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 times do mundo inteiro competiram para construir robôs que respondessem a desastres e realizassem inúmeras tarefas, como usar uma ferramenta elétrica, trabalhar em um terreno irregular, e dirigir um carro. Isso tudo soa impressionante, e de fato é, mas olhem para o corpo do robô vencedor, HUBO. Aqui, HUBO está tentando sair do carro, mas fiquem sabendo que o vídeo foi 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.
HUBO, do time KAIST da Coreia, é um robô de última geração com capacidades impressionantes, mas o corpo dele não parece tão diferente dos robôs que vimos há algumas décadas. Se observamos outros robôs da competição, vemos que os movimentos deles ainda parecem bem robóticos. Seus corpos são estruturas mecânicas complexas, feitas de materiais rígidos como metal e motores tradicionais, duros e elétricos. Eles com certeza não foram feitos para serem de baixo custo, seguros para as pessoas e adaptáveis a desafios imprevisíveis. Fizemos um bom progresso no cérebro dos robôs, mas o corpo deles ainda é primitivo.
This is my daughter Nadia. She's only five years old and she can get out of the car way faster than HUBO.
Essa é a minha filha Nadia. Ela tem só cinco anos de idade e consegue sair do carro muito mais rápido 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 se balança facilmente em trepa-trepas, muito melhor do que qualquer robô humanoide atual. Em contraste com o HUBO, o corpo humano faz uso extensivo de materiais moles e deformáveis como músculos e pele. Precisamos de uma nova geração de corpo de robôs que sejam inspirados pela elegância, eficiência e pelos materiais moles dos designs que encontrados na natureza. De fato, isso tem se transformado na ideia central de um novo campo de pesquisa chamado 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.
Meu grupo de pesquisa e colaboradores de todo o mundo estão usando componentes leves inspirados nos músculos e na pele para construir robôs com agilidade e destreza que se aproximem cada vez mais às maravilhosas capacidades dos organismos encontrados na natureza. Sempre fui particularmente inspirado pelo músculo biológico. Isso não é surpreendente. Também sou austríaco, e sei que lembro um pouco o Arnold, o Exterminador.
(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. Ele se cura depois de dano e é intrinsecamente integrado aos neurônios sensoriais para resposta aos movimentos e ao ambiente. Pode se contrair rápido o suficiente para dar energia às rápidas asas de um beija-flor; pode crescer forte o suficiente para mover um elefante; e é suficientemente adaptável para ser usado nos braços extremamente versáteis de um polvo, um animal que consegue espremer seu corpo através de buracos apertados. Atuadores são para os robôs o que os músculos são para os animais: componentes-chaves para o corpo que permitem movimentos e interações com o mundo. Se conseguimos construir atuadores moles, ou músculos artificiais, que sejam tão versáteis, adaptáveis com o mesmo desempenho que o autêntico, poderemos construir quase qualquer tipo de robô para quase todos os usos. Não é surpresa que pessoas tenham tendado, por muitas décadas, replicar as maravilhosas capacidades 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.
Dez anos atrás, quando fiz meu pós-doutorado na Áustria, eu e meus colegas redescobrimos o que é provavelmente uma das primeiras publicações sobre músculos artificiais, publicada em 1880, sobre as mudanças no formato e no volume de corpos dielétricos causados pela eletricidade, escrita pelo físico alemão Wilhelm Röntgen. A maioria de vocês o conhece pela descoberta do raio-x. Seguindo as suas instruções, usamos um par de agulhas. As conectamos a uma fonte de alta voltagem e pusemos perto de um pedaço de borracha transparente, previamente esticada em uma moldura plástica. Quando ligamos a voltagem, a borracha deformou-se, e como no bíceps flexiona o nosso braço, a borracha flexionou a moldura plástica. Parece magia. As agulhas nem tocam a 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.
Ter duas agulhas dessas não é um jeito prático de operar músculos artificiais, mas esse maravilhoso experimento me prendeu nesse tópico. Eu queria criar novos jeitos de construir músculos artificiais que funcionassem bem em aplicações da vida real. Nos anos seguintes, trabalhei em várias tecnologias diferentes que mostraram-se promissoras, mas todas ainda tinham desafios pendentes difíceis de serem superados.
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 a pesquisar na Universidade do Colorado, eu queria experimentar uma nova área. Eu queria combinar a alta velocidade e a eficiência de atuadores elétricos com a versatilidade de atuadores leves e fluidos. Então, eu pensei que talvez pudesse tentar usar ciência velha de uma maneira nova. O diagrama que veem aqui mostra um experimento chamado tensor de Maxwell. Se usamos duas placas de metal e as colocamos num contêiner cheio de óleo, e ligamos alguma voltagem, o tensor de Maxwell força o óleo para o meio das duas placas, e é isso que veem 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 central era: "Será que conseguimos usar esse efeito para empurrar o óleo contido em estruturas moles que esticam?" E sim, isso funcionou surpreendentemente bem. Honestamente, muito melhor do que eu esperava. Com minha ótima equipe de alunos, usamos essa ideia como ponto de partida para criar uma nova tecnologia chamada músculos artificiais HASEL. HASELs são gentis o suficiente para recolher framboesas sem estragá-las. Eles podem se expandir e contrair como um músculo real. E podem ser operados mais rápido que eles. Também podem ser aumentados para suportar maiores forças. Aqui podemos vê-los levantando um galão cheio de água. Eles podem ser usados para dirigir um braço robótico, e até mesmo sentir sozinhos suas posições. HASELs podem ser usados para movimentos bastante precisos, mas também podem realizar movimentos fluidos e musculares e impulsos de força para arremessar uma bola ao ar. Quando submerso em óleo, os músculos artificiais HASEL podem se tornar 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.
Então como o músculo artificial HASEL funciona? Talvez fiquem surpresos. Ele baseia-se em materiais baratos e de fácil acesso. Vocês podem até testar, e recomendo, o princípio central em casa. Peguem alguns sacos Ziploc e encham com azeite de oliva. Tentem tirar o máximo possível de bolhas de ar. Então peguem um prato de vidro e coloquem de um lado do saco. Ao pressioná-lo, verão o saco flexionando. O tamanho da flexão é fácil de controlar. Para algo que pesa pouco, a flexão é pequena. Com um peso médio, temos uma flexão média. Com algo pesado, temos uma grande flexão. Para os HASELs, a única mudança é substituir a força ou o peso de sua mão por uma força elétrica. HASEL significa "Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic Actuators". Aqui podemos ver a geometria chamada atuadores Peano-HASEL, um dos vários designs possíveis. De novo, usamos um polímero flexível, como o saco Ziploc, o enchemos com algum líquido isolante, como azeite de oliva, e agora, em vez de um prato de vidro, colocamos um condutor elétrico de um lado do saco. Para criar algo mais semelhante a uma fibra muscular, podemos conectar alguns sacos e anexar um peso em um dos lados. Depois, aplicamos voltagem. Agora, um campo elétrico começa a agir sobre o líquido. Ele desloca o líquido e força o músculo a contrair-se. Aqui podemos ver um atuador HASEL-Peano completo e como ele se expande e contrai quando se aplica voltagem. Visto de lado, podemos ver os sacos tomando um formato mais cilíndrico como vimos com os sacos Ziploc. Também podemos colocar essas fibras musculares do lado uma da outra para criar algo ainda mais parecido com um músculo e que também se expande e contrai. Estes HASELs estão levantando um peso aproximadamente 200 vezes mais pesado que eles. Aqui vemos um de nossos novos designs, chamado HASEL donut quadrante e como eles expandem e contraem. Eles operados muito rapidamente, atingindo velocidades super-humanas. Eles têm força até mesmo para pular.
(Laughter)
(Risos)
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.
Sobretudo, HASEL promete se tornar a primeira tecnologia que supera o desempenho do músculo biológico sendo compatível com a produção em larga escala. É também uma tecnologia muito nova, estamos apenas começando. Temos muitas ideias de como melhorar seu desempenho usando novos materiais e designs para atingir um nível de desempenho além do músculo biológico e tradicionais motores elétricos e rígidos. Avançando para designs mais complexos e inspirados na biologia, aqui vemos nosso escorpião artificial que usa o rabo para caçar presas. Nesse caso, 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 de elefantes, agora conseguimos construir atuadores moles e contínuos que chegam cada vez mais perto das capacidades reais de um músculo.
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 muito animado com as aplicações práticas dos músculos artificiais HASEL. Eles proporcionarão aparelhos robóticos moles que podem melhorar a qualidade de vida. A robótica mole possibilitará uma nova geração de próteses realistas para pessoas que sofreram amputações. Aqui vemos alguns HASELs no meu laboratório operando uma prótese de dedo em testes iniciais.
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.
Algum dia, poderemos talvez até fundir o nosso corpo com partes robóticas. Pode parecer assustador à primeira vista. Mas quando penso nos meus avós e em como eles ficaram dependentes de outras pessoas para realizar atividades diárias, como ir ao banheiro, eles sentem com frequência que são fardos. Com a robótica mole, poderemos melhorar e reestabelecer agilidade e destreza, e assim ajudar pessoas mais velhas a manterem sua autonomia por mais tempo. Talvez dê para chamar isso de "robótica anti-idade" ou até mesmo do próximo passo na evolução humana. Diferentemente da sua alternativa dura, robôs moles poderão operar com segurança perto de pessoas e nos ajudar 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 um campo muito novo, estamos apenas começando. Espero que jovens de diferentes contextos se juntem a essa jornada emocionante e ajudem a moldar o futuro da robótica introduzindo novos conceitos inspirados na natureza. Se acertarmos, podemos melhorar a qualidade de vida de todos nós. Obrigado.
Thank you.
(Aplausos)
(Applause)