Im Jahr 2015 traten 25 Teams aus der ganzen Welt gegeneinander an, um für die Katastrophenhilfe Roboter zu bauen, die mehrere Aufgaben ausführen sollten, wie ein Elektrowerkzeug einzusetzen, auf unebenem Terrain zu arbeiten und ein Auto zu fahren. Das klingt beeindruckend, und ist es auch, aber schauen Sie sich den Körper des Sieger-Roboters HUBO an. Hier versucht HUBO aus einem Auto auszusteigen, und man beachte, das Video wird dreimal schneller abgespielt.
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.
(Lachen)
(Laughter)
HUBO vom Team KAIST aus Korea ist ein hochmoderner Roboter mit beeindruckenden Fähigkeiten, aber sein Körper unterscheidet sich kaum von den Robotern der letzten Jahrzehnte. Wenn man andere Roboter des Wettbewerbs betrachtet, sehen auch ihre Bewegungen noch sehr roboterhaft aus. Die Körper sind komplexe mechanische Strukturen aus starren Materialien wie Metall und herkömmlichen starren Elektromotoren. Man entwarf sie nicht, um kostengünstig, für Menschen sicher und anpassungsfähig an unvorhersehbare Herausforderungen zu sein. Wir haben gute Fortschritte mit Roboter-Gehirnen gemacht, doch ihre Körper sind noch primitiv.
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.
Das ist meine Tochter Nadia. Sie ist erst fünf Jahre alt und kann schneller als HUBO aus dem Auto aussteigen.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
(Lachen)
(Laughter)
Sie schwingt mit Leichtigkeit am Klettergerüst, viel besser als jeder derzeitige menschenähnliche Roboter. Im Gegensatz zu HUBO nutzt der menschliche Körper ausgiebig weiche und formbare Materialien wie Muskeln und Haut. Wir brauchen eine neue Generation von Roboter-Körpern, die inspiriert von der Eleganz, Effizienz und den weichen Materialien der natürlich vorkommenden Formen sind. Tatsächlich ist das zur Kernidee eines neuen Forschungsgebiets geworden, namens Soft Robotics.
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.
Meine Forschungsgruppe und Partner aus der ganzen Welt nutzen durch Muskeln und Haut angeregte weiche Komponenten, um Roboter zu bauen, die beweglich und geschickt sind, wobei sie immer weiter an die erstaunlichen Fähigkeiten der natürlichen Organismen heranreichen. Mich inspirierten schon immer besonders biologische Muskeln Das ist nicht verwunderlich. Ich bin auch Österreicher. Ich weiß, dass ich wie Arnie, der Terminator, klinge.
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. (Laughter)
(Lachen)
Der biologische Muskel ist ein wahres Meisterwerk der Evolution. Er kann nach einer Verletzung abheilen und ist eng mit Sinnesneuronen verflochten, um Feedback über Bewegung und Umwelt zu erhalten. Er kann sich schnell genug zusammenziehen, um die Hochgeschwindigkeitsflügel eines Kolibris anzutreiben; er kann stark genug werden, einen Elefanten zu bewegen; er ist für die extrem beweglichen Arme eines Oktopus ausreichend flexibel. einem Tier, das seinen gesamten Körper durch winzige Löcher quetschen kann. Stellmotoren sind für Roboter das, was Muskeln für Tiere sind: Schlüsselkomponenten des Körpers, die Bewegung und Interaktion mit der Welt ermöglichen. Könnte man also weiche Stellmotoren oder künstliche Muskeln bauen, die vielseitig, anpassungsfähig und das gleiche Leistungsvermögen wie die echter Lebewesen haben, könnte man fast jede Art von Roboter für fast jede Einsatzart herstellen. Es überrascht nicht, dass Menschen seit vielen Jahrzehnten versuchen, die erstaunlichen Fähigkeiten von Muskeln nachzubilden, aber es war wirklich schwierig.
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.
Als ich vor circa 10 Jahren in Österreich promovierte, entdeckten wir wahrscheinlich eine der ersten Publikationen über künstliche Muskeln wieder, die 1880 veröffentlicht wurde. "Ueber die durch Electricität bewirkten Form- und Volumenänderungen von dielectrischen Körpern", die vom deutschen Physiker Wilhelm Röntgen veröffentlicht wurde. Die meisten von Ihnen kennen ihn als den Entdecker der Röntgenstrahlen. Gemäß seinen Anweisungen benutzten wir Nadeln. Schlossen sie an eine Hochspannungsquelle an und platzierten sie nahe eines durchsichtigen Stück Gummi, das wir auf einen Rahmen aus Kunststoff spannten. Als die Spannung angelegt wurde, verformte sich der Gummi, und genau wie unser Bizeps den Arm beugt, beugte der Gummi den Kunststoffrahmen. Es sieht wie Magie aus. Die Nadeln berühren das Gummi nicht mal.
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.
Künstliche Muskeln mit zwei Nadeln zu bewegen, ist nicht praktisch, aber dieses Experiment hat mich für das Thema begeistert. Ich wollte neue Wege schaffen zum Aufbau künstlicher Muskeln, die in der echten Welt gut funktionieren würden. In den folgenden Jahren arbeitete ich an verschiedenen Technologien, die alle vielversprechend, aber deren Herausforderungen schwer zu bewältigen waren.
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.
Als ich im Jahr 2015 mein eigenes Labor an der CU Boulder gründete, wollte ich eine ganz neue Idee probieren. Ich wollte die hohe Geschwindigkeit und Effizienz von elektrischen Antrieben mit der Universalität von weichen, fluidischen Stellantrieben kombinieren. Deshalb dachte ich, ich könnte versuchen, sehr altes Wissen auf neue Weise zu nutzen. Das Diagramm, das man hier sieht, zeigt den Effekt der sogenannten Maxwellschen Spannung. Nimmt man zwei Metallplatten und legt sie in einen mit Öl gefüllten Behälter und schaltet eine Spannung ein, drückt die Maxwellsche Spannung das Öl zwischen den beiden Platten nach oben. Das kann man hier sehen.
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.
Der Kerngedanke war also: Können wir diesen Effekt nutzen, um Öl in weichen, dehnbaren Strukturen hin und her zu drücken? Das funktionierte tatsächlich überraschend gut, ehrlich gesagt, viel besser als erwartet. Mit meinem exzellenten Studententeam nutzen wir diese Idee als Ausgangspunkt für die Entwicklung der neuen Technologie der künstlichen HASEL-Muskeln. HASELs sind sanft genug, um eine Himbeere aufzunehmen, ohne sie zu beschädigen. Sie können sich wie echte Muskeln strecken und zusammenziehen. Sie arbeiten schneller als echte Muskeln und können vergrößert werden, um große Kräfte zu erzeugen. Hier sieht man, wie sie eine mit Wasser gefüllte Gallone anheben. Man kann sie als Antrieb eines Roboterarms verwenden. Sie können sogar ihre Position selbst erkennen. Sehr präzise Bewegungen können durch HASELs ausgeführt werden, aber sie können auch sehr fließende, muskelähnliche Bewegungen und Kraftstöße ausführen, um einen Ball zu schießen. Werden HASELs in Öl getaucht, können künstliche Muskeln unsichtbar gemacht werden.
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.
Wie funktionieren die HASEL-Muskeln? Sie werden vielleicht überrascht sein. Sie basieren auf sehr günstigen und verfügbaren Materialien. Versuchen Sie, ich empfehle es sogar, das Grundprinzip zu Hause auszuprobieren. Man nimmt Schnellverschlussbeutel und füllt sie mit Olivenöl. Die Luftblasen muss man möglichst herausdrücken. Man nimmt eine Glasplatte und legt sie auf eine Seite des Beutels. Drückt man runter, zieht sich der Beutel zusammen. Die Stärke der Kontraktion ist leicht zu steuern. Bei einem kleinen Gewicht erhält man eine kleine Kontraktion. Bei einem mittleren Gewicht erhält man eine mittlere Kontraktion. Bei einem großen Gewicht erhält man eine große Kontraktion. Bei den HASELs besteht die einzige Änderung darin, die Kraft der Hand oder des Gewichts durch eine elektrische Kraft zu ersetzen. HASEL steht für hydraulisch verstärkte, selbstheilende elektrostatische Aktuatoren Hier sehen Sie die Beschaffenheit von Peano-HASEL-Stellantrieben, eine von vielen möglichen Ausführungen. Auch hier nimmt man ein flexibles Polymer wie einen Schnellverschlussbeutel, füllt ihn mit einer Isolierflüssigkeit wie etwa Olivenöl auf und bringt anstelle der Glasplatte, einen elektrischen Leiter auf einer Seite des Beutels an. Um etwas zu erzeugen, das einer Muskelfaser ähnelt, verbindet man ein paar Beutel miteinander und bringt auf einer Seite ein Gewicht an. Nun legen wir Spannung an. Das elektrische Feld beginnt auf die Flüssigkeit zu wirken. Es verdrängt die Flüssigkeit und zwingt den Muskel zur Kontraktion. Hier sieht man einen fertigen Peano-HASEL-Aktuator und wie er sich streckt und zusammenzieht, wenn Spannung angelegt wird. Von der Seite betrachtet, kann man wirklich erkennen, wie die Säckchen, die Form eines Zylinders annehmen, wie wir es bei den Beuteln gesehen haben. Wir können einige solcher Muskelfasern nebeneinander platzieren, um etwas zu erzeugen, das einem Muskel noch mehr ähnelt, der sich auch im Querprofil zusammenzieht und ausdehnt. Diese HASELs hier heben ein Gewicht, das etwa 200 Mal schwerer ist als ihr eigenes Gewicht. Hier ist einer der neuesten Entwürfe, die Quadranten-Donut-HASELs, die sich strecken und zusammenziehen. Sie arbeiten sehr schnell und erreichen übermenschliche Geschwindigkeiten. Sie sind sogar stark genug, um vom Boden zu springen.
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.
(Lachen)
(Laughter)
Die HASELs sind vielversprechend darin, die erste Technologie zu werden, die die Leistung biologischer Muskeln erreicht oder übertrifft und mit der Massenproduktion gleichzeitig vereinbar ist. Dies ist eine sehr junge Technologie. Wir stehen erst am Anfang. Wir haben viele Ideen, wie man die Leistung drastisch verbessern kann, indem neue Materialien und Konstruktionen verwendet werden, um ein Leistungsniveau jenseits des biologischen Muskels und üblicher Elektromotoren zu erreichen. Für einen komplexeren Entwurf von HASELs für bio-inspirierte Robotik steht hier unser künstlicher Skorpion, der den Schwanz zur Jagd einsetzen kann, hier für einen Luftballoon.
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.
(Lachen)
(Laughter)
Zurück zum ursprünglichen Geistesblitz: der Vielseitigkeit von Krakenarmen und Elefantenrüsseln. Wir können jetzt weiche, stufenlose Antriebe bauen, die den Fähigkeiten des Originals immer näher kommen.
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.
Ich bin sehr gespannt auf praktische Anwendungen der künstlichen HASEL-Muskeln. Sie ermöglichen weiche Roboter-Geräte, die die Lebensqualität verbessern können. Soft Robotics macht für Menschen, die Körperteile verloren, eine neue Generation naturgetreuer Prothesen möglich. Hier sieht man einige HASELs, wie sie in der frühen Testphase, eine Fingerprothese bewegen.
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.
Vielleicht wird in Zukunft sogar unser Körper mit Roboter-Teilen verbunden. Das klingt anfangs sehr beängstigend. Aber wenn ich an meine Großeltern denke und wie sie bei der Erledigung alltäglicher Aufgaben, wie alleine die Toilette zu benutzen, immer abhängiger von anderen wurden haben sie oft das Gefühl, dass sie zur Last werden. Soft Robotics wird uns befähigen, Beweglichkeit und Geschicklichkeit zu verbessern und wiederherzustellen und so älteren Menschen für eine längere Lebensspanne helfen, ihre Selbstständigkeit zu erhalten. Vielleicht können wir das "Anti-Aging-Robotik" nennen oder als eine nächste Stufe der menschlichen Evolution bezeichnen. Im Vergleich zu üblichen starren Robotern werden weiche Roboter gefahrlos in Menschennähe arbeiten und Zuhause helfen können.
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.
Soft Robotics ist ein sehr junges Gebiet. Wir fangen gerade erst an. Ich hoffe, viele junge Menschen mit unterschiedlichster Herkunft schließen sich uns auf dieser aufregenden Reise an und gestalten die Zukunft der Robotik mit, indem sie neue, von der Natur inspirierte Konzepte einführen. Wenn wir es richtig machen, können wir für uns alle die Lebensqualität verbessern.
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.
Vielen Dank.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)