هي بمثابة العضلاتِ في الحيوانات: أيّ، مكوناتٌ أساسيّة للجسد، والتي بدورها تسمح بالحركةِ والتفاعلِ مع العالم. لذا إن استطعنا أن ننشئَ مشغّلاتٍ لينة، أو عضلاتٍ اصطناعيّة لها القدرة على التكيف مع المهام المتعددة بحيث يكون أداؤها مشابهاً لأداء العضلات الحقيقية، سنستطيعُ إنشاءَ أي نوعٍ من الروبوتات لمعظمِ أنواع الاستعمالات. ليسَ بالأمرِ المفاجئِ أنّ الناس قد حاولوا لعقودٍ طويلة استنساخَ قدراتِ العضلاتِ المذهلة، لكنَّ الأمرَ كان صعبًا جدًا.
Biological muscle is a true masterpiece of evolution. It can heal after damage and it's tightly integrated with sensory neurons for feedback on motion and the environment. It can contract fast enough to power the high-speed wings of a hummingbird; it can grow strong enough to move an elephant; and it's adaptable enough to be used in the extremely versatile arms of an octopus, an animal that can squeeze its entire body through tiny holes. Actuators are for robots what muscles are for animals: key components of the body that enable movement and interaction with the world. So if we could build soft actuators, or artificial muscles, that are as versatile, adaptable and could have the same performance as the real thing, we could build almost any type of robot for almost any type of use. Not surprisingly, people have tried for many decades to replicate the astonishing capabilities of muscle, but it's been really hard.
منذ حوالي عشرِ سنوات، حين حصلتُ على الدكتوراه في النّمسا، قُمنا أنا وزملائي بإعادة اكتشاف أحدَ أوّل الأعمالِ المنشورة على الأرجح فيما يخصّ العضلاتِ الاصطناعيّة، والتي نُشرت عام 1880 بعنوان (دورُ الكهرباءِ في تغيير حجم وشكل الأجسام العازلة.) قام بنشرِ هذا البحث عالمُ الفيزياء الألمانيّ (ويلهم رونتكين) معظكم يعرفهُ كونه مكتشفَ الأشعّة السينيّة (X). استخدمنا زوجاً من الإبر تبعاً لإرشاداته، ووصلناه بتيّارٍ عالي التوتّر ووضعناه قرب قطعةٍ شفّافةٍ من المطّاط بعد تمديده على إطارٍ من البلاستيك. عندما وصلنا التوتّر، تقلّصت قطعةُ المطّاط وكما تقوم عضلاتنا بطويِ ذراعنا، قامت قطعةُ المطّاطِ بطويِ الإطار. يبدو الأمرُ كالسحر، فالإبرُ حتى لا تلامسُ المطّاط.
About 10 years ago, when I did my PhD back in Austria, my colleagues and I rediscovered what is likely one of the very first publications on artificial muscle, published in 1880. "On the shape and volume changes of dielectric bodies caused by electricity," published by German physicist Wilhelm Röntgen. Most of you know him as the discoverer of the X-ray. Following his instructions, we used a pair of needles. We connected it to a high-voltage source, and we placed it near a transparent piece of rubber that was prestretched onto a plastic frame. When we switched on the voltage, the rubber deformed, and just like our biceps flexes our arm, the rubber flexed the plastic frame. It looks like magic. The needles don't even touch the rubber.
استخدامُ إبرتين كهاتين ليس طريقةً عمليّة لمحاكاةِ العضلات الاصطناعيّة، لكنّ هذه التجربةَ المذهلة جذبت كل انتباهي لهذا الموضوع. أردت ابتكارَ طرائقَ جديدة لصنع عضلاتٍ اصطناعيّة تعملُ بشكلٍ متقنٍ في تطبيقات الحياة العمليّة. خلال السنواتِ التالية، عملتُ على تقنيّاتٍ عديدةٍ مختلفة وكان هناكَ أملٌ بنجاحها، على الرّغمِ من التّحديات الصعبةِ التي تعترضُ طريقَ تنفيذها.
Now, having two such needles is not a practical way of operating artificial muscles, but this amazing experiment got me hooked on the topic. I wanted to create new ways to build artificial muscles that would work well for real-world applications. For the next years, I worked on a number of different technologies that all showed promise, but they all had remaining challenges that are hard to overcome.
في عام 2015، عندما أنشأتُ مختبري في جامعة (كولورادو) أردتُ أن أجرّب فكرةً جديدة كليّاً. أردتُ دمج الكفاءةِ والسّرعة العالية الخاصّة بالمحركات الكهربائيّة مع القدرات المتعدّدة للمحرّكات اللينة. فلذلك قلت لنفسي: "ربما يمكنني استخدامُ العلمِ القديم، ولكن بطرائق جديدة." يبيّن الرسم الموضّح أعلاه تأثيراً يدعى (ضغط ماكسويل). بأخذِ صفيحتين من معدن، ووضعهما في إناءٍ يحوي زيت، ووصلهما بتوتّرٍ كهربائيّ، يجبر (ضغط ماكسويل) الزّيت على المرورِ بين الصفيحتين، مثلما هو موضّح.
In 2015, when I started my own lab at CU Boulder, I wanted to try an entirely new idea. I wanted to combine the high speed and efficiency of electrically driven actuators with the versatility of soft, fluidic actuators. Therefore, I thought, maybe I can try using really old science in a new way. The diagram you see here shows an effect called Maxwell stress. When you take two metal plates and place them in a container filled with oil, and then switch on a voltage, the Maxwell stress forces the oil up in between the two plates, and that's what you see here.
فالفكرة الأساسية كانت: "هل يمكننا توظيفُ هذا التأثير لتحريك الزيت الذي تحتويه بنياتٌ مرنة قابلة للتمدد؟" وبالفعل، نجحت هذه الطريقةُ بشكلٍ مبهر، وأفضلَ بكثيرٍ مما توقعته، في الحقيقة. بالتعاونِ مع فريقي المذهل من الطّلاب، استخدمنا هذهِ الفكرةَ كنقطةِ انطلاق لتطوير تقنيّةٍ جديدةٍ من العضلات الاصطناعيّة والتي تدعى (هيزل). تستطيع عضلات (هيزل) أن تلتقط حبّة توتٍ بعناية بدونِ أن تسبب ضرراً لها. تستطيع هذه العضلاتُ أن تتمدد وتتقلّص، كما في العضلاتِ الحقيقة. كما أنّها تعملُ بشكلٍ أسرعَ من العضلات الحقيقية. يمكنُ أيضاً زيادة سعتها لكي تستطيع أن تعمل بقوّاتٍ كبيرة. هنا يمكنكم رأيتها وهي ترفع جالوناً من الماء. يمكنُ استعمالها لتحريكِ ذراع الروبوت، وبمقدورها أن تتحسّس موقعها أيضاً. يمكنُ استخدام عضلات (هيزل) للحركات التي تتطلّب الدقّة، وحركتها سلسةٌ ومرنة، مثل العضلات الحقيقة، وتتمتع بالقوة الكافيةِ لقذفِ كرةٍ في الهواء. عندما تُغمرُ هذه العضلاتُ بالزيت، تستطيع أن تتوارى عن الأنظار وتختفي.
So the key idea was, can we use this effect to push around oil contained in soft stretchy structures? And indeed, this worked surprisingly well, quite honestly, much better than I expected. Together with my outstanding team of students, we used this idea as a starting point to develop a new technology called HASEL artificial muscles. HASELs are gentle enough to pick up a raspberry without damaging it. They can expand and contract like real muscle. And they can be operated faster than the real thing. They can also be scaled up to deliver large forces. Here you see them lifting a gallon filled with water. They can be used to drive a robotic arm, and they can even self-sense their position. HASELs can be used for very precise movement, but they can also deliver very fluidic, muscle-like movement and bursts of power to shoot up a ball into the air. When submerged in oil, HASEL artificial muscles can be made invisible.
فكيفَ تعملُ هذه العضلات؟ قد يفاجئكم الأمر، ولكنّها تعتمد على موادٍ غير مكلفة ومتوافرة بشكلٍ دائم. وأنصحُ بتجربة المبدأ الأساسي لعضلات (هيزل) في المنزل. يمكنكم البدءُ بملءِ أكياسٍ من البلاستيك بزيت الزيتون، وحاولوا إخراج فقاعات الهواء منها بقدر الاستطاعة والآن أحضروا صحناً من الزجاج ثمّ ضعوه على جانب كيس البلاستيك. بالضغطِ على الكيس، يمكنُكم رؤية انضغاطه. إنّ التحكّم بسعةِ التقلّص أمرٌ سهل: عندما تضعُ وزناً خفيفاً، يكون التقلّص قليلاً؛ عندما تضعُ وزناً متوسّطاً، يكون التقلّصُ متوسّطاً؛ وعندما تضعُ وزناً ثقيلاً، يكونُ التقلّص كبيراً. الأمرُ في عضلات (هيزل) يختلف من حيثُ مصدر القوّة، فبدلاً من ضغطِ يدك أو الأوزان، يتمّ استخدامُ قوّةٍ كهربائية. ترمز كلمة (هيزل) إلى: المحرّكات الكهروستاتية ذاتيّة الإصلاح، والمقوّاة هيدروليكيّاً. هنا ترونَ رسماً يمثّل محرّكات (بيانو هيزل) وهو واحدٌ من التصاميم الممكنة. ببساطة، خذ بوليميراً مرناً، ككيس البلاستيكِ في تجربتنا، واملأهُ بسائلٍ عازلٍ كزيتِ الزّيتون، ولكن بدلاً من الضغطِ بصحنِ الزجاج، ضع مادّةً ناقلة للكهرباء على جانب الكيس. لإنشاءِ نموذجٍ يشبهُ النّسيجَ العضليّ، يمكنك وصلُ عدّة أكياسٍ مع بعض مع تعليقِ وزنٍ على نهايةِ أحدها. والآن نطبّق توتراً كهربائياً. يؤثّر الحقلُ الكهربائيّ المولد على السائل في الكيس، فيُزيح السائل، مما يجبرُ نموذجَ العضلة على التقلّص. يمكنكم هنا أن تروا تجربةَ عضلات (بيانو هيزل) المكتملة وكيف تتقلّصُ وتتمدّدُ العضلات عند تطبيق التوتر الكهربائي. بالنظرِ من الجهة الجانبية، يمكنُ ملاحظةُ الأشكالِ الأسطوانية للأكياس كما شاهدناه في تجربتنا قبل. يمكننا أيضاً محاذاةُ عدّة أليافٍ عضليّة، لصنعِ عضلةٍ أشبه بتلك الحقيقية بحيثُ تتقلص وتتمدّدُ من أيّ منظور. عضلاتُ (هيزل) ترفعُ أجساماً أثقل من وزنها بمئتي مرّة. تشاهدون هنا أحد أحدثِ تصاميمنا والذي يدعى أنبوبة حلقية رُبعية من عضلات (هيزل) وكيف تتمدّدُ وتتقلص. يمكنها أن تعملَ بسرعاتٍ تفوق سرعة العضلات البشريّة. كما أنّها قويّةٌ بما يكفي لتقفز على الأرض.
So how do HASEL artificial muscles work? You might be surprised. They're based on very inexpensive, easily available materials. You can even try, and I recommend it, the main principle at home. Take a few Ziploc bags and fill them with olive oil. Try to push out air bubbles as much as you can. Now take a glass plate and place it on one side of the bag. When you press down, you see the bag contract. Now the amount of contraction is easy to control. When you take a small weight, you get a small contraction. With a medium weight, we get a medium contraction. And with a large weight, you get a large contraction. Now for HASELs, the only change is to replace the force of your hand or the weight with an electrical force. HASEL stands for "hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators." Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators, one of many possible designs. Again, you take a flexible polymer such as our Ziploc bag, you fill it with an insulating liquid, such as olive oil, and now, instead of the glass plate, you place an electrical conductor on one side of the pouch. To create something that looks more like a muscle fiber, you can connect a few pouches together and attached a weight on one side. Next, we apply voltage. Now, the electric field starts acting on the liquid. It displaces the liquid, and it forces the muscle to contract. Here you see a completed Peano-HASEL actuator and how it expands and contracts when voltage is applied. Viewed from the side, you can really see those pouches take a more cylindrical shape, such as we saw with the Ziploc bags. We can also place a few such muscle fibers next to each other to create something that looks even more like a muscle that also contracts and expands in cross section. These HASELs here are lifting a weight that's about 200 times heavier than their own weight. Here you see one of our newest designs, called quadrant donut HASELs and how they expand and contract. They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds. They are even powerful enough to jump off the ground.
(ضحك)
(Laughter)
بالمجمل، ستكون عضلاتُ (هيزل) الواعدة أوّل تكنولوجيا تطابق أداءَ العضلاتِ البيولوجيّة... أو حتى تكون أفضل منها... وتتماشى مع التّصنيع على النطاقِ الأوسع. ما زالت هذه التكنولوجيا في مرحلةِ التطوير، فقد بدأنا للتوّ، وببالنا أفكارٌ كثيرة لتحسين أداءها جذريّاً باستعمال موادٍ وتصاميم جديدة للوصول إلى كفاءةٍ في الأداء تتجاوز كفاءة العضلات البيولوجية وأيضاً المحرّكات الكهربائيّة التقليدية. بالانتقال إلى التصاميم الأكثر تعقيداً لعضلات (هيزل) في الروبوتات الحيوية، هنا يمكنكم مشاهدة عقربٍ اصطناعي يستطيعُ استعمال ذيله لصيد الفريسة... وهي بالونٌ هنا.
Overall, HASELs show promise to become the first technology that matches or exceeds the performance of biological muscle while being compatible with large-scale manufacturing. This is also a very young technology. We are just getting started. We have many ideas how to drastically improve performance, using new materials and new designs to reach a level of performance beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors. Moving towards more complex designs of HASEL for bio-inspired robotics, here you see our artificial scorpion that can use its tail to hunt prey, in this case, a rubber balloon.
(ضحك)
(Laughter)
بالعودة إلى إلهامنا الأوّلي، أذرع الأخطبوط المتكيّفة لمختلف المهام وأيضاً خراطيم الفيلة، استطعنا بناءَ محرّكاتٍ مرنة تتميّز بأداءٍ سلس، وهي تقترب بقدراتها من تلك خاصّة العضلات الحقيقية.
Going back to our initial inspiration, the versatility of octopus arms and elephant trunks, we are now able to build soft continuum actuators that come closer and closer to the capabilities of the real thing.
أنا متحمّسٌ جدّاً للتطبيقات العمليّة لعضلات (هيزل) الاصطناعيّة. إنّها بدايةٌ لإنشاء أجهزةٍ روبوتّية ليّنة تستطيعُ تحسينَ مستوى المعيشة. هذه الأجهزة ستقوّي جيلاً جديداً من الأطراف الصناعيّة والشبيهة بالحقيقية للناس الذين فقدوا أطرافاً من جسمهم. هنا ترون عضلاتِ (هيزل) في مختبري في التجارب الأوليّة لتحريك إصبعٍ اصطناعي.
I am most excited about the practical applications of HASEL artificial muscles. They'll enable soft robotic devices that can improve the quality of life. Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics for people who have lost parts of their bodies. Here you see some HASELs in my lab, early testing, driving a prosthetic finger.
ربما سنتمكن يوماً ما من دمجِ الأطرافِ الروبوتيّة مع أطراف أجسادنا. أعلمُ أنّ هذا يبدو مخيفاً للوهلة الأولى لكنني عندما أفكّر بجدّي وجدتي، وكيف يصبحان أكثرَ اعتماداً على الآخرين للقيام بالمهام البسيطةِ خلال يومنا، كاستعمال المرحاض بأنفسهما، فهما يشعران في الغالب بأنّهما ثقلٌ على الآخرين. من خلال أجهزةِ الروبوت اللينة، سنستطيع تقوية واسترجاع الرّشاقة والمهارة وبالتالي مساعدة الناس المسنّين على القيام بأعمالهم بنفسهم لفتراتٍ أطول في حياتهم. ربما يمكننا تسمية هذه التقنية "الروبوتات ضدّ الشيخوخة" (ضحك) أو حتى الخطوةَ المقبلة من مسيرة تطوّر الإنسان. على عكس الروبوتاتِ الثقيلة التقليدية، تستطيع الروبوتاتُ اللينة، الشبيهة بالبشر، أن تعمل بأمانٍ بقرب الناس وأن تساعدنا في المنزل.
One day, we may even merge our bodies with robotic parts. I know that sounds very scary at first. But when I think about my grandparents and the way they become more dependent on others to perform simple everyday tasks such as using the restroom alone, they often feel like they're becoming a burden. With soft robotics, we will be able to enhance and restore agility and dexterity, and thereby help older people maintain autonomy for longer parts of their lives. Maybe we can call that "robotics for antiaging" or even a next stage of human evolution. Unlike their traditional rigid counterparts, soft life-like robots will safely operate near people and help us at home. Soft robotics is a very young field. We're just getting started.
ما زالَ هذا المجالُ في بدايته، وأتمنّى أن ينضمّ إلينا الشبابُ من مختلفِ الخلفيّات في هذه الرّحلةِ الحماسيّة، وأن يساعدونا في خلق مستقبلٍ لهذا المجال الواعد بتقديم مفاهيمَ جديدة مستوحاةٍ من الطبيعة. إذا عملنا بشكلٍ صحيح، يمكننا تحسينُ مستوى الحياة للبشريّة بأكملها.
I hope that many young people from many different backgrounds join us on this exciting journey and help shape the future of robotics by introducing new concepts inspired by nature. If we do this right, we can improve the quality of life for all of us.
شكراً لكم.
Thank you.
(تصفيق)
(Applause)