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.
En 2015, 25 equipos de todo el mundo compitieron en la construcción de robots antidesastres que pudieran realizar tareas como usar una herramienta, trabajar en terreno irregular y conducir un auto. Eso suena increíble, y lo es. Pero miren el cuerpo del robot ganador, HUBO. En este video HUBO trata de salir del auto, y tomen en cuenta que la velocidad del video es tres veces la normal.
(Laughter)
(Risas)
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.
HUBO, del equipo KAIST de Corea, es un robot último modelo con capacidades impresionantes, pero su cuerpo no parece distinto al de los robots de hace décadas. Si miran a los otros robots del concurso, sus movimientos aún se ven, pues, muy robóticos. Sus cuerpos son complejas estructuras mecánicas hechas con materiales rígidos como metal y motores eléctricos convencionales. Está claro que no fueron diseñados para ser baratos, seguros para la gente y adaptables a retos impredecibles. Hemos hecho grandes progresos con el cerebro de los robots, pero su cuerpo sigue siendo primitivo.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
Ella es mi hija Nadia. Solo tiene cinco años, pero puede salir del auto más rápido que HUBO. (Risas)
(Laughter)
También puede columpiarse con facilidad,
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.
mucho mejor que cualquier robot nuevo con apariencia humana. A diferencia de HUBO, el cuerpo humano utiliza materiales blandos y moldeables como los músculos y la piel. Necesitamos una nueva generación de robots inspirados en la elegancia, eficiencia y los materiales blandos que observamos en la naturaleza. De hecho, esta es la idea principal en una nueva rama de investigación llamada "robótica blanda".
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.
Mi grupo de investigación y colegas de todo el mundo usan componentes blandos basados en los músculos y la piel para construir robots con agilidad y destreza que se acerquen más y más a las asombrosas capacidades de los organismos de la naturaleza. El tejido muscular siempre ha sido una gran influencia para mí. Es de esperarse, pues soy austriaco y sé que eso les recuerda a Arnold en Terminator.
(Laughter)
(Risas)
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.
El tejido muscular biológico es una obra maestra de la evolución. Puede sanarse a sí mismo y está integrado por neuronas sensitivas que retroalimentan su movimiento e interacción. Se contrae tan rápido como para impulsar el aleteo de un colibrí, puede ser tan fuerte como el de un elefante, y es tan adaptable y versátil como los brazos de un pulpo, animal que puede pasar su cuerpo por pequeños orificios. Los "actuadores" son a los robots lo que los músculos a los animales: partes elementales del cuerpo que permiten el movimiento e interacción con el mundo. Si pudiéramos construir actuadores blandos, o músculos artificiales, que sean versátiles, adaptables y puedan tener el mismo desempeño que los músculos reales, podríamos construir cualquier tipo de robot para casi cualquier situación. Sabemos que la gente ha intentado por muchos años igualar las asombrosas capacidades del músculo, pero es muy difícil.
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.
Hace diez años, cuando hice mi doctorado en Austria, mis colegas y yo redescubrimos posiblemente una de las primeras publicaciones sobre músculos artificiales, del año 1880. "Sobre los cambios de forma y volumen de los cuerpos dieléctricos causados por la electricidad" fue escrita por el físico alemán Wilhelm Röntgen. La mayoría de Uds. lo conoce como el descubridor de los rayos X. Seguimos sus instrucciones y tomamos dos agujas. Las conectamos a una fuente de alto voltaje y las colocamos cerca de una pieza de goma transparente a la que se le dio forma de bolsa de plástico. Cuando encendimos la corriente, la goma se deformó. Así como los bíceps flexionan nuestro brazo, la goma flexionó la bolsa de plástico. Parece magia; las agujas ni siquiera tocan la goma. Aunque usar agujas no es un método práctico
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.
para operar músculos artificiales. Pero me obsesioné con el tema de este increíble experimento. Quería crear nuevas formas de construir músculos artificiales que funcionaran bien en situaciones reales. Los siguientes años trabajé con distintas tecnologías prometedoras, pero todas continúan planteando retos difíciles de superar.
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.
En 2015, cuando fundé mi laboratorio en la Universidad de Colorado en Boulder, quería probar una idea totalmente nueva. Quería combinar la alta velocidad y eficiencia de los actuadores eléctricos con la versatilidad y suavidad de los actuadores en medio líquido. Por lo tanto, pensé que podría usar viejos conocimientos de una nueva manera. El diagrama que ven aquí muestra un efecto llamado el tensor de Maxwell. Cuando ponen dos placas de metal en un contenedor lleno de aceite y encienden la corriente, el efecto de Maxwell hace subir el aceite entre las dos placas, que es lo que están observando.
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.
La cuestión era: ¿podemos usar este efecto para manipular aceite en el interior de estructuras elásticas? De hecho, funciona muy bien, siendo honesto, mejor de lo que esperaba. Yo y mis destacados estudiantes usamos esta idea como punto de partida para desarrollar una nueva tecnología llamada "músculos artificiales HASEL". Son tan delicados que pueden tomar una frambuesa sin dañarla. Se pueden expandir y contraer como músculos reales y pueden funcionar más rápido que ellos. Pueden agrandarse para lograr grandes esfuerzos. Aquí pueden ver cómo levantan cuatro litros de agua. Pueden operar un brazo robótico e incluso calcular su posición. Los músculos HASEL pueden realizar movimientos precisos. También pueden lograr movimientos fluidos y ráfagas de poder para lanzar una pelota al aire. Al sumergirlos en aceite, los músculos HASEL se hacen invisibles.
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.
Pero ¿cómo funcionan? Se sorprenderán. Están hechos con materiales muy baratos y asequibles. Incluso pueden probar, se los recomiendo, la idea básica en casa. Llenen algunas bolsas Ziploc con aceite de oliva. Saquen todas las burbujas de aire que puedan. Luego, coloquen una charola de cristal a un lado de la bolsa. Al presionar, verán cómo la bolsa se contrae. El nivel de contracción es fácil de controlar. Si aplican un peso ligero, tendrán una contracción leve. Con un peso medio, tenemos una contracción media. Y con un gran peso, tenemos una gran contracción. En los músculos HASEL, cambiamos la fuerza de la mano o el peso por una corriente eléctrica. HASEL significa "Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic Actuators". Aquí pueden ver el esquema de un actuador Peano-HASEL, uno entre muchos posibles diseños. De nuevo, toman un polímero flexible, como una bolsa Ziploc, lo llenan con un líquido aislante, como aceite de oliva, y en lugar de una charola de cristal colocan un conductor en un lado de la bolsa. Para crear algo que luzca como una fibra muscular, pueden unir varias bolsas y agregar peso en un lado. Luego, aplicamos el voltaje. El campo eléctrico comienza a actuar en el líquido. Desplaza el líquido y contrae el músculo. Aquí pueden ver un actuador Peano-HASEL terminado y cómo se expande y contrae al aplicarle la corriente. De lado, pueden ver cómo las bolsas toman una forma cilíndrica, como lo vimos con la bolsa Ziploc. Incluso podemos colocar varias fibras musculares juntas para crear algo que se parezca más a un músculo real que se contrae y expande por secciones. Estos de aquí están levantando unas 200 veces su propio peso. Aquí pueden ver uno de nuestros diseños más recientes, "Quadrant Donut HASEL", y cómo se expande y contrae. Puede funcionar muy rápido y alcanzar velocidades superhumanas. Es tan poderoso como para elevarse del suelo.
(Laughter)
(Risas)
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.
En resumen, los músculos HASEL podrían ser la primera tecnología que empate o supere el desempeño del tejido muscular biológico y que se produzca a gran escala. Es una tecnología muy reciente, apenas estamos comenzando. Tenemos muchas ideas para implementar mejoras, como nuevos materiales y diseños para alcanzar el siguiente nivel que supere al tejido muscular biológico y a los motores eléctricos tradicionales. Como diseño más complejo de robot HASEL inspirado en la naturaleza, aquí ven nuestro escorpión artificial usando su cola para cazar una presa, en este caso, un globo con aire.
(Laughter)
(Risas)
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.
Retomando nuestra inspiración inicial, la versatilidad de los músculos del pulpo y del elefante, hoy somos capaces de construir actuadores blandos subsecuentes cuyas capacidades se aproximan cada vez más a las del músculo real.
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.
Las aplicaciones prácticas de los músculos HASEL son lo que más me entusiasma. Harán posible la creación de dispositivos robóticos blandos que mejoren la calidad de vida. Estos dispositivos darán lugar a una nueva generación de prótesis para personas que han perdido alguna extremidad. Aquí pueden ver algunas de ellas en mi laboratorio. Son las primeras pruebas de un dedo artificial.
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.
Tal vez algún día podamos integrar a nuestro cuerpo partes robóticas. Sé que suena un poco tétrico. Pero cuando pienso en mis abuelos y en cómo se vuelven más dependientes de otros para una simple tarea, como usar el baño, deben sentirse como una carga. Con estos dispositivos podríamos restablecer y mejorar la agilidad y destreza, y así ayudar a los mayores a mantener su autonomía por más tiempo. Tal vez podamos llamarlos "robots antiedad" (Risas) o incluso el siguiente paso en la evolución humana. A diferencia de sus contrapartes rígidas, los robots blandos serán seguros y podrán ayudarnos en casa.
Soft robotics is a very young field. We're just getting started. 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.
Es un área muy nueva, apenas estamos comenzando. Espero que muchas personas de todas partes se nos unan en este viaje asombroso y nos ayuden a forjar el futuro de la robótica con nuevas ideas inspiradas en la naturaleza. Si lo hacemos bien, podemos mejorar la calidad de vida para todo el mundo. Gracias.
Thank you.
(Aplausos)
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