The artificial muscles that will power robots of the future | Christoph Keplinger

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

المترجم: Hasan Mothaffar المدقّق: Fatima Zahra El Hafa

In 2015, 25 teams from around the world

في عام 2015، تنافس 25 فريقًا حول العالم

competed to build robots for disaster response

لإنشاءِ روبوتاتٍ تستجيبُ للكوارث

that could perform a number of tasks,

يمكنها أن تؤدّيَ عدداً من المهام،

such as using a power tool,

مثلَ استخدامِ أداةٍ كهربائيّة

working on uneven terrain

والعملَ فوقَ أرضيّةٍ غيِرِ مستوية

and driving a car.

وقيادةَ سيّارة.

That all sounds impressive, and it is,

كلّ هذا يبدو مثيراً للإعجاب، وهوَ بالفعلِ كذلك.

but look at the body of the winning robot, HUBO.

لكن، ألقوا نظرةً إلى هيكلِ الروبوت (هيوبو) الفائز.

Here, HUBO is trying to get out of a car,

يحاولُ هنا (هيوبو) الخروجَ من السيّارة،

and keep in mind,

وخذوا بعينِ الاعتبار

the video is sped up three times.

أنّه تمّ تسريعُ الفيديو ثلاثَ مرّات.

(Laughter)

(ضحك)

HUBO, from team KAIST out of Korea, is a state-of-the-art robot

(هيوبو) الذي صنعه فريق (كايست) في كوريا هو روبوتٌ متقدّم المستوى

with impressive capabilities,

بقدراتٍ مثيرةٍ للإعجاب،

but this body doesn't look all that different

لكنّ هيكلهُ لا يختلفُ كثيرًا

from robots we've seen a few decades ago.

عن ذلك الخاصّ بالروبوتات الأقدمِ منذ عقود.

If you look at the other robots in the competition,

بالنظرِ إلى الروبوتات الأخرى في المنافسة،

their movements also still look, well, very robotic.

يبدو أنّ تحركاتهم أيضاً ما تزالُ آليةً جدًا.

Their bodies are complex mechanical structures

إنّ أجسادهم هي هياكل آليّة معقّدة

using rigid materials

تعتمد على موادٍ صلبة،

such as metal and traditional rigid electric motors.

مثلَ المعدن والمحرّكاتِ الكهربائيّة التقليديّة.

They certainly weren't designed

لكن بالطّبع، لم تُصمّم هذه الروبوتات

to be low-cost, safe near people

لتكون منخفضةَ التكلفة، ويكونَ وجودها إلى جانب البشر آمناً

and adaptable to unpredictable challenges.

أو أن تتأقلمَ مع العقباتِ المفاجئة.

We've made good progress with the brains of robots,

لقد أحدثنا تقدّما بارزاً بطريقةِ تفكيرِ الروبوتات

but their bodies are still primitive.

لكنّ أجسادهم لا تزالُ بدائيّة.

This is my daughter Nadia.

هذه ابنتي (ناديا)

She's only five years old

هي في الخامسةِ من عمرها،

and she can get out of the car way faster than HUBO.

ويمكنها أن تخرجَ من السّيارةِ أسرع بكثيرٍ من (هيوبو)

(Laughter)

(ضحك)

She can also swing around on monkey bars with ease,

يمكنها التأرجح على قضبانِ الحديقةِ بسهولة أيضاً،

much better than any current human-like robot could do.

وأفضلَ بكثيرٍ مما يمكن أن يقومَ به أي روبوتٍ شبيه بالبشر.

In contrast to HUBO,

بخلافِ الروبوت (هيوبو)،

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

يستفيد الجسمُ البشريُّ استفادةً شاملةً من الموادّ اللينة والقابلة لتغيير شكلها

such as muscle and skin.

مثلَ العضلاتِ والجلد.

We need a new generation of robot bodies

نحتاجُ إلى جيلٍ جديدٍ من أجساد الروبوتات

that is inspired by the elegance, efficiency and by the soft materials

مستوحىً من الأناقة والكفاءة والمواد اللينة

of the designs found in nature.

للتصميماتِ الموجودةِ في الطّبيعة.

And indeed, this has become the key idea of a new field of research

وبالطّبع، أصبحت هذه الفكرةَ الرّئيسيّة لميدانِ بحثٍ جديد

called soft robotics.

يهتمّ بالروبوتاتِ اللينة.

My research group and collaborators around the world

بالتعاونِ مع ناسٍ من أنحاء العالم،

are using soft components inspired by muscle and skin

يستخدمُ فريقُ بحثي مكوناتٍ ليّنة مستوحاةً من العضلاتِ والبشرة

to build robots with agility and dexterity

لإنشاء روبوتاتٍ تتمتع بالرشاقةِ والبراعة

that comes closer and closer

والتي تصبح أقرب كثيرًا

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

للقدراتِ المذهلةِ للكائنات الحيّة الموجودةِ في الطبيعة.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

لطالما كانت عضلاثُ الجسم مصدرَ إلهامٍ لي.

Now, that's not surprising.

حسناً، هذا ليس مفاجئًا.

I'm also Austrian, and I know that I sound a bit like Arnie, the Terminator.

أنا أيضًا نمساوي، وأعلم أن صوتي يشبه قليلاً صوت (آرني) من فلم (Terminator)

(Laughter)

(ضحك)

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

العضلةُ البيولوجيّة هي تحفةٌ حقيقية من تحفِ التطوّر.

It can heal after damage

يمكنها أن تتعافى بعد التّلف،

and it's tightly integrated with sensory neurons

ويتكاملُ عملها بإحكامٍ مع العصبونات الحسية

for feedback on motion and the environment.

للإحساسِ بالحركةِ والبيئةِ المحيطة.

It can contract fast enough to power the high-speed wings

يمكنها أن تنقبض بسرعةٍ تكفي لتقوية الأجنحة ذات السرعة العالية

of a hummingbird;

لطائر الطّنان،

it can grow strong enough to move an elephant;

يمكنها أن تصبح قويةً بما يكفي لتحريك فيل،

and it's adaptable enough to be used in the extremely versatile arms

ويمكنُ أن تتكيّف لتقوم بوظائف أذرعِ الأخطبوط متعددة القدرات

of an octopus,

an animal that can squeeze its entire body through tiny holes.

وهو حيوانٌ يمكنه أن يحشرَ جسدهُ بالكامل في فتحاتٍ صغيرة جدًا.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

المشغّلاتُ الميكانيكيّة للروبوتات هي بمثابة العضلاتِ في الحيوانات:

key components of the body

أيّ، مكوناتٌ أساسيّة للجسد،

that enable movement and interaction with the world.

والتي بدورها تسمح بالحركةِ والتفاعلِ مع العالم.

So if we could build soft actuators,

لذا إن استطعنا أن ننشئَ مشغّلاتٍ لينة،

or artificial muscles,

أو عضلاتٍ اصطناعيّة

that are as versatile, adaptable

لها القدرة على التكيف مع المهام المتعددة

and could have the same performance as the real thing,

بحيث يكون أداؤها مشابهاً لأداء العضلات الحقيقية،

we could build almost any type of robot

سنستطيعُ إنشاءَ أي نوعٍ من الروبوتات

for almost any type of use.

لمعظمِ أنواع الاستعمالات.

Not surprisingly, people have tried for many decades

ليسَ بالأمرِ المفاجئِ أنّ الناس قد حاولوا لعقودٍ طويلة

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

استنساخَ قدراتِ العضلاتِ المذهلة،

but it's been really hard.

لكنَّ الأمرَ كان صعبًا جدًا.

About 10 years ago,

منذ حوالي عشرِ سنوات،

when I did my PhD back in Austria,

حين حصلتُ على الدكتوراه في النّمسا،

my colleagues and I rediscovered

قُمنا أنا وزملائي بإعادة اكتشاف

what is likely one of the very first publications on artificial muscle,

أحدَ أوّل الأعمالِ المنشورة على الأرجح فيما يخصّ العضلاتِ الاصطناعيّة،

published in 1880.

والتي نُشرت عام 1880

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

بعنوان (دورُ الكهرباءِ في تغيير حجم وشكل الأجسام العازلة.)

caused by electricity,"

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

قام بنشرِ هذا البحث عالمُ الفيزياء الألمانيّ (ويلهم رونتكين)

Most of you know him as the discoverer of the X-ray.

معظكم يعرفهُ كونه مكتشفَ الأشعّة السينيّة (X).

Following his instructions, we used a pair of needles.

استخدمنا زوجاً من الإبر تبعاً لإرشاداته،

We connected it to a high-voltage source,

ووصلناه بتيّارٍ عالي التوتّر

and we placed it near a transparent piece of rubber

ووضعناه قرب قطعةٍ شفّافةٍ من المطّاط

that was prestretched onto a plastic frame.

بعد تمديده على إطارٍ من البلاستيك.

When we switched on the voltage,

عندما وصلنا التوتّر،

the rubber deformed,

تقلّصت قطعةُ المطّاط

and just like our biceps flexes our arm,

وكما تقوم عضلاتنا بطويِ ذراعنا،

the rubber flexed the plastic frame.

قامت قطعةُ المطّاطِ بطويِ الإطار.

It looks like magic.

يبدو الأمرُ كالسحر،

The needles don't even touch the rubber.

فالإبرُ حتى لا تلامسُ المطّاط.

Now, having two such needles is not a practical way

استخدامُ إبرتين كهاتين ليس طريقةً عمليّة

of operating artificial muscles,

لمحاكاةِ العضلات الاصطناعيّة،

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

لكنّ هذه التجربةَ المذهلة جذبت كل انتباهي لهذا الموضوع.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

أردت ابتكارَ طرائقَ جديدة لصنع عضلاتٍ اصطناعيّة

that would work well for real-world applications.

تعملُ بشكلٍ متقنٍ في تطبيقات الحياة العمليّة.

For the next years, I worked on a number of different technologies

خلال السنواتِ التالية، عملتُ على تقنيّاتٍ عديدةٍ مختلفة

that all showed promise,

وكان هناكَ أملٌ بنجاحها،

but they all had remaining challenges that are hard to overcome.

على الرّغمِ من التّحديات الصعبةِ التي تعترضُ طريقَ تنفيذها.

In 2015,

في عام 2015،

when I started my own lab at CU Boulder,

عندما أنشأتُ مختبري في جامعة (كولورادو)

I wanted to try an entirely new idea.

أردتُ أن أجرّب فكرةً جديدة كليّاً.

I wanted to combine the high speed and efficiency

أردتُ دمج الكفاءةِ والسّرعة العالية

of electrically driven actuators

الخاصّة بالمحركات الكهربائيّة

with the versatility of soft, fluidic actuators.

مع القدرات المتعدّدة للمحرّكات اللينة.

Therefore, I thought,

فلذلك قلت لنفسي:

maybe I can try using really old science in a new way.

"ربما يمكنني استخدامُ العلمِ القديم، ولكن بطرائق جديدة."

The diagram you see here

يبيّن الرسم الموضّح أعلاه تأثيراً يدعى (ضغط ماكسويل).

shows an effect called Maxwell stress.

When you take two metal plates

بأخذِ صفيحتين من معدن،

and place them in a container filled with oil,

ووضعهما في إناءٍ يحوي زيت،

and then switch on a voltage,

ووصلهما بتوتّرٍ كهربائيّ،

the Maxwell stress forces the oil up in between the two plates,

يجبر (ضغط ماكسويل) الزّيت على المرورِ بين الصفيحتين،

and that's what you see here.

مثلما هو موضّح.

So the key idea was,

فالفكرة الأساسية كانت:

can we use this effect to push around oil

"هل يمكننا توظيفُ هذا التأثير لتحريك الزيت

contained in soft stretchy structures?

الذي تحتويه بنياتٌ مرنة قابلة للتمدد؟"

And indeed, this worked surprisingly well,

وبالفعل، نجحت هذه الطريقةُ بشكلٍ مبهر،

quite honestly, much better than I expected.

وأفضلَ بكثيرٍ مما توقعته، في الحقيقة.

Together with my outstanding team of students,

بالتعاونِ مع فريقي المذهل من الطّلاب،

we used this idea as a starting point

استخدمنا هذهِ الفكرةَ كنقطةِ انطلاق

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

لتطوير تقنيّةٍ جديدةٍ من العضلات الاصطناعيّة والتي تدعى (هيزل).

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

تستطيع عضلات (هيزل) أن تلتقط حبّة توتٍ بعناية

without damaging it.

بدونِ أن تسبب ضرراً لها.

They can expand and contract like real muscle.

تستطيع هذه العضلاتُ أن تتمدد وتتقلّص، كما في العضلاتِ الحقيقة.

And they can be operated faster than the real thing.

كما أنّها تعملُ بشكلٍ أسرعَ من العضلات الحقيقية.

They can also be scaled up to deliver large forces.

يمكنُ أيضاً زيادة سعتها لكي تستطيع أن تعمل بقوّاتٍ كبيرة.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

هنا يمكنكم رأيتها وهي ترفع جالوناً من الماء.

They can be used to drive a robotic arm,

يمكنُ استعمالها لتحريكِ ذراع الروبوت،

and they can even self-sense their position.

وبمقدورها أن تتحسّس موقعها أيضاً.

HASELs can be used for very precise movement,

يمكنُ استخدام عضلات (هيزل) للحركات التي تتطلّب الدقّة،

but they can also deliver very fluidic, muscle-like movement

وحركتها سلسةٌ ومرنة، مثل العضلات الحقيقة،

and bursts of power to shoot up a ball into the air.

وتتمتع بالقوة الكافيةِ لقذفِ كرةٍ في الهواء.

When submerged in oil,

عندما تُغمرُ هذه العضلاتُ بالزيت،

HASEL artificial muscles can be made invisible.

تستطيع أن تتوارى عن الأنظار وتختفي.

So how do HASEL artificial muscles work?

فكيفَ تعملُ هذه العضلات؟

You might be surprised.

قد يفاجئكم الأمر،

They're based on very inexpensive, easily available materials.

ولكنّها تعتمد على موادٍ غير مكلفة ومتوافرة بشكلٍ دائم.

You can even try, and I recommend it,

وأنصحُ بتجربة المبدأ الأساسي لعضلات (هيزل) في المنزل.

the main principle at home.

Take a few Ziploc bags and fill them with olive oil.

يمكنكم البدءُ بملءِ أكياسٍ من البلاستيك بزيت الزيتون،

Try to push out air bubbles as much as you can.

وحاولوا إخراج فقاعات الهواء منها بقدر الاستطاعة

Now take a glass plate and place it on one side of the bag.

والآن أحضروا صحناً من الزجاج ثمّ ضعوه على جانب كيس البلاستيك.

When you press down, you see the bag contract.

بالضغطِ على الكيس، يمكنُكم رؤية انضغاطه.

Now the amount of contraction is easy to control.

إنّ التحكّم بسعةِ التقلّص أمرٌ سهل:

When you take a small weight, you get a small contraction.

عندما تضعُ وزناً خفيفاً، يكون التقلّص قليلاً؛

With a medium weight, we get a medium contraction.

عندما تضعُ وزناً متوسّطاً، يكون التقلّصُ متوسّطاً؛

And with a large weight, you get a large contraction.

وعندما تضعُ وزناً ثقيلاً، يكونُ التقلّص كبيراً.

Now for HASELs, the only change is to replace the force of your hand

الأمرُ في عضلات (هيزل) يختلف من حيثُ مصدر القوّة،

or the weight with an electrical force.

فبدلاً من ضغطِ يدك أو الأوزان، يتمّ استخدامُ قوّةٍ كهربائية.

HASEL stands for "hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators."

ترمز كلمة (هيزل) إلى: المحرّكات الكهروستاتية ذاتيّة الإصلاح،

والمقوّاة هيدروليكيّاً.

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

هنا ترونَ رسماً يمثّل محرّكات (بيانو هيزل)

one of many possible designs.

وهو واحدٌ من التصاميم الممكنة.

Again, you take a flexible polymer such as our Ziploc bag,

ببساطة، خذ بوليميراً مرناً، ككيس البلاستيكِ في تجربتنا،

you fill it with an insulating liquid, such as olive oil,

واملأهُ بسائلٍ عازلٍ كزيتِ الزّيتون،

and now, instead of the glass plate,

ولكن بدلاً من الضغطِ بصحنِ الزجاج،

you place an electrical conductor on one side of the pouch.

ضع مادّةً ناقلة للكهرباء على جانب الكيس.

To create something that looks more like a muscle fiber,

لإنشاءِ نموذجٍ يشبهُ النّسيجَ العضليّ،

you can connect a few pouches together

يمكنك وصلُ عدّة أكياسٍ مع بعض

and attached a weight on one side.

مع تعليقِ وزنٍ على نهايةِ أحدها.

Next, we apply voltage.

والآن نطبّق توتراً كهربائياً.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

يؤثّر الحقلُ الكهربائيّ المولد على السائل في الكيس،

It displaces the liquid,

فيُزيح السائل، مما يجبرُ نموذجَ العضلة على التقلّص.

and it forces the muscle to contract.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

يمكنكم هنا أن تروا تجربةَ عضلات (بيانو هيزل) المكتملة

and how it expands and contracts when voltage is applied.

وكيف تتقلّصُ وتتمدّدُ العضلات عند تطبيق التوتر الكهربائي.

Viewed from the side,

بالنظرِ من الجهة الجانبية،

you can really see those pouches take a more cylindrical shape,

يمكنُ ملاحظةُ الأشكالِ الأسطوانية للأكياس

such as we saw with the Ziploc bags.

كما شاهدناه في تجربتنا قبل.

We can also place a few such muscle fibers next to each other

يمكننا أيضاً محاذاةُ عدّة أليافٍ عضليّة،

to create something that looks even more like a muscle

لصنعِ عضلةٍ أشبه بتلك الحقيقية

that also contracts and expands in cross section.

بحيثُ تتقلص وتتمدّدُ من أيّ منظور.

These HASELs here are lifting a weight that's about 200 times heavier

عضلاتُ (هيزل) ترفعُ أجساماً أثقل من وزنها بمئتي مرّة.

than their own weight.

Here you see one of our newest designs, called quadrant donut HASELs

تشاهدون هنا أحد أحدثِ تصاميمنا والذي يدعى أنبوبة حلقية رُبعية من عضلات (هيزل)

and how they expand and contract.

وكيف تتمدّدُ وتتقلص.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

يمكنها أن تعملَ بسرعاتٍ تفوق سرعة العضلات البشريّة.

They are even powerful enough to jump off the ground.

كما أنّها قويّةٌ بما يكفي لتقفز على الأرض.

(Laughter)

(ضحك)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

بالمجمل، ستكون عضلاتُ (هيزل) الواعدة أوّل تكنولوجيا

that matches or exceeds the performance of biological muscle

تطابق أداءَ العضلاتِ البيولوجيّة... أو حتى تكون أفضل منها...

while being compatible with large-scale manufacturing.

وتتماشى مع التّصنيع على النطاقِ الأوسع.

This is also a very young technology. We are just getting started.

ما زالت هذه التكنولوجيا في مرحلةِ التطوير، فقد بدأنا للتوّ،

We have many ideas how to drastically improve performance,

وببالنا أفكارٌ كثيرة لتحسين أداءها جذريّاً

using new materials and new designs to reach a level of performance

باستعمال موادٍ وتصاميم جديدة للوصول إلى كفاءةٍ في الأداء

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

تتجاوز كفاءة العضلات البيولوجية وأيضاً المحرّكات الكهربائيّة التقليدية.

Moving towards more complex designs of HASEL for bio-inspired robotics,

بالانتقال إلى التصاميم الأكثر تعقيداً لعضلات (هيزل) في الروبوتات الحيوية،

here you see our artificial scorpion

هنا يمكنكم مشاهدة عقربٍ اصطناعي

that can use its tail to hunt prey,

يستطيعُ استعمال ذيله لصيد الفريسة...

in this case, a rubber balloon.

وهي بالونٌ هنا.

(Laughter)

(ضحك)

Going back to our initial inspiration,

بالعودة إلى إلهامنا الأوّلي،

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

أذرع الأخطبوط المتكيّفة لمختلف المهام وأيضاً خراطيم الفيلة،

we are now able to build soft continuum actuators

استطعنا بناءَ محرّكاتٍ مرنة تتميّز بأداءٍ سلس،

that come closer and closer to the capabilities of the real thing.

وهي تقترب بقدراتها من تلك خاصّة العضلات الحقيقية.

I am most excited about the practical applications

أنا متحمّسٌ جدّاً للتطبيقات العمليّة

of HASEL artificial muscles.

لعضلات (هيزل) الاصطناعيّة.

They'll enable soft robotic devices

إنّها بدايةٌ لإنشاء أجهزةٍ روبوتّية ليّنة

that can improve the quality of life.

تستطيعُ تحسينَ مستوى المعيشة.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

هذه الأجهزة ستقوّي جيلاً جديداً من الأطراف الصناعيّة والشبيهة بالحقيقية

for people who have lost parts of their bodies.

للناس الذين فقدوا أطرافاً من جسمهم.

Here you see some HASELs in my lab,

هنا ترون عضلاتِ (هيزل) في مختبري

early testing, driving a prosthetic finger.

في التجارب الأوليّة لتحريك إصبعٍ اصطناعي.

One day, we may even merge our bodies with robotic parts.

ربما سنتمكن يوماً ما من دمجِ الأطرافِ الروبوتيّة مع أطراف أجسادنا.

I know that sounds very scary at first.

أعلمُ أنّ هذا يبدو مخيفاً للوهلة الأولى

But when I think about my grandparents

لكنني عندما أفكّر بجدّي وجدتي،

and the way they become more dependent on others

وكيف يصبحان أكثرَ اعتماداً على الآخرين

to perform simple everyday tasks such as using the restroom alone,

للقيام بالمهام البسيطةِ خلال يومنا، كاستعمال المرحاض بأنفسهما،

they often feel like they're becoming a burden.

فهما يشعران في الغالب بأنّهما ثقلٌ على الآخرين.

With soft robotics, we will be able to enhance and restore

من خلال أجهزةِ الروبوت اللينة، سنستطيع تقوية واسترجاع

agility and dexterity,

الرّشاقة والمهارة

and thereby help older people maintain autonomy

وبالتالي مساعدة الناس المسنّين على القيام بأعمالهم بنفسهم

for longer parts of their lives.

لفتراتٍ أطول في حياتهم.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

ربما يمكننا تسمية هذه التقنية "الروبوتات ضدّ الشيخوخة"

(ضحك)

أو حتى الخطوةَ المقبلة من مسيرة تطوّر الإنسان.

or even a next stage of human evolution.

Unlike their traditional rigid counterparts,

على عكس الروبوتاتِ الثقيلة التقليدية،

soft life-like robots will safely operate near people and help us at home.

تستطيع الروبوتاتُ اللينة، الشبيهة بالبشر، أن تعمل بأمانٍ بقرب الناس

وأن تساعدنا في المنزل.

Soft robotics is a very young field. We're just getting started.

ما زالَ هذا المجالُ في بدايته،

I hope that many young people from many different backgrounds

وأتمنّى أن ينضمّ إلينا الشبابُ من مختلفِ الخلفيّات

join us on this exciting journey

في هذه الرّحلةِ الحماسيّة،

and help shape the future of robotics

وأن يساعدونا في خلق مستقبلٍ لهذا المجال الواعد

by introducing new concepts inspired by nature.

بتقديم مفاهيمَ جديدة مستوحاةٍ من الطبيعة.

If we do this right,

إذا عملنا بشكلٍ صحيح،

we can improve the quality of life

يمكننا تحسينُ مستوى الحياة

for all of us.

للبشريّة بأكملها.

Thank you.

شكراً لكم.

(Applause)

(تصفيق)