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.
Nel 2015, 25 team provenienti da tutto il mondo si sono sfidati nella costruzione di robot di salvataggio capaci di svolgere diversi compiti, come utilizzare uno strumento, passare su terreni accidentati e guidare una macchina. Un'impresa sicuramente notevole, ma osservate il corpo del robot vincitore, HUBO. Qui lo vedete mentre cerca di scendere da una macchina, e tenete in considerazione che il video è al triplo della velocità.
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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, del team coreano KAIST, è un robot all'avanguardia, dotato di capacità straordinarie, ma il suo corpo è poi così diverso da quello dei robot di qualche decennio fa. Se osservate gli altri robot in gara, anche i loro movimenti ci appaiono molto robotici. I loro corpi sono strutture meccaniche complesse basate su materiali rigidi, come il metallo o i tradizionali motori elettrici rigidi. Non sono stati progettati per essere low-cost, sicuri per il pubblico, e capaci di rispondere a circostanze impreviste. I cervelli robotici hanno fatto enormi progressi, ma i loro corpi sono ancora allo stato primitivo.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
Questa è mia figlia Nadia. Ha solo cinque anni ma è molto più veloce di HUBO a scendere da una macchina.
(Laughter)
(Risate)
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.
È anche molto brava a dondolarsi sulle sbarre, molto più brava di qualunque robot umanoide odierno. Al contrario di HUBO, il corpo umano fa ampio uso di materiali morbidi e deformabili, come i muscoli e la pelle. Sono necessari corpi robotici di nuova generazione che si ispirino all'eleganza, all'efficienza e ai materiali morbidi che vediamo utilizzati in natura. Questa è diventata l'idea chiave di una nuova branca della ricerca chiamata "robotica morbida".
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.
Con il mio gruppo di ricerca e i nostri collaboratori utilizziamo componenti morbide ispirate ai muscoli e alla pelle per costruire robot che possiedano agilità e destrezza sempre più simili alle incredibili capacità degli organismi che troviamo in natura. I muscoli sono sempre stati fonte di grande ispirazione per me. Niente di strano in questo. Sono austriaco, e il mio accento è lo stesso di Arnie, Terminator.
(Laughter)
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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.
Il tessuto muscolare biologico è un vero capolavoro evolutivo. Può rigenerarsi se danneggiato ed è in costante scambio con i neuroni sensoriali sugli stimoli motori e ambientali. Può contrarsi tanto velocemente da sostenere il battito d'ali di un colibrì; può essere tanto forte da muovere un elefante; ed è ciò che rende tanto versatili e malleabili i tentacoli di un polipo, un animale che può restringersi tanto da passare in un piccolo foro. Gli attuatori sono per i robot quello che i muscoli sono per gli animali: componenti essenziali del corpo che permettono il movimento e l'interazione con il mondo esterno. Se potessimo costruire attuatori morbidi, o muscoli artificiali, che siano versatili, flessibili e con le stesse prestazioni di quelli reali, potremmo costruire quasi ogni tipo di robot per quasi ogni tipo di compito. Non a caso, sono ormai decenni che si cerca il modo di ricreare le incredibili capacità dei muscoli, ma non è un'impresa facile.
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.
Circa 10 anni fa, quando ho conseguito il dottorato in Austria, io e i miei colleghi abbiamo riscoperto quella che è probabilmente la prima pubblicazione sui muscoli artificiali, datata 1880. "Sui mutamenti di forma e di volume dei corpi dielettrici causati dall'elettricità", pubblicato dal fisico tedesco Wilhelm Röntgen. Molti di voi lo conosceranno come lo scopritore dei raggi X. Seguendo le sue istruzioni, abbiamo preso un paio di aghi. Li abbiamo connessi all'alta tensione e avvicinati a un foglio di gomma trasparente disteso su un'armatura di plastica. Azionando la corrente la gomma si deforma, e proprio come i bicipiti fanno flettere le nostre braccia, la gomma fa flettere l'armatura di plastica. Sembra un trucco di magia. Gli aghi non toccano mai la gomma.
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.
L'uso di questi aghi non è un sistema pratico per azionare i muscoli artificiali, ma questo bellissimo esperimento ha stimolato la mia curiosità. Volevo inventare nuovi modi di costruire muscoli artificiali che avessero delle applicazioni pratiche. Negli anni seguenti ho lavorato a diverse nuove tecnologie, tutte promettenti, ma tutte con ostacoli persistenti, difficili da superare.
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.
Nel 2015, nel mio nuovo laboratorio alla CU Boulder, ho voluto provare qualcosa di totalmente nuovo. Volevo combinare la velocità e l'efficienza degli attuatori elettrici con la versatilità degli attuatori morbidi a sistema fluido. Perciò ho pensato, forse posso trovare un modo nuovo di utilizzare vecchie scoperte. Il diagramma che vedete mostra un effetto chiamato "stress di Maxwell". Se prendete due lastre di metallo, le mettete in un contenitore con dell'olio e le fate attraversare dalla corrente, lo stress di Maxwell fa sì che l'olio tra le due lastre salga, proprio come vedete qui.
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'idea di base era, possiamo sfruttare questo effetto per spingere dell'olio all'interno di strutture morbide e malleabili? La cosa ebbe un successo sorprendente, molto più di quanto mi aspettassi, a dire il vero. Insieme al mio eccezionale gruppo di studenti, siamo partiti da questa idea per sviluppare una nuova tecnologia chiamata "muscoli artificiali HASEL". Gli HASEL possono essere tanto delicati da raccogliere una fragola senza danneggiarla. Possono espandersi e contrarsi come dei veri muscoli. E possono essere azionati più velocemente di quelli reali. Possono essere potenziati fino a produrre forze notevoli. Qui li vedete sollevare quattro litri di acqua. Possono azionare un braccio robotico, e possono anche rilevare la propria posizione. Gli HASEL possono eseguire movimenti molto precisi, ma anche movimenti fluidi, simili a quelli muscolari, e moti esplosivi capaci di lanciare una pallina in aria. Una volta immersi nell'olio, i muscoli artificiali HASEL sono completamente invisibili.
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.
Come funzionano i muscoli HASEL? La cosa potrà sorprendervi, ma si basano su materiali poco costosi e facilmente reperibili. Vi consiglio anzi di tentare questo esperimento casalingo. Riempite di olio d'oliva alcune buste per alimenti. Cercate di evitare le bolle d'aria. Ora appoggiate una lastra di vetro a un lato della busta. Se la premete, vedrete che la busta si contrae. L'intensità della contrazione non è difficile da controllare. A un peso leggero corrisponde una contrazione minima. Se usate un peso medio, ottenete una media contrazione. E con un grosso peso ottenete una grande contrazione. Con gli HASEL, l'unica differenza è che alla pressione della vostra mano o del peso, si sostituisce una forza elettrica. HASEL sta per "Attuatori Elettrostatici Autoriparanti a Amplificazione Idraulica". Qui vedete lo schema di quello che chiamiamo Attuatore Peano-HASEL, uno dei molti design possibili. Anche qui usiamo un polimero flessibile, come la nostra busta per alimenti, riempito di liquido isolante, come l'olio d'oliva, ma al posto della lastra di vetro applichiamo un conduttore elettrico a un lato della tasca. Per renderlo ancora più simile alle fibre muscolari, possiamo unire insieme più tasche e applicare un peso all'estremità. Ora azioniamo la corrente. Il campo elettrico inizia ad agire sul liquido. Il liquido viene trasferito, cosa che costringe il muscolo a contrarsi. Qui vedete un attuatore Peano-HASEL in funzione, e il modo in cui si espande e contrae quando applichiamo una corrente. Osservando di lato, potete vedere come le tasche assumano una forma cilindrica, proprio come le nostre buste per alimenti. Possiamo anche saldare tra loro alcune di queste fibre muscolari e renderle ancora più simili a un vero muscolo che si contrae ed espande anche trasversalmente. Gli HASEL che vedete stanno sollevando un carico 200 volte superiore al loro peso. Qui vedete uno dei nostri progetti più recenti, lo HASEL a ciambella, mentre si contrae ed espande. Possono raggiungere velocità estreme, superiori a quelle umane. Sono tanto potenti da poter addirittura saltare.
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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.
In definitiva, HASEL potrebbe essere la prima tecnologia capace di superare le performance dei muscoli biologici compatibile con una produzione su larga scala. Inoltre è una tecnologia giovane. Siamo solo agli inizi. Abbiamo molte idee su come migliorare le prestazioni, con nuovi materiali e progetti, per raggiungere livelli di performance superiori al muscolo biologico e anche al motore elettrico rigido. Come esempio di un design più complesso di bio-robotica con HASEL, qui vedete uno scorpione artificiale che usa la coda per cacciare, in questo caso un palloncino.
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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.
Tornando alla nostra ispirazione iniziale, la versatilità di tentacoli e proboscidi, ora siamo in grado di creare attuatori a continuum fluido, che si avvicinano sempre di più alle capacità dei modelli reali.
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.
Quello che mi entusiasma di più sono le applicazioni pratiche dei muscoli artificiali HASEL. Permettono la costruzione di dispositivi morbidi, capaci di migliorare la vita delle persone. La robotica morbida renderà possibile la creazione di protesi più naturali per le persone che hanno subito amputazioni. Questi sono HASEL del mio laboratorio che azionano un prototipo di dito artificiale.
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 giorno potremo forse fondere componenti robotiche con i nostri corpi. So che a un primo impatto può sembrare spaventoso. Ma poi penso ai miei nonni e a come sono diventati sempre più dipendenti dagli altri nello svolgere le azioni più semplici, come andare in bagno da soli, e al fatto che sentono di essere diventati un peso. Con la robotica morbida, saremo in grado di aumentare e restituire agilità e destrezza, aiutando le persone a mantenersi indipendenti fino in età avanzata. Potremmo chiamarla "robotica anti-età", o anche un nuovo stadio dell'evoluzione umana. Al contrario delle loro controparti rigide, i robot morbidi potranno operare in piena sicurezza nelle case e tra le persone.
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 robotica morbida è un settore giovane. Siamo solo agli inizi. Spero che moltissimi giovani dai settori più svariati si uniscano a noi in questo viaggio e ci aiutino a plasmare la robotica del futuro presentando idee nuove ispirate ai modelli naturali. Se ci riusciremo, miglioreremo la qualità della vita di tutti noi.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)