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 équipes à travers le monde ont concouru pour construire des robots sauveteurs, capables d'exécuter certaines tâches, comme utiliser un outil électrique, travailler sur un terrain accidenté et conduire un véhicule. Tout ça a l'air impressionnant, et c'est le cas, mais regardez la structure du robot gagnant, HUBO. Ici, HUBO essaie de sortir d'une voiture, et gardez en mémoire, la vidéo est accélérée trois fois.
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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, créé par KAIST en Corée, est à la pointe de la technologie avec des capacités impressionnantes, mais ce corps n'a pas l'air si différent des autres robots qu'on a vus il y a quelques décennies. Si vous regardez les autres robots de la compétition, leurs mouvements ont aussi l'air très robotiques. Leurs corps sont faits de structures mécaniques utilisant des matériaux rigides tels que le métal et des moteurs traditionnels électriques rigides. Ils n'ont certainement pas été conçus pour être bon marché, sûrs et faciles à adapter à des défis imprévisibles. Nous avons bien progressé avec les cerveaux des robots, mais leurs corps sont encore primitifs.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
Voici ma fille Nadia. Elle a seulement cinq ans et peut sortir de la voiture plus rapidement que HUBO.
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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.
Elle peut aussi se balancer sur les barres de singe facilement, beaucoup mieux que n'importe quel robot humanoïde. Contrairement à HUBO, le corps humain utilise constamment des matériaux souples et déformables tels que le muscle et la peau. Il faut une nouvelle génération de corps de robot inspirée par l'élégance, l'efficacité et la souplesse des designs trouvés dans la nature. Et en effet, cela est devenu l'idée clé d'un nouveau domaine de recherche appelé la robotique souple.
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.
Mon groupe de recherche et mes collaborateurs dans le monde utilisent des composants flexibles inspirés des muscles et de la peau pour fabriquer des robots agiles et habiles qui sont de plus en plus proches des capacités impressionnantes des organismes naturels. J'ai toujours été particulièrement inspiré par les muscles biologiques. Ce n'est pas surprenant. Je suis aussi autrichien, et je sais que je parle un peu comme Arnie, le Terminator
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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.
Le muscle biologique est un vrai chef-d’œuvre de l’évolution. Il peut guérir après un dommage et il est étroitement intégré avec des neurones sensoriels pour la rétroaction sur le mouvement et l'environnement. Il peut se contracter rapidement pour le battement rapide des ailes d'un colibri ; il peut devenir assez fort pour déplacer un éléphant; et il est suffisamment adaptable pour les bras extrêmement polyvalents d'une pieuvre, un animal qui peut comprimer son corps à travers de minuscules trous. Les actionneurs sont pour les robots ce que les muscles sont pour les animaux : les acteurs clés du corps qui permettent le mouvement et l'interaction avec le monde. Donc, si nous pouvions construire des actionneurs souples, ou des muscles artificiels, qui soient aussi polyvalents et adaptables, avec les mêmes performances que les vrais, nous pourrions construire presque tout type de robot pour presque tous les types d'usages. Sans surprise, les gens ont essayé pendant de nombreuses décennies de reproduire les capacités impressionnantes du muscle, mais cela a été très difficile.
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.
Il y a environ 10 ans, quand j'ai fait mon doctorat en Autriche, mes collègues et moi avons redécouvert ce qui est probablement l'une des toutes premières publications sur le muscle artificiel, publiée en 1880. « Modifications de forme et de volume des corps diélectriques causées par l'électricité », publié par le physicien allemand Wilhelm Röntgen. La plupart d'entre vous le connaissent pour sa découverte de la radiographie. Suivant ses instructions, on a utilisé une paire d’aiguilles connectée à une source haute tension et posée près d’un morceau de caoutchouc transparent pré-étiré sur un cadre en plastique. Une fois le courant allumé, le caoutchouc s'est déformé et tout comme nos biceps fléchissent nos bras, le caoutchouc a plié le cadre. On dirait de la magie. Les aiguilles ne touchent même pas le caoutchouc.
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.
Cependant, avec deux aiguilles, il n'est pas évident de faire fonctionner des muscles artificiels, mais cette incroyable expérience m'a attaché au sujet. Je voulais innover pour la construction de muscles artificiels qui pourraient fonctionner pour des applications réelles. Les années suivantes, j'ai travaillé sur différentes technologies qui étaient prometteuses, mais qui présentaient toutes des défis difficiles à surmonter.
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, quand j'ai débuté mon laboratoire à la CU Boulder, je voulais tester une nouvelle idée. Je voulais combiner une vitesse élevée et l'efficacité des actionneurs électriques, avec des actionneurs polyvalents souples et fluides. Par conséquent, j'ai pensé, que je pourrais utiliser une science ancienne d'une nouvelle manière. Le diagramme que vous voyez ici montre un effet appelé le stress de Maxwell. Quand deux plaques de métal sont placées dans un récipient d'huile, puis mises sous tension, le stress de Maxwell force l'huile entre les deux plaques, et c'est ce que vous voyez ici.
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.
L'idée principale était : pouvons-nous utiliser cet effet pour déplacer l'huile contenue dans des structures extensibles ? Et en effet, cela marche étonnamment bien. Franchement, mieux que ce que je pensais. Avec ma remarquable équipe d'étudiants, on a utilisé cette idée de départ pour développer une nouvelle technologie appelée muscles artificiels HASEL. Les HASEL sont assez délicats pour prendre une framboise sans l'endommager. Ils peuvent s'étendre et se contracter comme des vrai muscles. Et être commandés plus vite que les muscles réels. Ils peuvent être renforcés pour délivrer de grandes forces. Ici vous pouvez les voir soulever un bidon rempli d'eau. Ils peuvent être utilisés pour piloter un bras robot et ils peuvent même repérer leur position. Les HASEL peuvent être utilisés pour des mouvements très précis, mais aussi pour des mouvements très fluides, semblables au muscle, et augmenter de puissance pour tirer une balle en l'air. Plongés dans l'huile, les muscles artificiels HASEL peuvent être rendus 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.
Alors comment marchent les HASEL ? Vous serez peut-être surpris. Ils sont basés sur des matériaux disponibles et peu coûteux. Vous pouvez même essayer, et je le conseille, le principe de base chez vous. Prenez des sacs zippés et remplissez-les d'huile d'olive. Retirez les bulles d'air si possible. Maintenant, placez un support en verre d'un côté du sac. Quand vous appuyez, le sac se contracte. Le niveau de contraction est facile à contrôler. Quand vous prenez un poids léger, vous avez une petite contraction. Avec un poids moyen, on obtient une moyenne contraction. Et avec un poids lourd, vous obtenez une grande contraction. Pour les HASEL, la seule différence est de remplacer la force de votre main ou le poids, par une force électrique. HASEL : « actionneur électrostatique auto-guérisseur amplifié hydrauliquement » Ici vous voyez une géométrie qu'on nomme actionneurs Peano-HASEL, un parmi les nombreux designs possibles. De nouveau, vous prenez un polymère flexible comme notre sac zippé que vous remplissez d'un liquide isolant, comme l'huile d'olive, et maintenant, à la place d'une plaque de verre, vous placez un conducteur électrique sur un côté du sac. Pour créer une sorte de fibre musculaire, vous pouvez connecter plusieurs sacs et attacher un poids d'un côté des sacs. Ensuite, on met sous tension. Maintenant, le champ électrique commence à agir sur le liquide, Il déplace le liquide, et il force le muscle à se contracter. Ici vous regardez l'actionneur Peano-HASEL complet et comment il s'étend et se contracte lorsque le voltage est appliqué. Vu de l’intérieur, Vous pouvez vraiment voir ces sacs prendre une forme plus cylindrique, comme pour les sacs zippés. On peut aussi placer quelque-unes de ces fibres musculaires à côté pour être plus semblable à un muscle qui se contracte et s'étend en sections transversales. Ces HASEL ici soulèvent un poids 200 fois plus lourd que leur propre poids. Ici vous voyez un des nouveaux designs, appelé quadrant donut HASEL et comment ils s'élargissent et se contractent. Ils peuvent fonctionner très rapidement, atteignant des vitesses surhumaines. Ils sont même assez puissants pour sauter en l'air.
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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.
Globalement, les HASEL ont le potentiel de devenir la première technologie qui égale ou surpasse la performance des muscles biologiques tout en étant compatible avec la fabrication à grande échelle. C'est aussi une très jeune technologie. Nous débutons juste. On a beaucoup d'idées sur comment améliorer nettement les performances, avec de nouveaux matériaux et designs pour atteindre un niveau de performance au-delà des muscles biologiques et des traditionnels moteurs électriques rigides. En allant vers des designs plus complexes pour la bio-robotique - voici notre scorpion artificiel qui peut utiliser sa queue pour chasser des proies, dans ce cas, un ballon.
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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.
Revenons à notre inspiration initiale, la flexibilité des tentacules de pieuvre et de trompe d'éléphant, nous pouvons maintenant construire des actionneurs continus mous qui se rapprochent de plus en plus de la capacité du réel.
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.
Je suis très excité sur les applications pratiques des muscles artificiels HASEL. Ils vont permettre des robots mous qui peuvent améliorer la qualité de vie. Ils vont favoriser une nouvelle génération de prothèse plus réaliste pour les personnes qui ont perdu une partie de leur corps. Vous pouvez voir ici des HASEL de mon laboratoire, les premiers tests, pour une prothèse de doigt.
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.
Un jour, on pourra peut-être fusionner nos corps avec des pièces de robotique. Je sais qu'à première vue, cela semble effrayant. Mais quand je pense à mes grands-parents et à la façon dont ils deviennent plus dépendants des autres pour réaliser les tâches quotidiennes comme seulement utiliser les toilettes, ils se sentent souvent comme s'ils étaient un fardeau. Avec la robotique souple, on sera capable d'améliorer et de restaurer l'agilité et la dextérité, et ainsi aider les personnes âgées à maintenir leur autonomie plus longtemps dans leur vie. Nous pouvons peut-être appeler cela « la robotique anti-vieillissement » ou même la prochaine étape de l'évolution humaine. Contrairement à leurs homologues rigides, les robots souples réalistes agiront sans danger et nous aideront à la maison.
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.
La robotique souple est un nouveau domaine qui commence juste. J'espère que beaucoup de jeunes personnes de milieux différents nous rejoindront dans cette aventure passionnante et développeront le futur de la robotique en introduisant de nouveaux concepts inspirés par la nature. Si on le fait bien, on peut améliorer la qualité de vie pour nous tous.
Thank you.
Merci.
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