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.
در سال ۲۰۱۵، ۲۵ تیم از سرتاسر جهان برای ساختن رباتهایی برای مواجهه با بلایای طبیعی با هم رقابت کردند که قادر به انجام شماری وظایف بودند، مانند استفاده از ابزارهای برقی، کار بر روی سطوح ناهموار و راندن خودرو. همه اینها قابل توجه به نظر میرسند و هستند، اما به بدنهی ربات برنده، هوبو نگاه کنید. اینجا هوبو تلاش میکند از یک خودرو پیاده شود، و به یاد داشته باشید، سرعت این ویدئو سه برابر شده است.
(Laughter)
(خنده)
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.
هوبو از تیم کایست از کُره، یک ربات پیشرفته با توانمندیهای قابل توجه است، ولی این ربات چندان متفاوت از رباتهای چند دهه پیش به نظر نمیرسد. اگر به سایر رباتهای حاضر در مسابقه نگاه کنید، حرکات آنها نیز بسیار رباتیک به نظر میرسد. بدنهی آنها، سازههای مکانیکی پیچیده ساختهشده از مواد سخت مانند فلز و موتورهای الکترونیکی سخت مرسوم هستند. آنها قطعا طراحی نشدهاند که کمهزینه، بیخطر و قابل انطباق با چالشهای پیشبینی نشده باشند. ما پیشرفتهایی خوبی در رابطه با مغزهای رباتها داشتهایم، اما بدنههای آنها همچنان اولیه هستند.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
این نادیا دختر من است. او تنها پنج سال دارد و میتواند بسیار سریعتر از هوبو از خودرو پیاده شود.
(Laughter)
(خنده)
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.
او همچنین میتواند به راحتی از این میلهها آویزان شود، بسیار بهتر از تمام رباتهای انساننمای موجود. بر خلاف هوبو، بدن انسان به میزان زیادی از مواد نرم و تغییرپذیر مانند ماهیچه و پوست استفاده میکند. ما به نسل جدیدی از بدنههای رباتها نیاز داریم که از ظرافت، کارایی و مواد نرمی الهام گرفته است که در طرحهای طبیعی یافت میشوند. و البته، این به ایدهی کلیدی حوزهی جدیدی از تحقیقات تبدیل شد که رباتیک نرم نامیده میشود.
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.
گروه تحقیقاتی من و همکارانی از سراسر جهان در حال استفاده از قطعات نرمی هستند که از ماهیچه و پوست الهام گرفتهاند تا رباتهایی با چابکی و مهارت بسازند که نزدیک و نزدیکتر میشود به توانمندیهای شگفتآور اندامهایی که در طبیعت یافت میشوند. ماهیچههای زیستی به طور خاص همیشه الهامبخش من بودهاند. خب، غافلگیرکننده نیست. همچنین اتریشیام و میدانم صدایم کمی شبیه آرنولد، در ترمیناتور است.
(Laughter)
(خنده)
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.
ماهیچه زیستی، یک شاهکار واقعی تکامل است. میتواند پس از آسیب، ترمیم شود و به شدت با نورونهای حسی یکپارچه شده است تا در حرکت از محیط بازخورد بگیرد. میتواند با سرعت کافی منقبض شود تا به بالهای پرسرعت مرغ مگسخوار نیرو دهد؛ میتواند به اندازه کافی قوی شود تا یک فیل را حرکت دهد؛ و به قدر کافی انطباقپذیر است که در بازوهای چندکاره اختاپوس استفاده شود، حیوانی که میتواند تمام بدنش را فشرده کند و از سوراخهای کوچک رد شود. عملگرهای رباتها، همان ماهیچههای حیوانات هستند: اجزای کلیدی بدن که حرکت و تعامل با جهان را امکانپذیر میکنند. پس اگر بتوانیم عملگرهای نرم بسازیم، یا ماهیچههای مصنوعی، که چندکاره، انطباقپذیر و دارای عملکرد مشابه با نمونههای واقعی باشند، میتوانیم تقریباً هر نوع رباتی برای تقریباً هر استفادهای بسازیم. تعجبآور نیست که چند دهه تلاش شده که توانمندیهای شگفتآور ماهیچه تکرار شود، اما این کار بسیار سخت بوده است.
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.
حدود ۱۰ سال پیش، وقتی در اتریش دکتری خواندم، من و همکارانم چیزی را پیدا کردیم که احتمالاً یکی از نخستین مقالات در مورد ماهیچه مصنوعی بود که در سال ۱۸۸۰ چاپ شده بود. 《در مورد شکل و میزان تغییرات بدنههای دیالکتریک ناشی از الکتریسیته》》 انتشار یافته توسط فیزیکدان آلمانی ویلهم رانتگن. بیشتر شما او را به عنوان کاشف اشعه ایکس میشناسید. با پیروی از دستورالعملهای او، ما از یک جفت سوزن استفاده کردیم. آن را به منبع ولتاژ بالا متصل کردیم، و کنار قطعهی شفاف لاستیکی قرار دادیم که روی قابی پلاستیکی کشیده شده بود. وقتی ولتاژ را برقرار کردیم، لاستیک تغییر شکل یافت، و درست مانند ماهیچههای دوسر که بازوهایمان را خم میکنند، لاستیک قاب پلاستیکی را خم کرد. شبیه به جادو است. سوزنها حتی لاستیک را لمس نمیکنند.
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.
حالا، استفاده از دو سوزن، یک راه عملی برای کار با ماهیچههای مصنوعی نیست، اما این آزمایش شگفتانگیز من را به این موضوع علاقهمند کرد. من میخواستم راههای جدیدی برای ساخت ماهیچههای مصنوعی خلق کنم که برای کاربردهای واقعی، خوب کار کنند. در سالهای بعد، من بر روی فناوریهای متفاوتی کار کردم که همگی نویدبخش بودند اما همچنان چالشهایی داشتند که غلبه بر آنها دشوار بود.
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.
در سال ۲۰۱۵، وقتی آزمایشگاه خودم را در دانشگاه کلرادو بولدر تأسیس کردم، میخواستم یک ایدهی کاملاً جدید را امتحان کنم. میخواستم سرعت بالا و کارایی عملگرهای الکتریکی را با تطبیقپذیری عملگرهای نرم و سیال ترکیب کنم. بنابراین، فکر کردم شاید بتوانم از علم خیلی قدیمی در یک راه جدید استفاده کنم. شکلی که میبینید اثری را نشان میدهد که تنش ماکسول نام دارد. وقتی دو صفحهی فلزی را در یک مخزن روغن قرار میدهید، و سپس ولتاژ را برقرار میکنید، تنش ماکسول، روغن را به سمت بالای بین دو صفحه میراند، و این چیزی است که میبینید.
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.
پس ایدهی اصلی این بود که آیا میتوانیم از این اثر برای فشار دادن روغنِ موجود در سازههای کشش نرم استفاده کنیم؟ و البته، به طرز شگفتآوری خوب عمل کرد، صادقانه بگویم، بسیار بهتر از آنچه انتظار داشتم. به همراه گروه عالی دانشجویانم، از این ایده به عنوان نقطه شروع استفاده کردیم تا فناوری جدیدی به نام ماهیچههای مصنوعی هِیزِل توسعه دهیم. هیزلها به اندازه کافی ظریف هستند که یک تمشک را بردارند بدون این که به آن آسیب برسانند. میتوانند مانند ماهیچهی واقعی، منبسط و منقبض شوند. و میتوانند بسیار سریعتر از نمونهی واقعی عمل کنند. همچنین میتوانند بزرگ شوند تا نیروهای بزرگی را انتقال دهند. اینجا آنها را میبینید که یک بشکه پر از آب را بلند میکنند. همچنین میتوانند برای حرکت دادن یک بازوی رباتیک استفاده شوند، حتی میتوانند موقعیت خودشان را حس کنند. هیزلها میتوانند برای حرکات بسیار دقیق استفاده شوند، اما توانایی انتقال حرکات سیال و ماهیچه مانند و انفجار قدرت برای شوت کردن یک توپ به هوا را نیز دارند. با غرق شدن در روغن، ماهیچههای مصنوعی هیزل میتوانند نامرئی شوند.
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.
پس ماهیچههای مصنوعی هیزل چگونه کار میکنند؟ شاید غافلگیر شوید. آنها از مواد ارزان و در دسترس ساخته میشوند. میتوانید امتحان کنید و پیشنهاد میکنم اصل اولیه را در خانه امتحان کنید. چند پاکت زیپدار را با روغن زیتون پر کنید. سعی کنید هر چقدر میتوانید حبابهای هوا را خارج کنید. حالا یک بشقاب شیشهای را بر روی یک سطح پاکت قرار دارید. وقتی که آن را فشار میدهید، پاکت منقبض میشود. حالا مقدار انقباض، قابل کنترل است. وقتی وزن کمی وارد میکنید، کمی منقبض میشود. با وزن متوسط، انقباض متوسط داریم. و با وزن زیاد، انقباض زیاد داریم. حالا برای هیزلها، تنها تفاوت این است که نیروی دست شما یا وزن، با یک نیروی الکتریکی جایگزین میشود. هیزل مخففِ "عملگرهای الکترواستاتیک خودترمیمشونده تقویتشده هیدرولیکی" است. اینجا یک طرح هندسی را به نام عملگرهای پئانو-هیزل میبینید، یکی از چندین طرح ممکن. دوباره، یک پلیمر انعطافپذیر مانند پاکت زیپدار برمیدارید، آن را با یک مایع عایق مانند روغن زیتون پر میکنید، و حالا، به جای بشقاب شیشهای، یک هادی الکتریسیته را روی یک طرف کیسه قرار میدهید. برای ساختن چیزی که بیشتر شبیه به بافت ماهیچه به نظر برسد، میتوانید چند کیسه را به هم متصل کنید و وزنهای را به یک طرف متصل کنید. بعد، ولتاژ را اعمال میکنیم. حالا یک میدان الکتریکی روی مایع عمل میکند. مایع را جابجا میکند، و به ماهیچه نیرو میدهد تا منقبض شود. اینجا یک عملگر پئانو-هیزل تکمیلشده را میبینید و این که چگونه با اعمال ولتاژ، منبسط و منقبض میشود. اگر از یک طرف به آن نگاه کنید، میتوانید ببینید که آن کیسهها شکل استوانهای به خود گرفتهاند، همان چیزی که با پاکتهای زیپدار دیده بودیم. همچنین میتوانیم بافتهای ماهیچهای بیشتری را کنار هم قرار دهیم تا چیزی بسازیم که بیشتر شبیه به یک ماهیچه به نظر برسد که آن هم در مقاطعی، منبسط و منقبض میشود. این هیزلها، وزنی را بلند میکنند که ۲۰۰ برابر سنگینتر از وزن خودشان است. اینجا یکی از جدیدترین طرحهایمان را میبینید که هیزلهای رُبع دونات نام دارد و این که چگونه منبسط و منقبض میشوند. آنها میتوانند بسیار سریع عمل کنند و به سرعتهای فراانسانی برسند. حتی اینقدر قوی هستند که میتوانند بپرند.
(Laughter)
(خنده)
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.
در مجموع، هیزلها این نوید را میدهند که به اولین فناوری بدل شوند که برابر یا فراتر از عملکرد ماهیچههای زیستی هستند در حالی که امکان تولید انبوه را نیز دارند. البته فناوری بسیار جوانی است. ما تازه داریم شروع میکنیم. ایدههای زیادی داریم برای این که چگونه عملکرد را به شدت بهبود دهیم، با استفاده از مواد جدید و طراحیهای جدید تا به سطحی از عملکرد برسیم که فراتر از ماهیچههای زیستی و همچنین فراتر از موتورهای الکتریکی سخت سنتی باشد. در حرکت به سمت طراحیهای پیچیدهتری برای هیزل الهامگرفته از زیست، اینجا عقرب مصنوعی ما را میبینید که میتواند از دُم خود برای شکار طعمه استفاده کند، که در این مورد، یک بالن لاستیکی است.
(Laughter)
(خنده)
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.
با بازگشت به الهام اولیهمان، انطباقپذیری بازوهای اختاپوس و بدن فیل، حالا قادریم عملگرهای نرم پیوستهای بسازیم که به توانمندیهای اعضای واقعی، نزدیک و نزدیکتر میشوند.
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.
من خیلی هیجانزدهام برای کاربردهای عملی ماهیچههای مصنوعی هیزل. آنها دستگاههای رباتیک نرم را قادر میسازند که بتوانند کیفیت زندگی را بهتر کنند. رباتیک نرم، نسل جدیدی از اعضای مصنوعی شبیه به واقعیت را تحقق میبخشد برای افرادی که اعضای بدن خود را از دست دادهاند. اینجا چند هیزل را در آزمایشگاه من میبینید، آزمایش اولیه حرکت یک انگشت مصنوعی.
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.
یک روز شاید حتی بدنهایمان را با اعضای رباتیک ادغام کنیم. میدانم که در نگاه اول خیلی ترسناک به نظر میرسد. اما وقتی به پدربزرگها و مادربزرگهایمان فکر میکنم. و طوری که بیشتر به دیگران وابسته میشوند تا کارهای روزمره ساده مانند دستشویی رفتن را انجام دهند، اغلب فکر میکنند که به یک سربار تبدیل میشوند. با رباتیک نرم، ما قادر به ارتقاء و بازیابی چابکی و مهارت خواهیم بود، و به این ترتیب به افراد مسنتر کمک کنیم استقلال خود را در مدت بیشتری از زندگی حفظ کنند. شاید بتوانیم آن را "رباتیک و ضدپیری" بنامیم یا حتی مرحله بعدی از تکامل انسان. بر خلاف همتایان سنتی سخت خود، رباتهای شبهواقعی نرم، به شکل امن کنار مردم عمل کرده و به ما در خانه کمک میکنند.
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.
رباتیک نرم حوزه بسیار جوانی است. ما تازه داریم شروع میکنیم. امیدوارم بسیاری از جوانان با سوابق مختلف به ما در این سفر جذاب ملحق شوند و به ایجاد آیندهای از رباتیک با معرفی مفاهیم جدید الهامگرفته از طبیعت کمک کنند. اگر این کار را درست انجام دهیم، میتوانیم کیفیت زندگی را برای همه بهتر کنیم.
Thank you.
سپاسگزارم.
(Applause)
(تشویق)