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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

Übersetzung: Johanna Garthe Lektorat: Johannes Duschner

In 2015, 25 teams from around the world

Im Jahr 2015 traten 25 Teams aus der ganzen Welt gegeneinander an,

competed to build robots for disaster response

um für die Katastrophenhilfe Roboter zu bauen,

that could perform a number of tasks,

die mehrere Aufgaben ausführen sollten,

such as using a power tool,

wie ein Elektrowerkzeug einzusetzen,

working on uneven terrain

auf unebenem Terrain zu arbeiten

and driving a car.

und ein Auto zu fahren.

That all sounds impressive, and it is,

Das klingt beeindruckend, und ist es auch,

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

aber schauen Sie sich den Körper des Sieger-Roboters HUBO an.

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

Hier versucht HUBO aus einem Auto auszusteigen,

and keep in mind,

und man beachte, das Video wird dreimal schneller abgespielt.

the video is sped up three times.

(Laughter)

(Lachen)

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

HUBO vom Team KAIST aus Korea ist ein hochmoderner Roboter

with impressive capabilities,

mit beeindruckenden Fähigkeiten,

but this body doesn't look all that different

aber sein Körper unterscheidet sich kaum von den Robotern der letzten Jahrzehnte.

from robots we've seen a few decades ago.

If you look at the other robots in the competition,

Wenn man andere Roboter des Wettbewerbs betrachtet,

their movements also still look, well, very robotic.

sehen auch ihre Bewegungen noch sehr roboterhaft aus.

Their bodies are complex mechanical structures

Die Körper sind komplexe mechanische Strukturen

using rigid materials

aus starren Materialien

such as metal and traditional rigid electric motors.

wie Metall und herkömmlichen starren Elektromotoren.

They certainly weren't designed

Man entwarf sie nicht,

to be low-cost, safe near people

um kostengünstig, für Menschen sicher

and adaptable to unpredictable challenges.

und anpassungsfähig an unvorhersehbare Herausforderungen zu sein.

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

Wir haben gute Fortschritte mit Roboter-Gehirnen gemacht,

but their bodies are still primitive.

doch ihre Körper sind noch primitiv.

This is my daughter Nadia.

Das ist meine Tochter Nadia.

She's only five years old

Sie ist erst fünf Jahre alt

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

und kann schneller als HUBO aus dem Auto aussteigen.

(Laughter)

(Lachen)

She can also swing around on monkey bars with ease,

Sie schwingt mit Leichtigkeit am Klettergerüst,

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

viel besser als jeder derzeitige menschenähnliche Roboter.

In contrast to HUBO,

Im Gegensatz zu HUBO

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

nutzt der menschliche Körper ausgiebig weiche und formbare Materialien

such as muscle and skin.

wie Muskeln und Haut.

We need a new generation of robot bodies

Wir brauchen eine neue Generation von Roboter-Körpern,

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

die inspiriert von der Eleganz, Effizienz und den weichen Materialien

of the designs found in nature.

der natürlich vorkommenden Formen sind.

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

Tatsächlich ist das zur Kernidee eines neuen Forschungsgebiets geworden,

called soft robotics.

namens Soft Robotics.

My research group and collaborators around the world

Meine Forschungsgruppe und Partner aus der ganzen Welt

are using soft components inspired by muscle and skin

nutzen durch Muskeln und Haut angeregte weiche Komponenten,

to build robots with agility and dexterity

um Roboter zu bauen, die beweglich und geschickt sind,

that comes closer and closer

wobei sie immer weiter an die erstaunlichen Fähigkeiten

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

der natürlichen Organismen heranreichen.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

Mich inspirierten schon immer besonders biologische Muskeln

Now, that's not surprising.

Das ist nicht verwunderlich.

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

Ich bin auch Österreicher.

Ich weiß, dass ich wie Arnie, der Terminator, klinge.

(Laughter)

(Lachen)

Der biologische Muskel ist ein wahres Meisterwerk der Evolution.

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

It can heal after damage

Er kann nach einer Verletzung abheilen

and it's tightly integrated with sensory neurons

und ist eng mit Sinnesneuronen verflochten,

for feedback on motion and the environment.

um Feedback über Bewegung und Umwelt zu erhalten.

Er kann sich schnell genug zusammenziehen,

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

um die Hochgeschwindigkeitsflügel eines Kolibris anzutreiben;

of a hummingbird;

it can grow strong enough to move an elephant;

er kann stark genug werden, einen Elefanten zu bewegen;

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

er ist für die extrem beweglichen Arme eines Oktopus ausreichend flexibel.

of an octopus,

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

einem Tier, das seinen gesamten Körper durch winzige Löcher quetschen kann.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

Stellmotoren sind für Roboter das, was Muskeln für Tiere sind:

key components of the body

Schlüsselkomponenten des Körpers,

that enable movement and interaction with the world.

die Bewegung und Interaktion mit der Welt ermöglichen.

So if we could build soft actuators,

Könnte man also weiche Stellmotoren oder künstliche Muskeln bauen,

or artificial muscles,

that are as versatile, adaptable

die vielseitig, anpassungsfähig

und das gleiche Leistungsvermögen wie die echter Lebewesen haben,

and could have the same performance as the real thing,

we could build almost any type of robot

könnte man fast jede Art von Roboter für fast jede Einsatzart herstellen.

for almost any type of use.

Not surprisingly, people have tried for many decades

Es überrascht nicht, dass Menschen seit vielen Jahrzehnten versuchen,

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

die erstaunlichen Fähigkeiten von Muskeln nachzubilden,

but it's been really hard.

aber es war wirklich schwierig.

About 10 years ago,

Als ich vor circa 10 Jahren in Österreich promovierte,

when I did my PhD back in Austria,

my colleagues and I rediscovered

entdeckten wir wahrscheinlich eine der ersten Publikationen

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

über künstliche Muskeln wieder,

published in 1880.

die 1880 veröffentlicht wurde.

"Ueber die durch Electricität bewirkten Form- und Volumenänderungen

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

caused by electricity,"

von dielectrischen Körpern",

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

die vom deutschen Physiker Wilhelm Röntgen veröffentlicht wurde.

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

Die meisten von Ihnen kennen ihn als den Entdecker der Röntgenstrahlen.

Following his instructions, we used a pair of needles.

Gemäß seinen Anweisungen benutzten wir Nadeln.

We connected it to a high-voltage source,

Schlossen sie an eine Hochspannungsquelle an

and we placed it near a transparent piece of rubber

und platzierten sie nahe eines durchsichtigen Stück Gummi,

that was prestretched onto a plastic frame.

das wir auf einen Rahmen aus Kunststoff spannten.

When we switched on the voltage,

Als die Spannung angelegt wurde,

the rubber deformed,

verformte sich der Gummi,

and just like our biceps flexes our arm,

und genau wie unser Bizeps den Arm beugt,

the rubber flexed the plastic frame.

beugte der Gummi den Kunststoffrahmen.

It looks like magic.

Es sieht wie Magie aus.

The needles don't even touch the rubber.

Die Nadeln berühren das Gummi nicht mal.

Now, having two such needles is not a practical way

Künstliche Muskeln mit zwei Nadeln zu bewegen, ist nicht praktisch,

of operating artificial muscles,

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

aber dieses Experiment hat mich für das Thema begeistert.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

Ich wollte neue Wege schaffen zum Aufbau künstlicher Muskeln,

that would work well for real-world applications.

die in der echten Welt gut funktionieren würden.

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

In den folgenden Jahren arbeitete ich an verschiedenen Technologien,

that all showed promise,

die alle vielversprechend,

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

aber deren Herausforderungen schwer zu bewältigen waren.

In 2015,

Als ich im Jahr 2015 mein eigenes Labor an der CU Boulder gründete,

when I started my own lab at CU Boulder,

I wanted to try an entirely new idea.

wollte ich eine ganz neue Idee probieren.

I wanted to combine the high speed and efficiency

Ich wollte die hohe Geschwindigkeit und Effizienz von elektrischen Antrieben

of electrically driven actuators

mit der Universalität von weichen, fluidischen Stellantrieben kombinieren.

with the versatility of soft, fluidic actuators.

Therefore, I thought,

Deshalb dachte ich, ich könnte versuchen,

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

sehr altes Wissen auf neue Weise zu nutzen.

The diagram you see here

Das Diagramm, das man hier sieht,

shows an effect called Maxwell stress.

zeigt den Effekt der sogenannten Maxwellschen Spannung.

When you take two metal plates

Nimmt man zwei Metallplatten

and place them in a container filled with oil,

und legt sie in einen mit Öl gefüllten Behälter

and then switch on a voltage,

und schaltet eine Spannung ein,

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

drückt die Maxwellsche Spannung das Öl zwischen den beiden Platten nach oben.

and that's what you see here.

Das kann man hier sehen.

So the key idea was,

Der Kerngedanke war also:

can we use this effect to push around oil

Können wir diesen Effekt nutzen,

um Öl in weichen, dehnbaren Strukturen hin und her zu drücken?

contained in soft stretchy structures?

And indeed, this worked surprisingly well,

Das funktionierte tatsächlich überraschend gut,

quite honestly, much better than I expected.

ehrlich gesagt, viel besser als erwartet.

Together with my outstanding team of students,

Mit meinem exzellenten Studententeam

we used this idea as a starting point

nutzen wir diese Idee als Ausgangspunkt

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

für die Entwicklung der neuen Technologie der künstlichen HASEL-Muskeln.

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

HASELs sind sanft genug, um eine Himbeere aufzunehmen,

without damaging it.

ohne sie zu beschädigen.

They can expand and contract like real muscle.

Sie können sich wie echte Muskeln strecken und zusammenziehen.

And they can be operated faster than the real thing.

Sie arbeiten schneller als echte Muskeln

They can also be scaled up to deliver large forces.

und können vergrößert werden, um große Kräfte zu erzeugen.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

Hier sieht man, wie sie eine mit Wasser gefüllte Gallone anheben.

Man kann sie als Antrieb eines Roboterarms verwenden.

They can be used to drive a robotic arm,

and they can even self-sense their position.

Sie können sogar ihre Position selbst erkennen.

HASELs can be used for very precise movement,

Sehr präzise Bewegungen können durch HASELs ausgeführt werden,

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

aber sie können auch sehr fließende, muskelähnliche Bewegungen

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

und Kraftstöße ausführen, um einen Ball zu schießen.

When submerged in oil,

Werden HASELs in Öl getaucht,

HASEL artificial muscles can be made invisible.

können künstliche Muskeln unsichtbar gemacht werden.

So how do HASEL artificial muscles work?

Wie funktionieren die HASEL-Muskeln?

You might be surprised.

Sie werden vielleicht überrascht sein.

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

Sie basieren auf sehr günstigen und verfügbaren Materialien.

You can even try, and I recommend it,

Versuchen Sie, ich empfehle es sogar,

the main principle at home.

das Grundprinzip zu Hause auszuprobieren.

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

Man nimmt Schnellverschlussbeutel und füllt sie mit Olivenöl.

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

Die Luftblasen muss man möglichst herausdrücken.

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

Man nimmt eine Glasplatte und legt sie auf eine Seite des Beutels.

When you press down, you see the bag contract.

Drückt man runter, zieht sich der Beutel zusammen.

Now the amount of contraction is easy to control.

Die Stärke der Kontraktion ist leicht zu steuern.

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

Bei einem kleinen Gewicht erhält man eine kleine Kontraktion.

With a medium weight, we get a medium contraction.

Bei einem mittleren Gewicht erhält man eine mittlere Kontraktion.

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

Bei einem großen Gewicht erhält man eine große Kontraktion.

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

Bei den HASELs besteht die einzige Änderung darin, die Kraft der Hand

or the weight with an electrical force.

oder des Gewichts durch eine elektrische Kraft zu ersetzen.

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

HASEL steht für hydraulisch verstärkte, selbstheilende elektrostatische Aktuatoren

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

Hier sehen Sie die Beschaffenheit von Peano-HASEL-Stellantrieben,

one of many possible designs.

eine von vielen möglichen Ausführungen.

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

Auch hier nimmt man ein flexibles Polymer wie einen Schnellverschlussbeutel,

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

füllt ihn mit einer Isolierflüssigkeit wie etwa Olivenöl auf

and now, instead of the glass plate,

und bringt anstelle der Glasplatte,

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

einen elektrischen Leiter auf einer Seite des Beutels an.

To create something that looks more like a muscle fiber,

Um etwas zu erzeugen, das einer Muskelfaser ähnelt,

you can connect a few pouches together

verbindet man ein paar Beutel miteinander und bringt auf einer Seite ein Gewicht an.

and attached a weight on one side.

Next, we apply voltage.

Nun legen wir Spannung an.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

Das elektrische Feld beginnt auf die Flüssigkeit zu wirken.

It displaces the liquid,

Es verdrängt die Flüssigkeit

and it forces the muscle to contract.

und zwingt den Muskel zur Kontraktion.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

Hier sieht man einen fertigen Peano-HASEL-Aktuator

and how it expands and contracts when voltage is applied.

und wie er sich streckt und zusammenzieht, wenn Spannung angelegt wird.

Viewed from the side,

Von der Seite betrachtet, kann man wirklich erkennen,

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

wie die Säckchen, die Form eines Zylinders annehmen,

such as we saw with the Ziploc bags.

wie wir es bei den Beuteln gesehen haben.

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

Wir können einige solcher Muskelfasern nebeneinander platzieren,

to create something that looks even more like a muscle

um etwas zu erzeugen, das einem Muskel noch mehr ähnelt,

that also contracts and expands in cross section.

der sich auch im Querprofil zusammenzieht und ausdehnt.

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

Diese HASELs hier heben ein Gewicht, das etwa 200 Mal schwerer ist

than their own weight.

als ihr eigenes Gewicht.

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

Hier ist einer der neuesten Entwürfe, die Quadranten-Donut-HASELs,

and how they expand and contract.

die sich strecken und zusammenziehen.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

Sie arbeiten sehr schnell und erreichen übermenschliche Geschwindigkeiten.

They are even powerful enough to jump off the ground.

Sie sind sogar stark genug, um vom Boden zu springen.

(Laughter)

(Lachen)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

Die HASELs sind vielversprechend darin, die erste Technologie zu werden,

that matches or exceeds the performance of biological muscle

die die Leistung biologischer Muskeln erreicht oder übertrifft

while being compatible with large-scale manufacturing.

und mit der Massenproduktion gleichzeitig vereinbar ist.

Dies ist eine sehr junge Technologie.

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

Wir stehen erst am Anfang.

We have many ideas how to drastically improve performance,

Wir haben viele Ideen, wie man die Leistung drastisch verbessern kann,

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

indem neue Materialien und Konstruktionen verwendet werden,

um ein Leistungsniveau jenseits des biologischen Muskels

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

und üblicher Elektromotoren zu erreichen.

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

Für einen komplexeren Entwurf von HASELs für bio-inspirierte Robotik

here you see our artificial scorpion

steht hier unser künstlicher Skorpion,

that can use its tail to hunt prey,

der den Schwanz zur Jagd einsetzen kann,

in this case, a rubber balloon.

hier für einen Luftballoon.

(Laughter)

(Lachen)

Going back to our initial inspiration,

Zurück zum ursprünglichen Geistesblitz:

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

der Vielseitigkeit von Krakenarmen und Elefantenrüsseln.

we are now able to build soft continuum actuators

Wir können jetzt weiche, stufenlose Antriebe bauen,

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

die den Fähigkeiten des Originals immer näher kommen.

I am most excited about the practical applications

Ich bin sehr gespannt auf praktische Anwendungen

of HASEL artificial muscles.

der künstlichen HASEL-Muskeln.

They'll enable soft robotic devices

Sie ermöglichen weiche Roboter-Geräte, die die Lebensqualität verbessern können.

that can improve the quality of life.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

Soft Robotics macht für Menschen, die Körperteile verloren,

for people who have lost parts of their bodies.

eine neue Generation naturgetreuer Prothesen möglich.

Here you see some HASELs in my lab,

Hier sieht man einige HASELs,

early testing, driving a prosthetic finger.

wie sie in der frühen Testphase, eine Fingerprothese bewegen.

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

Vielleicht wird in Zukunft sogar unser Körper mit Roboter-Teilen verbunden.

I know that sounds very scary at first.

Das klingt anfangs sehr beängstigend.

But when I think about my grandparents

Aber wenn ich an meine Großeltern denke

and the way they become more dependent on others

und wie sie bei der Erledigung alltäglicher Aufgaben,

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

wie alleine die Toilette zu benutzen,

immer abhängiger von anderen wurden

they often feel like they're becoming a burden.

haben sie oft das Gefühl, dass sie zur Last werden.

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

Soft Robotics wird uns befähigen,

Beweglichkeit und Geschicklichkeit zu verbessern und wiederherzustellen

agility and dexterity,

and thereby help older people maintain autonomy

und so älteren Menschen für eine längere Lebensspanne helfen,

for longer parts of their lives.

ihre Selbstständigkeit zu erhalten.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

Vielleicht können wir das "Anti-Aging-Robotik" nennen

oder als eine nächste Stufe der menschlichen Evolution bezeichnen.

or even a next stage of human evolution.

Unlike their traditional rigid counterparts,

Im Vergleich zu üblichen starren Robotern

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

werden weiche Roboter gefahrlos in Menschennähe arbeiten

und Zuhause helfen können.

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

Soft Robotics ist ein sehr junges Gebiet.

Wir fangen gerade erst an.

I hope that many young people from many different backgrounds

Ich hoffe, viele junge Menschen mit unterschiedlichster Herkunft

join us on this exciting journey

schließen sich uns auf dieser aufregenden Reise an

and help shape the future of robotics

und gestalten die Zukunft der Robotik mit,

by introducing new concepts inspired by nature.

indem sie neue, von der Natur inspirierte Konzepte einführen.

If we do this right,

Wenn wir es richtig machen,

we can improve the quality of life

können wir für uns alle die Lebensqualität verbessern.

for all of us.

Thank you.

Vielen Dank.

(Applause)

(Applaus)