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.
Em 2015, 25 equipas de todo o mundo competiram para construir robôs para cenários de desastre que pudessem cumprir inúmeras tarefas, como usar uma ferramenta eléctrica, trabalhar em terreno irregular, e conduzir um carro. Tudo isto parece impressionante, e realmente é, mas vejam o corpo de HUBO, o robô vencedor. Aqui, o HUBO está a tentar sair de um carro, e não se esqueçam, o vídeo está acelerado três vezes.
(Laughter)
(Risos)
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.
O HUBO, da equipa coreana KAIST, é um robô topo-de-gama, com capacidades impressionantes, mas o seu corpo não é assim tão diferente dos robôs que víamos há algumas décadas. Se virem os outros robôs em competição, os movimentos deles ainda parecem muito robotizados. Os corpos deles são estruturas mecânicas complexas que usam materiais rígidos, como o metal e os tradicionais motores eléctricos. Eles certamente não foram projectados para serem de baixo custo, seguros perto de pessoas, e adaptáveis a desafios imprevisíveis. Temos feito um bom progresso com os cérebros dos robôs mas os seus corpos ainda são primitivos.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
Esta é a minha filha Nadia. Ela tem apenas cinco anos e consegue sair do carro muito mais rápido do que o HUBO.
(Laughter)
(Risos)
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.
Ela também consegue balançar-se nas barras facilmente, muito melhor do que conseguiria qualquer robô humanoide actual. Ao contrário do HUBO, o corpo humano usa amplamente materiais macios e deformáveis como os músculos e a pele. Precisamos de uma nova geração de corpos robóticos que seja inspirada na elegância, na eficiência e nos materiais moles das criações encontradas na natureza. Realmente, esta tornou-se a ideia chave de uma nova área de investigação chamada robótica mole.
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.
O meu grupo de investigação e colaboradores em todo o mundo, estão a usar componentes moles inspirados nos músculos e na pele para construir robôs com agilidade e destreza que se aproximem cada vez mais das capacidades incríveis dos organismos encontrados na natureza. Sempre me senti particularmente inspirado pelo músculo biológico. Não é surpreendente. Eu também sou austríaco, e sei que soo um pouco como o Exterminador Implacável.
(Laughter)
(Risos)
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.
O músculo biológico é uma verdadeira obra-prima da evolução. Consegue sarar depois de danificado, e está fortemente ligado aos neurónios sensoriais para dar resposta ao movimento e ao ambiente. Consegue contrair-se rápido o suficiente para dar energia às asas ultra-rápidas de um beija-flor; consegue ter força suficiente para mover um elefante; e é adaptável o suficiente para ser usado nos braços extremamente versáteis de um polvo, um animal que consegue fazer passar o seu corpo todo através de orifícios diminutos. Os actuadores são para os robôs o que os músculos são para os animais: componentes cruciais do corpo que permitem o movimento e a interacção com o mundo. Por isso, se conseguíssemos construir actuadores moles, ou músculos artificiais, que fossem tão versáteis e adaptáveis, e conseguissem ter o mesmo desempenho que os reais, poderíamos construir quase qualquer tipo de robô para quase qualquer fim. Sem surpresas, há décadas que se tem tentado replicar as capacidades incríveis dos músculos, mas tem sido muito difícil.
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.
Há cerca de 10 anos, quando eu fiz o meu doutoramento ainda na Áustria, os meus colegas e eu redescobrimos aquela que é, provavelmente, uma das primeiras publicações sobre músculo artificial, publicada em 1880: "As mudanças de forma e volume de corpos dieléctricos "causadas pela electricidade", publicada pelo físico alemão Wilhelm Röntgen. A maioria de vocês conhece-o pela descoberta dos raios X. Seguindo as suas instruções, usámos um par de agulhas. Fizemos a ligação a uma fonte de alta-voltagem, e colocámo-la perto de um pedaço de borracha transparente que fora previamente ajustada a uma moldura plástica. Quando ligámos a voltagem, a borracha deformou-se e tal como os nossos bíceps flectem o nosso braço, a borracha flectiu a moldura plástica. Parece magia. As agulhas nem sequer tocam na borracha.
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.
Mas ter duas agulhas não é uma forma prática de manobrar músculos artificiais, mas esta experiência fabulosa deixou-me agarrado a este assunto. Eu queria criar novas formas de construir músculos artificiais que funcionassem bem em aplicações no mundo real. Nos anos seguintes, trabalhei em várias tecnologias diferentes que se mostraram promissoras, mas todas tinham desafios difíceis de ultrapassar.
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.
Em 2015, quando comecei o meu laboratório na Universidade de Colorado Boulder, quis experimentar uma ideia completamente nova. Queria combinar a alta velocidade e a eficiência de actuadores controlados electricamente, com a versatilidade de actuadores macios e fluidos. Assim sendo, pensei eu, talvez possa tentar usar ciência antiga de uma forma nova. O diagrama que aqui vêem mostra um efeito chamado tensor de Maxwell. Quando pegamos em duas placas metálicas e as colocamos num recipiente cheio de óleo, e depois ligamos a voltagem, o tensor de Maxwell força o óleo a subir no meio das duas placas, e isso é o que vêem aqui.
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.
A ideia chave foi, então: Será que podemos usar este efeito para empurrar o óleo contido em estruturas moles com elasticidade? De facto, isto funcionou surpreendentemente bem. Para dizer a verdade, bem melhor do que eu esperava. Em conjunto com a minha incrível equipa de alunos, usámos esta ideia como ponto de partida para desenvolver uma nova tecnologia chamada músculos artificiais HASEL. Os HASELs são delicados o suficiente para pegar numa framboesa sem a danificar. Eles podem expandir-se e contrair-se como um músculo real. E podem ser accionados mais rápido do que os reais. Podem também ser aumentados para exercerem mais força. Aqui podem vê-los a levantar quase quatro litros de água. Podem ser usados para controlar um braço robótico, e conseguem até sentir qual a sua posição. Os HASELs podem ser usados para movimentos de grande precisão, mas também podem fazer movimentos muito fluidos, semelhantes aos músculos, e ter explosões de força para atirar uma bola ao ar. Quando submersos em óleo, os músculos artificiais HASEL podem tornar-se invisíveis.
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.
Como funcionam, então, os músculos artificiais HASEL? Talvez fiquem surpreendidos. Eles baseiam-se em materiais baratos e de fácil acesso. Podem, até, experimentar o mesmo princípio em casa, e eu recomendo que o façam. Peguem em alguns sacos herméticos e encham-nos com azeite. Tentem tirar todo o ar que consigam. Agora peguem num prato de vidro e coloquem-no num dos lados do saco. Quando fizerem pressão, verão o saco a contrair-se. A intensidade da contração é fácil de controlar. Com um peso pequeno, obtêm uma contracção pequena. Com um peso médio, conseguem uma contracção média. E com um peso grande, obtêm uma grande contracção. Para os HASELs, a única diferença é substituir a força da vossa mão, ou o peso, por uma força eléctrica. A sigla HASEL significa "actuadores electrostáticos "auto-regenerativos hidraulicamente amplificados". Aqui podem ver um esquema chamado actuador Peano-HASEL, um dos muitos "designs" possíveis. Mais uma vez, peguem num polímero flexível, como um saco hermético, encham-no com um líquido isolante, como o azeite, e agora, em vez do prato de vidro, coloquem um indutor eléctrico num dos lados da bolsa. Para criar algo mais parecido com uma fibra muscular, podem fazer a ligação entre várias bolsas e colocar um peso de um lado. De seguida, aplica-se voltagem. O campo eléctrico começa, agora, a actuar sobre o líquido, desloca o líquido e força o músculo a contrair-se. Aqui podem ver um actuador Peano-HASEL completo e a forma como se expande e se contrai quando a voltagem é aplicada. Vendo de um lado, podem ver as bolsas a ficarem com uma forma mais cilíndrica, como vimos no caso dos sacos herméticos. Também podemos pôr algumas destas fibras ao lado umas das outras para criar algo que se pareça ainda mais com um músculo que também se contrai e se expande de forma cruzada. Estes HASELs estão a levantar um peso cerca de 200 vezes mais pesado do que o seu próprio peso. Aqui vemos um dos nossos "designs" mais recentes, chamados dónutes HASEL, e como eles se expandem e se contraem. Podem ser manobrados muito depressa, atingindo velocidades sobre-humanas. Têm força suficiente até para saltar do chão.
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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.
No geral, os HASELs prometem tornar-se a primeira tecnologia que está ao nível — ou ultrapassa — o desempenho do músculo biológico sendo, ao mesmo tempo, compatível com a produção em grande escala. É também uma tecnologia muito recente. E ainda estamos a começar. Temos muitas ideias sobre como melhorar drasticamente o desempenho usando novos materiais e "designs" para alcançar um nível de desempenho superior ao do músculo biológico e aos tradicionais motores eléctricos. Avançando para "designs" mais complexos e para robótica bio-inspirada, vêem aqui o nosso escorpião artificial, que pode usar a sua cauda para caçar presas, que, neste caso, é um balão de borracha.
(Laughter)
(Risos)
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.
Voltando à nossa inspiração inicial, a versatilidade dos braços do polvo e da tromba do elefante, conseguimos agora construir actuadores contínuos moles que se aproximam cada vez mais das capacidades dos reais.
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.
Estou super entusiasmado com as aplicações práticas dos músculos artificiais HASEL. Eles vão possibilitar aparelhos robóticos moles que podem melhorar a qualidade de vida. A robótica mole permitirá uma nova geração de próteses mais realistas para pessoas que perderam partes dos seus corpos. Aqui podem ver alguns HASEL no meu laboratório, em testes preliminares, a controlar uma prótese de um dedo.
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.
Um dia, poderemos até fundir os nossos corpos com partes robóticas. Eu sei que isto parece muito assustador, à primeira vista. Mas quando penso nos meus avós e na forma como ficaram mais dependentes dos outros para fazer tarefas simples do dia-a-dia, como irem sozinhos ao quarto de banho, eles sentem frequentemente que estão a tornar-se um fardo. Com a robótica mole, seremos capazes de melhorar e recuperar a agilidade e a destreza, e, assim, ajudar os idosos a manter a sua autonomia durante mais tempo na sua vida. Talvez possamos chamar-lhe "robótica anti-envelhecimento", ou até um novo patamar da evolução humana. Contrariamente às alternativas tradicionais e rígidas, os robôs moles semelhantes à realidade serão seguros perto das pessoas e irão ajudar-nos em casa.
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.
A robótica mole é uma área muito recente, estamos apenas a começar. Espero que muitos jovens de diferentes contextos se juntem a nós nesta entusiasmante viagem e ajudem a modelar o futuro da robótica apresentando novos conceitos inspirados na natureza. Se fizermos isto bem feito, podemos melhorar a qualidade de vida de todos nós. Obrigado.
Thank you.
(Aplausos)
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