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.
2015년, 전 세계 25개 팀이 재난대응 로봇 경연대회에 참가했습니다. 여러 가지 작업을 수행할 수 있는 로봇으로 전동 공구를 사용하거나 고르지 않은 땅에서 작업하거나 이동할 수 있는지를 겨뤘습니다. 대단하게 들리죠? 실제로도 그렇습니다. 당시 우승을 차지한 로봇 HUBO를 봅시다. 차에서 내리려고 하는 HUBO입니다. 참고로 말씀드리자면 이 영상은 3배속으로 재생된 것입니다.
(Laughter)
(웃음)
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.
한국 KAIST가 만든 HUBO는 최첨단 로봇으로 엄청난 능력을 갖추고 있습니다. 그러나 외형은 수십 년 전부터 봐온 로봇들과 그리 다르지 않습니다. 경진대회에서 선보인 다른 로봇들도 마찬가지로 부자연스럽게 움직입니다. 로봇 본체는 복잡한 기계 구조로 단단한 재료로 구성되는데 철제, 강성 전자모터 등을 사용해 만듭니다. 저비용도 아니고 사람 근처에서 작동하기에 안전하지도 않으며 예기치 못한 상황에 대한 대응능력도 떨어지죠. 로봇 지능에 있어 많은 성과가 있었지만 움직임은 예전과 다를 바 없습니다.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
제 딸 나디아입니다. 아직 다섯 살이지만 HUBO보다 훨씬 빨리 차에서 내릴 수 있습니다.
(Laughter)
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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.
최신의 그 어떤 인간형 로봇보다 정글짐을 훨씬 잘 탈 수 있습니다. HUBO와는 다르게 인간은 변형이 쉽고 움직임이 부드러운 신체 부위를 자유자재로 사용합니다. 근육과 피부 같은 것들이죠. 로봇의 몸체도 새롭게 바뀌어야 합니다. 자연에서 영감을 받아 정밀하고 효율적이며 부드러운 소재를 사용한 로봇 말이죠. 사실, 이 개념은 새로운 연구 분야인 소프트 로봇공학의 핵심 아이디어입니다.
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.
우리 연구진과 전 세계 공동 연구자들은 부드러운 자재를 사용해 근육과 피부와 비슷하게 민첩성과 유연성을 갖춘 로봇을 만들고 있습니다. 로봇의 기능은 점점 더 인체가 갖는 놀라운 능력에 근접해 가고 있습니다. 저는 생물학적 근육에서 영감을 받아왔습니다. 이미 눈치채셨겠지만 저는 오스트리아인이고 영화 터미네이터 주인공 같은 말투죠.
(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.
생물학적 근육은 진화의 진정한 걸작입니다. 근육은 손상 후에도 치유되고 감각 신경세포와 밀접하게 결합하여 동작과 주변 환경에 반응합니다. 벌새의 초고속 날갯짓만큼 빠르게 수축하고 코끼리를 움직일 정도로 튼튼하게 늘어납니다. 적응력도 매우 뛰어납니다. 문어가 자유자재로 다리를 쓰듯이 말이죠. 문어라는 동물은 작은 구멍 사이로 온몸을 밀어 넣을 수도 있습니다. 로봇의 작동기는 동물의 근육과 같습니다. 신체의 주요 구성 요소로서 몸을 움직여 외부와 상호작용을 할 수 있도록 해주죠. 만약 유연한 작동기 또는 인공근육을 만들어서 다양한 환경에 빠르게 적응하며 실제 동물처럼 움직일 수 있다면 여러 목적의 다양한 형태를 갖는 로봇을 만들 수 있을 겁니다. 당연한 얘기지만 우리는 지난 수십 년을 근육 본연의 놀라운 능력을 모사하기 위해 노력 해왔습니다. 하지만 굉장히 어려웠죠.
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.
약 10년 전에 오스트리아에서 박사과정을 밟던 중 동료 연구진과 저는 인공 근육에 관한 세계 최초의 논문을 접하게 되었습니다. 1880년에 출간된 논문이었죠. "전기에 의한 유전체의 형상과 부피 변화에 관한 연구"라는 제목으로 독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐이 발표한 논문입니다. X선 발견으로 잘 알려진 과학자죠. 그가 제안한 방법대로 바늘 한 쌍을 사용했습니다. 바늘을 고압 전원에 연결하고 플라스틱 프레임에 미리 걸어둔 투명 고무 옆에 그것을 배치했습니다. 전원을 켜자 고무가 변형되면서 우리가 이두박근으로 팔을 움직이듯이 고무가 플라스틱 틀을 움직였습니다. 마치 마법 같았습니다. 바늘이 고무에 닿지도 않았거든요.
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.
그렇게 바늘을 이용하는 것이 인공 근육을 움직이는 실용적인 방법은 아닐지라도 이 실험으로 저는 인공근육에 큰 관심을 두게 되었습니다. 실생활에 적용할 수 있는 인공근육을 만드는 새로운 방법을 찾아내고 싶었습니다. 그 후 몇 년간 여러 기술을 시도했습니다. 모두 성공의 조짐을 보였지만 여전히 극복하기 어려운 과제들이 남아있었죠.
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.
2015년에 콜로라도 볼더 대학에서 연구실을 마련했습니다. 완전히 새로운 아이디어를 시도하고 싶어졌죠. 전기 구동식 작동기의 빠른 속도와 효율성을 유연한 유압 작동기의 다양한 기능과 결합하고 싶었죠. 이런 생각을 했어요. 이미 알고 있던 과학을 새로운 방식으로 이용해보자. 보고 계신 그림은 맥스웰의 응력 효과를 설명하는 것인데요. 금속판 두 개를 기름을 가득 채운 용기에 넣고 전압을 켜면 맥스웰 응력이 기름을 두 금속판 사이로 밀어 넣습니다. 이 그림처럼요.
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.
핵심 아이디어는 이 효과를 이용해서 부드러운 구조물에도 유압을 넣을 수 있느냐는 것이었습니다. 실제로 놀랍게도 효과가 있었죠. 예상을 뛰어넘은 좋은 결과였습니다. 뛰어난 연구생들과 함께 저는 이 아이디어를 출발점으로 삼아 HASEL 인공 근육이라는 신기술을 개발했습니다. HASEL은 매우 섬세하여 산딸기를 상처 없이 주울 수 있습니다. 실제 근육처럼 팽창하고 수축할 수 있고 실제 근육보다 더 빨리 움직입니다. 큰 힘을 전달하기 위해 크기를 늘릴 수도 있고요. 4.5리터의 물통을 드는 모습입니다. 로봇 팔을 움직이기도 하고 심지어 자기 위치를 스스로 감지할 수도 있죠. HASEL은 정밀함을 요구하는 동작을 수행할 수 있습니다. 실제 근육같이 유동적으로 움직이고 공중으로 공을 쏘아 올릴 정도의 힘도 가지고 있죠. 기름에 잠기면 HASEL은 보이지 않도록 만들어졌습니다.
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.
그렇다면 HASEL은 어떻게 작동하는 걸까요? 놀라실지도 모르겠는데요. 쉽게 구할 수 있는 저렴한 재료가 사용되었습니다. 집에서도 각자 한번 해보시길 추천합니다. 지퍼백 몇 개를 꺼내 그 안에 올리브유를 가득 채웁니다. 내부의 공기는 최대한 없애고요. 이제 유리판 하나를 지퍼백 한쪽 위에 올려놓습니다. 누르면 지퍼백이 수축하는 것을 볼 수 있습니다. 힘은 조절하기 쉽습니다. 아주 조금 힘을 줘 누르면 조금 수축합니다. 중간 정도 힘을 주면 힘을 준 만큼 수축하고요. 무거운 무게로 누르면 많이 수축합니다. HASEL은 여기에서 손이나 무게를 이용해 누르는 대신 전기력을 사용합니다. HASEL은 "유압 증폭식 자가 회복 정전식 작동기"의 약자입니다. 이 그림은 '페아노 HASEL 작동기'입니다. 수많은 예상 설계도 중 하나입니다. 다시 돌아가서 지퍼백과 같은 유연한 중합체를 올리브유 같은 절연액체로 채우고 아까 놓았던 유리판 대신 전기 도체를 지퍼백의 한쪽 위에 올립니다. 실제 근육처럼 보이게 하기 위해선 지퍼백 여러 개를 연결한 다음 무거운 것을 한쪽 위에 올리면 됩니다. 이제 전압을 켭니다. 전기가 액체에 작용하기 시작할 겁니다. 그러면 액체를 이동시키고 근육을 수축시킵니다. 페아노 HASEL 작동기에 전력을 가했을 때 팽창하고 수축하는 모습입니다. 옆에서 보면 주머니가 거의 원통형을 띄는 걸 볼 수 있습니다. 지퍼백으로 실험을 했을 때 처럼요. 저런 근육 모델 여러 개를 놓으면 실제 근육과 더욱 유사합니다. 단면에서도 수축과 팽창을 확인할 수 있죠. 이 HASEL 작동기들은 자기 무게보다 200배나 더 무거운 추를 들어 올립니다. 새로운 디자인 중 하나인 사분면 도넛 HASEL입니다. 수축과 팽창하는 걸 보고 계신데요. 초인적인 속도로 빠르게 작동될 수 있습니다. 아래위로 튈 정도로 힘이 세지요.
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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.
HASEL은 생물학적 근육에 비견하거나 그 이상으로 발전할 수 있고 동시에 대량 제조가 가능한 최초의 기술이 될 가능성이 있습니다. 이제 막 연구를 시작한 신생단계의 기술이기도 합니다. 앞으로 성능을 향상시킬 아이디어가 무궁무진하죠. 새로운 도구들과 디자인을 이용하여 생물학적 근육과 전통적 전동 모터를 능가할 수도 있습니다. 자연에서 영감을 받아 설계된 더욱 복잡한 형태의 로봇들을 봅시다. 이것은 인공 전갈인데요 꼬리로 먹잇감을 사냥합니다. 여기에선 먹잇감이 고무풍선이군요.
(Laughter)
(웃음)
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.
처음으로 돌아가 봅시다. 문어 다리와 코끼리 코의 다용도성을 다시 한번 생각해봅시다. 우리는 체내 근육과 더욱 유사한 연속체형 작동기를 만들 수 있게 됐습니다.
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.
HASEL 인공 근육에 가장 기대하는 부분은 바로 실생활 응용입니다. 이 인공 근육 기술은 생활의 질을 높일 겁니다. 소프트 로봇공학은 신체 일부를 잃은 사람들에게 신체와 가까운 인공장치를 만들어 줄 수 있습니다. 제 실험실에 있는 HASEL입니다. 조기 테스트 중인 보철 손가락입니다.
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.
미래에는 로봇의 부품을 신체에 결합하게 될지도 몰라요. 지금으로선 정말 무서운 소리로 들리죠. 하지만 제 조부모님을 생각해볼까요. 스스로 화장실을 가는 일상적인 행동조차 남의 도움이 필요해지는 상황 때문에 그들은 종종 자신을 짐이라고 생각합니다. 소프트 로봇공학을 통해 민첩성과 유연성을 되찾고 향상시킬 수 있습니다. 이를 통해 노년층은 자율성을 유지하며 노년기를 보낼 수 있습니다. "노화 방지를 위한 로봇공학"이라고 할 수도 있을 테고 인류 진화의 다음 단계라고도 할 수 있을 것입니다. 기존의 딱딱한 로봇들과는 달리 실제 생명체처럼 부드러운 이 로봇은
Soft robotics is a very young field. We're just getting started.
생활 가까이에서 안전하게 사람을 도울 수 있어요.
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.
소프트 로봇공학은 이제 막 시작한 새로운 영역입니다. 저는 다른 배경을 가진 많은 젊은이들이 이 흥미로운 여정을 우리와 함께 걸으며 새로운 아이디어를 도입하고 로봇공학의 미래를 만들어가길 바랍니다. 우리가 제대로 해낸다면 모든 이의 삶의 질을 높일 수 있습니다.
Thank you.
감사합니다.
(Applause)
(박수)