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.
In 2015 streden 25 teams van over de hele wereld tegen elkaar om een robot te bouwen voor noodhulp die een aantal taken kon uitvoeren, zoals gebruiken van gereedschap, werken op ongelijk terrein en autorijden. Dat klinkt indrukwekkend en dat is het ook. Kijk eens naar het lichaam van de winnende robot, HUBO. Hier probeert HUBO uit een auto te stappen. Hou wel in gedachten dat de video drie keer versneld is.
(Laughter)
(Gelach)
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, van team KAIST uit Korea, is een geavanceerde robot met indrukwekkende vaardigheden, maar het lijf ziet er niet heel anders uit dan dat van robots van tientallen jaren geleden. Als je de andere robots in de wedstrijd bekijkt, zie je dat hun bewegingen nog steeds robotachtig zijn. Het zijn complexe mechanische constructies van stugge materialen zoals metaal en traditionele stugge elektrische motoren. Ze zijn zeker niet ontworpen om goedkoop te zijn, veilig in de buurt van mensen en zich aan te passen aan onvoorspelbare uitdagingen. We hebben vooruitgang geboekt met de hersenen van robots, maar hun lichamen zijn nog primitief.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
Dit is mijn dochter Nadia. Ze is nog maar vijf jaar oud en ze kan veel sneller uit de auto stappen dan HUBO.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Ze kan ook gemakkelijk op het klimrek spelen, veel beter dan elke moderne mensachtige robot. In tegenstelling tot HUBO maakt het menselijk lichaam veel gebruik van zachte en vervormbare materialen, zoals spieren en huid. We hebben een nieuwe generatie robotlichamen nodig, geïnspireerd door de elegantie, efficiëntie en zachte materialen van de ontwerpen van de natuur. Dit is het basisconcept van een nieuw onderzoeksgebied genaamd zachte robotica.
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.
Mijn onderzoeksgroep en medewerkers van over de hele wereld gebruiken zachte componenten geïnspireerd door spieren en huid om robots te bouwen die lenig en behendig zijn, die steeds dichter komen bij de verbazingwekkende vaardigheden van de organismen in de natuur. Ik heb me altijd bijzonder laten inspireren door biologische spieren. Dat is niet verrassend. Ik kom uit Oostenrijk en ik weet dat ik klink als Arnie, de Terminator.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Biologische spieren zijn een waar meesterwerk van de evolutie. Ze kunnen genezen van schade en zijn nauw geïntegreerd met zintuiglijke neuronen voor terugkoppeling op beweging en de omgeving. Ze kunnen snel genoeg samentrekken om de snelle vleugels van een kolibrie aan te drijven; ze kunnen sterk genoeg worden om een olifant te bewegen; en ze zijn aanpasbaar genoeg voor de extreem veelzijdige armen van een octopus, een dier dat zijn gehele lichaam door kleine gaatjes kan persen. Aandrijvers zijn voor robots wat spieren zijn voor dieren: essentiële onderdelen van het lichaam die beweging en interactie met de wereld mogelijk maken. Als we zachte aandrijvers konden maken van kunstmatige spieren, net zo veelzijdig en aanpasbaar, en die dezelfde prestaties leveren als het echte werk, dan konden we bijna elke soort robot bouwen voor bijna elk gebruiksdoel. Het is geen verrassing dat mensen al tientallen jaren proberen om de fantastische vaardigheden van spieren na te maken, maar dat is erg moeilijk.
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.
Zo'n 10 jaar geleden, toen ik in Oostenrijk aan mijn proefschrift werkte, ontdekten mijn collega's en ik opnieuw waarschijnlijk een van de eerste publicaties over kunstmatige spieren, gepubliceerd in 1880. 'Over de veranderingen in vorm en volume van diëlektrische lichamen veroorzaakt door elektriciteit', gepubliceerd door de Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen. De meesten kennen hem als de ontdekker van de röntgenstraal. Zijn instructies volgend, gebruikten we een paar naalden, verbonden deze met een hoogspanningsbron en plaatsten het dichtbij een doorzichtig stuk rubber, dat uitgerekt was over een plastic frame. Toen we de stroom aanzetten, vervormde het rubber. Net zoals onze biceps onze arm buigt, boog het rubber het plastic frame. Het lijkt wel magie. De naalden raken het rubber niet eens aan.
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.
Twee van die naalden zijn geen handige manier om kunstmatige spieren aan te drijven, maar dit experiment zorgde voor mijn interesse in het onderwerp. Ik wilde nieuwe manieren creëren om kunstmatige spieren te maken die toegepast konden worden in de echte wereld. De jaren daarna werkte ik aan verschillende technologieën die veelbelovend leken maar allemaal problemen hadden die moeilijk te overwinnen waren.
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.
In 2015, toen ik begon met mijn eigen lab in CU Boulder, wilde ik een totaal nieuw idee proberen. Ik wilde de hoge snelheid en efficiëntie combineren van elektronisch aangedreven aandrijvers met de veelzijdigheid van zachte, vloeibare aandrijvers. Daarom, dacht ik, kan ik misschien hele oude wetenschap op een nieuwe manier gebruiken. Het diagram dat je hier ziet, laat een effect zien genaamd Maxwellstress. Als je twee metalen platen neemt en die in een bak gevuld met olie zet en daar dan stroom op zet, forceert de Maxwellstress de olie tussen de platen zoals je hier kan zien.
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.
Het basisconcept was: kunnen we dit effect gebruiken om olie te verplaatsen die in zachte, rekbare constructies zit? Dit werkte inderdaad verrassend goed, eerlijk gezegd veel beter dan ik had verwacht. Samen met mijn uitmuntende team van studenten gebruikten we dit idee als uitgangspunt om een nieuwe technologie te ontwikkelen genaamd HASEL-kunstmatigespieren. HASELs zijn voorzichtig genoeg om een framboos op te pakken zonder het te beschadigen. Ze kunnen zich uitzetten en samentrekken als een echte spier. Ze kunnen sneller bestuurd worden dan het echte werk. Ze kunnen opgeschaald worden om grotere kracht te leveren. Hier zie je hoe ze een met water gevulde fles optillen. Ze kunnen een robotarm besturen. Ze kunnen zelfs hun eigen positie aanvoelen. HASELs kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige bewegingen, maar ze kunnen ook vloeiende, spierachtige bewegingen maken en uitbarstingen van kracht om een bal de lucht in te schieten. Als ze in olie ondergedompeld worden, kunnen HASEL-kunstmatigespieren onzichtbaar gemaakt worden.
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.
Hoe werken HASEL-kunstmatigespieren? Het zal je verbazen. Ze zijn gebaseerd op goedkope, makkelijk verkrijgbare materialen. Je kan thuis zelf proberen, en dat raad ik aan, hoe het basisprincipe werkt. Neem een paar plastic zakjes en vul die met olijfolie. Probeer zoveel mogelijk de luchtbellen eruit te duwen. Plaats dan een glazen plaat op een kant van het zakje. Als je erop drukt zie je het zakje samentrekken. De hoeveelheid samentrekking is makkelijk te beheersen. Met een klein gewicht krijg je een kleine samentrekking. Met een middelmatig gewicht krijg je een middelmatige samentrekking. Met een groot gewicht krijg je een grote samentrekking. Het enige verschil bij HASELs is dat je de kracht van je hand of van het gewicht vervangt door elektrische stroom. HASEL staat voor 'hydraulisch versterkte zelfhelende elektrostatische aandrijvers'. Hier zie je een configuratie genaamd Peano-HASEL-aandrijvers, een van de vele mogelijke ontwerpen. Wederom neem je een flexibele polymeer zoals ons plastic zakje, je vult het met een isolerende vloeistof zoals olijfolie en nu, in plaats van de glazen plaat, plaats je een elektrische geleider op een kant van het zakje. Om iets te maken dat meer op spierweefsel lijkt, kan je een paar zakjes aan elkaar verbinden en een gewicht aan een kant vastmaken. Vervolgens voegen we stroom toe. Het elektrische veld begint de vloeistof te beïnvloeden, het verplaatst de vloeistof en het dwingt de spier samen te trekken. Hier zie je een voltooide Peano-HASEL-aandrijver en hoe het uitzet en samentrekt als er stroom op gezet wordt. Vanaf de zijkant bezien zie je goed hoe de zakjes een meer cilindrische vorm krijgen, net zoals bij de plastic zakjes. We kunnen ook wat van dit spierweefsel naast elkaar plaatsen om iets te maken dat nog meer op een spier lijkt, dat ook samentrekt en uitzet in een dwarsdoorsnede. Deze HASELs tillen een gewicht op dat zo'n 200 keer zwaarder is dan hun eigen gewicht. Je ziet een van onze nieuwste ontwerpen genaamd kwadrant-donut-HASELs; hoe ze uitzetten en samentrekken. Ze kunnen zeer snel bestuurd worden en bovenmenselijke snelheden bereiken. Ze zijn zelfs sterk genoeg om omhoog te springen.
(Laughter)
(Gelach)
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.
HASELs zouden wel eens de eerste technologie kunnen worden die de prestaties van biologische spieren kunnen evenaren of overtreffen, terwijl ze geschikt zijn voor productie op grote schaal. Het is een jonge technologie. We zijn nog maar net begonnen. We hebben veel ideeën over het verbeteren van de prestaties met nieuwe materialen en ontwerpen, om een niveau van presteren te bereiken dat beter is dan biologische spieren en traditionele stugge elektrische motoren. Complexere ontwerpen van HASEL-robotica zijn geïnspireerd op de natuur. Hier zie je een kunstmatige schorpioen, die zijn staart gebruikt om te jagen, hier op een rubberen ballon.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Terugkijkend op onze oorspronkelijke inspiratie, de veelzijdigheid van octopusarmen en de olifantenslurf, zien we dat we nu zachte continuümaandrijvers kunnen bouwen die steeds dichterbij de vaardigheden van het echte werk komen.
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.
Ik ben zeer enthousiast over de praktische toepassingen van HASEL-kunstmatigespieren. Ze zullen zachte robotische apparaten mogelijk maken die de kwaliteit van leven kunnen verbeteren. Zachte robotica zullen een nieuwe lijn natuurgetrouwe protheses mogelijk maken voor mensen die lichaamsdelen zijn verloren. Hier zie je wat HASELs in mijn lab, in een vroeg stadium, die een vingerprothese aandrijven.
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.
Op een dag zullen we misschien onze lichamen samenvoegen met robotonderdelen. Ik weet dat dit eng klinkt. Maar als ik aan mijn grootouders denk en aan hoe ze steeds afhankelijker van anderen worden in het uitvoeren van dagelijkse taken zoals zelfstandig naar het toilet gaan; ze voelen zich vaak als een last voor anderen. Zachte robotica kunnen flexibiliteit en handigheid verbeteren en herstellen en zo oudere mensen helpen hun zelfstandigheid te behouden gedurende een groter deel van hun leven. Misschien kunnen we dat 'antiverouderingsrobotica' noemen, of zelfs een nieuwe stadium in de evolutie van de mens. In tegenstelling tot hun traditionele stugge tegenhangers zullen zachte levensechte robots veilig nabij mensen werken en ons in huis helpen.
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.
Zachte robotica is een jonge sector. We beginnen nog maar net. Ik hoop dat veel jonge mensen van verschillende achtergronden mee zullen gaan op deze spannende reis en de toekomst van robotica zullen vormen door nieuwe concepten te introduceren, geïnspireerd op de natuur. Als we dit juist aanpakken, kunnen we voor ons allemaal de kwaliteit van leven verbeteren. Dank jullie wel.
Thank you.
(Applause)
(Applaus)