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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

Translator: Pedram Pourasgari Reviewer: Leila Ataei

In 2015, 25 teams from around the world

در سال ۲۰۱۵، ۲۵ تیم از سرتاسر جهان

competed to build robots for disaster response

برای ساختن ربات‌هایی برای مواجهه با بلایای طبیعی با هم رقابت کردند

that could perform a number of tasks,

که قادر به انجام شماری وظایف بودند،

such as using a power tool,

مانند استفاده از ابزارهای برقی،

working on uneven terrain

کار بر روی سطوح ناهموار

and driving a car.

و راندن خودرو.

That all sounds impressive, and it is,

همه این‌ها قابل توجه به نظر می‌رسند و هستند،

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

اما به بدنه‌ی ربات برنده، هوبو نگاه کنید.

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

این‌جا هوبو تلاش می‌کند از یک خودرو پیاده شود،

and keep in mind,

و به یاد داشته باشید،

the video is sped up three times.

سرعت این ویدئو سه برابر شده است.

(Laughter)

(خنده)

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

هوبو از تیم کایست از کُره، یک ربات پیشرفته

with impressive capabilities,

با توانمندی‌های قابل توجه است،

but this body doesn't look all that different

ولی این ربات چندان متفاوت

from robots we've seen a few decades ago.

از ربات‌های چند دهه پیش به نظر نمی‌رسد.

If you look at the other robots in the competition,

اگر به سایر ربات‌های حاضر در مسابقه نگاه کنید،

their movements also still look, well, very robotic.

حرکات آن‌ها نیز بسیار رباتیک به نظر می‌رسد.

Their bodies are complex mechanical structures

بدنه‌ی آن‌ها، سازه‌های مکانیکی پیچیده

using rigid materials

ساخته‌شده از مواد سخت

such as metal and traditional rigid electric motors.

مانند فلز و موتورهای الکترونیکی سخت مرسوم هستند.

They certainly weren't designed

آن‌ها قطعا طراحی نشده‌اند

to be low-cost, safe near people

که کم‌هزینه، بی‌خطر

and adaptable to unpredictable challenges.

و قابل انطباق با چالش‌های پیش‌بینی نشده باشند.

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

ما پیشرفت‌هایی خوبی در رابطه با مغزهای ربات‌ها داشته‌ایم،

but their bodies are still primitive.

اما بدنه‌های آن‌ها همچنان اولیه هستند.

This is my daughter Nadia.

این نادیا دختر من است.

She's only five years old

او تنها پنج سال دارد

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

و می‌تواند بسیار سریع‌تر از هوبو از خودرو پیاده شود.

(Laughter)

(خنده)

She can also swing around on monkey bars with ease,

او همچنین می‌تواند به راحتی از این میله‌ها آویزان شود،

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

بسیار بهتر از تمام ربات‌های انسان‌نمای موجود.

In contrast to HUBO,

بر خلاف هوبو،

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

بدن انسان به میزان زیادی از مواد نرم و تغییرپذیر

such as muscle and skin.

مانند ماهیچه و پوست استفاده می‌کند.

We need a new generation of robot bodies

ما به نسل جدیدی از بدنه‌های ربات‌ها نیاز داریم

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

که از ظرافت، کارایی و مواد نرمی الهام گرفته است

of the designs found in nature.

که در طرح‌های طبیعی یافت می‌شوند.

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

و البته، این به ایده‌ی کلیدی حوزه‌ی جدیدی از تحقیقات تبدیل شد

called soft robotics.

که رباتیک نرم نامیده می‌شود.

My research group and collaborators around the world

گروه تحقیقاتی من و همکارانی از سراسر جهان

are using soft components inspired by muscle and skin

در حال استفاده از قطعات نرمی هستند که از ماهیچه و پوست الهام گرفته‌اند

to build robots with agility and dexterity

تا ربات‌هایی با چابکی و مهارت بسازند

that comes closer and closer

که نزدیک و نزدیک‌تر می‌شود

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

به توانمندی‌های شگفت‌آور اندام‌هایی که در طبیعت یافت می‌شوند.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

ماهیچه‌های زیستی به طور خاص همیشه الهام‌بخش من بوده‌اند.

Now, that's not surprising.

خب، غافلگیرکننده نیست.

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

همچنین اتریشی‌ام و می‌دانم صدایم کمی شبیه آرنولد، در ترمیناتور است.

(Laughter)

(خنده)

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

ماهیچه زیستی، یک شاهکار واقعی تکامل است.

It can heal after damage

می‌تواند پس از آسیب، ترمیم شود

and it's tightly integrated with sensory neurons

و به شدت با نورون‌های حسی یکپارچه شده است

for feedback on motion and the environment.

تا در حرکت از محیط بازخورد بگیرد.

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

می‌تواند با سرعت کافی منقبض شود تا به بال‌های پرسرعت

of a hummingbird;

مرغ مگس‌خوار نیرو دهد؛

it can grow strong enough to move an elephant;

می‌تواند به اندازه کافی قوی شود تا یک فیل را حرکت دهد؛

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

و به قدر کافی انطباق‌پذیر است که در بازوهای چندکاره

of an octopus,

اختاپوس استفاده شود،

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

حیوانی که می‌تواند تمام بدنش را فشرده کند و از سوراخ‌های کوچک رد شود.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

عملگرهای ربات‌ها، همان ماهیچه‌های حیوانات هستند:

key components of the body

اجزای کلیدی بدن

that enable movement and interaction with the world.

که حرکت و تعامل با جهان را امکان‌پذیر می‌کنند.

So if we could build soft actuators,

پس اگر بتوانیم عملگرهای نرم بسازیم،

or artificial muscles,

یا ماهیچه‌های مصنوعی،

that are as versatile, adaptable

که چندکاره، انطباق‌پذیر

and could have the same performance as the real thing,

و دارای عملکرد مشابه با نمونه‌های واقعی باشند،

we could build almost any type of robot

می‌توانیم تقریباً هر نوع رباتی

for almost any type of use.

برای تقریباً هر استفاده‌ای بسازیم.

Not surprisingly, people have tried for many decades

تعجب‌آور نیست که چند دهه تلاش شده

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

که توانمندی‌های شگفت‌آور ماهیچه تکرار شود،

but it's been really hard.

اما این کار بسیار سخت بوده است.

About 10 years ago,

حدود ۱۰ سال پیش،

when I did my PhD back in Austria,

وقتی در اتریش دکتری خواندم،

my colleagues and I rediscovered

من و همکارانم چیزی را پیدا کردیم

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

که احتمالاً یکی از نخستین مقالات در مورد ماهیچه مصنوعی بود

published in 1880.

که در سال ۱۸۸۰ چاپ شده بود.

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

《در مورد شکل و میزان تغییرات بدنه‌های دی‌الکتریک

caused by electricity,"

ناشی از الکتریسیته》》

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

انتشار یافته توسط فیزیکدان آلمانی ویلهم رانتگن.

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

بیشتر شما او را به عنوان کاشف اشعه ایکس می‌شناسید.

Following his instructions, we used a pair of needles.

با پیروی از دستورالعمل‌های او، ما از یک جفت سوزن استفاده کردیم.

We connected it to a high-voltage source,

آن را به منبع ولتاژ بالا متصل کردیم،

and we placed it near a transparent piece of rubber

و کنار قطعه‌ی شفاف لاستیکی قرار دادیم

that was prestretched onto a plastic frame.

که روی قابی پلاستیکی کشیده شده بود.

When we switched on the voltage,

وقتی ولتاژ را برقرار کردیم،

the rubber deformed,

لاستیک تغییر شکل یافت،

and just like our biceps flexes our arm,

و درست مانند ماهیچه‌های دوسر که بازوهایمان را خم می‌کنند،

the rubber flexed the plastic frame.

لاستیک قاب پلاستیکی را خم کرد.

It looks like magic.

شبیه به جادو است.

The needles don't even touch the rubber.

سوزن‌ها حتی لاستیک را لمس نمی‌کنند.

Now, having two such needles is not a practical way

حالا، استفاده از دو سوزن، یک راه عملی

of operating artificial muscles,

برای کار با ماهیچه‌های مصنوعی نیست،

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

اما این آزمایش شگفت‌انگیز من را به این موضوع علاقه‌مند کرد.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

من می‌خواستم راه‌های جدیدی برای ساخت ماهیچه‌های مصنوعی خلق کنم

that would work well for real-world applications.

که برای کاربردهای واقعی، خوب کار کنند.

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

در سال‌های بعد، من بر روی فناوری‌های متفاوتی کار کردم

that all showed promise,

که همگی نویدبخش بودند

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

اما همچنان چالش‌هایی داشتند که غلبه بر آن‌ها دشوار بود.

In 2015,

در سال ۲۰۱۵،

when I started my own lab at CU Boulder,

وقتی آزمایشگاه خودم را در دانشگاه کلرادو بولدر تأسیس کردم،

I wanted to try an entirely new idea.

می‌خواستم یک ایده‌ی کاملاً جدید را امتحان کنم.

I wanted to combine the high speed and efficiency

می‌خواستم سرعت بالا و کارایی

of electrically driven actuators

عملگرهای الکتریکی را

with the versatility of soft, fluidic actuators.

با تطبیق‌پذیری عملگرهای نرم و سیال ترکیب کنم.

Therefore, I thought,

بنابراین، فکر کردم

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

شاید بتوانم از علم خیلی قدیمی در یک راه جدید استفاده کنم.

The diagram you see here

شکلی که می‌بینید

shows an effect called Maxwell stress.

اثری را نشان می‌دهد که تنش ماکسول نام دارد.

When you take two metal plates

وقتی دو صفحه‌ی فلزی را

and place them in a container filled with oil,

در یک مخزن روغن قرار می‌دهید،

and then switch on a voltage,

و سپس ولتاژ را برقرار می‌کنید،

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

تنش ماکسول، روغن را به سمت بالای بین دو صفحه می‌راند،

and that's what you see here.

و این چیزی است که می‌بینید.

So the key idea was,

پس ایده‌ی اصلی این بود که

can we use this effect to push around oil

آیا می‌توانیم از این اثر برای فشار دادن روغنِ

contained in soft stretchy structures?

موجود در سازه‌های کشش نرم استفاده کنیم؟

And indeed, this worked surprisingly well,

و البته، به طرز شگفت‌آوری خوب عمل کرد،

quite honestly, much better than I expected.

صادقانه بگویم، بسیار بهتر از آنچه انتظار داشتم.

Together with my outstanding team of students,

به همراه گروه عالی دانشجویانم،

we used this idea as a starting point

از این ایده به عنوان نقطه شروع استفاده کردیم

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

تا فناوری جدیدی به نام ماهیچه‌های مصنوعی هِیزِل توسعه دهیم.

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

هیزل‌ها به اندازه کافی ظریف هستند که یک تمشک را بردارند

without damaging it.

بدون این که به آن آسیب برسانند.

They can expand and contract like real muscle.

می‌توانند مانند ماهیچه‌ی واقعی، منبسط و منقبض شوند.

And they can be operated faster than the real thing.

و می‌توانند بسیار سریع‌تر از نمونه‌ی واقعی عمل کنند.

They can also be scaled up to deliver large forces.

همچنین می‌توانند بزرگ شوند تا نیروهای بزرگی را انتقال دهند.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

اینجا آن‌ها را می‌بینید که یک بشکه پر از آب را بلند می‌کنند.

They can be used to drive a robotic arm,

همچنین می‌توانند برای حرکت دادن یک بازوی رباتیک استفاده شوند،

and they can even self-sense their position.

حتی می‌توانند موقعیت خودشان را حس کنند.

HASELs can be used for very precise movement,

هیزل‌ها می‌توانند برای حرکات بسیار دقیق استفاده شوند،

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

اما توانایی انتقال حرکات سیال و ماهیچه مانند

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

و انفجار قدرت برای شوت کردن یک توپ به هوا را نیز دارند.

When submerged in oil,

با غرق شدن در روغن،

HASEL artificial muscles can be made invisible.

ماهیچه‌های مصنوعی هیزل می‌توانند نامرئی شوند.

So how do HASEL artificial muscles work?

پس ماهیچه‌های مصنوعی هیزل چگونه کار می‌کنند؟

You might be surprised.

شاید غافلگیر شوید.

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

آن‌ها از مواد ارزان و در دسترس ساخته می‌شوند.

You can even try, and I recommend it,

می‌توانید امتحان کنید و پیشنهاد می‌کنم

the main principle at home.

اصل اولیه را در خانه امتحان کنید.

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

چند پاکت زیپ‌دار را با روغن زیتون پر کنید.

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

سعی کنید هر چقدر می‌توانید حباب‌های هوا را خارج کنید.

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

حالا یک بشقاب شیشه‌ای را بر روی یک سطح پاکت قرار دارید.

When you press down, you see the bag contract.

وقتی که آن را فشار می‌دهید، پاکت منقبض می‌شود.

Now the amount of contraction is easy to control.

حالا مقدار انقباض، قابل کنترل است.

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

وقتی وزن کمی وارد می‌کنید، کمی منقبض می‌شود.

With a medium weight, we get a medium contraction.

با وزن متوسط، انقباض متوسط داریم.

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

و با وزن زیاد، انقباض زیاد داریم.

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

حالا برای هیزل‌ها، تنها تفاوت این است که نیروی دست شما

or the weight with an electrical force.

یا وزن، با یک نیروی الکتریکی جایگزین می‌شود.

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

هیزل مخففِ "عملگرهای الکترواستاتیک خودترمیم‌شونده تقویت‌شده هیدرولیکی" است.

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

اینجا یک طرح هندسی را به نام عملگرهای پئانو-هیزل می‌بینید،

one of many possible designs.

یکی از چندین طرح ممکن.

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

دوباره، یک پلیمر انعطاف‌پذیر مانند پاکت زیپ‌دار برمی‌دارید،

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

آن را با یک مایع عایق مانند روغن زیتون پر می‌کنید،

and now, instead of the glass plate,

و حالا، به جای بشقاب شیشه‌ای،

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

یک هادی الکتریسیته را روی یک طرف کیسه قرار می‌دهید.

To create something that looks more like a muscle fiber,

برای ساختن چیزی که بیشتر شبیه به بافت ماهیچه به نظر برسد،

you can connect a few pouches together

می‌توانید چند کیسه را به هم متصل کنید

and attached a weight on one side.

و وزنه‌ای را به یک طرف متصل کنید.

Next, we apply voltage.

بعد، ولتاژ را اعمال می‌کنیم.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

حالا یک میدان الکتریکی روی مایع عمل می‌کند.

It displaces the liquid,

مایع را جابجا می‌کند،

and it forces the muscle to contract.

و به ماهیچه نیرو می‌دهد تا منقبض شود.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

اینجا یک عملگر پئانو-هیزل تکمیل‌شده را می‌بینید

and how it expands and contracts when voltage is applied.

و این که چگونه با اعمال ولتاژ، منبسط و منقبض می‌شود.

Viewed from the side,

اگر از یک طرف به آن نگاه کنید،

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

می‌توانید ببینید که آن کیسه‌ها شکل استوانه‌ای به خود گرفته‌اند،

such as we saw with the Ziploc bags.

همان چیزی که با پاکت‌های زیپ‌دار دیده بودیم.

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

همچنین می‌توانیم بافت‌های ماهیچه‌ای بیشتری را کنار هم قرار دهیم

to create something that looks even more like a muscle

تا چیزی بسازیم که بیشتر شبیه به یک ماهیچه به نظر برسد

that also contracts and expands in cross section.

که آن هم در مقاطعی، منبسط و منقبض می‌شود.

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

این هیزل‌ها، وزنی را بلند می‌کنند که ۲۰۰ برابر سنگین‌تر

than their own weight.

از وزن خودشان است.

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

اینجا یکی از جدیدترین طرح‌هایمان را می‌بینید که هیزل‌های رُبع دونات نام دارد

and how they expand and contract.

و این که چگونه منبسط و منقبض می‌شوند.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

آن‌ها می‌توانند بسیار سریع عمل کنند و به سرعت‌های فراانسانی برسند.

They are even powerful enough to jump off the ground.

حتی اینقدر قوی هستند که می‌توانند بپرند.

(Laughter)

(خنده)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

در مجموع، هیزل‌ها این نوید را می‌دهند که به اولین فناوری بدل شوند

that matches or exceeds the performance of biological muscle

که برابر یا فراتر از عملکرد ماهیچه‌های زیستی هستند

while being compatible with large-scale manufacturing.

در حالی که امکان تولید انبوه را نیز دارند.

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

البته فناوری بسیار جوانی است. ما تازه داریم شروع می‌کنیم.

We have many ideas how to drastically improve performance,

ایده‌های زیادی داریم برای این که چگونه عملکرد را به شدت بهبود دهیم،

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

با استفاده از مواد جدید و طراحی‌های جدید تا به سطحی از عملکرد برسیم

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

که فراتر از ماهیچه‌های زیستی و همچنین فراتر از موتورهای الکتریکی سخت سنتی باشد.

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

در حرکت به سمت طراحی‌های پیچیده‌تری برای هیزل الهام‌گرفته از زیست،

here you see our artificial scorpion

اینجا عقرب مصنوعی ما را می‌بینید

that can use its tail to hunt prey,

که می‌تواند از دُم خود برای شکار طعمه استفاده کند،

in this case, a rubber balloon.

که در این مورد، یک بالن لاستیکی است.

(Laughter)

(خنده)

Going back to our initial inspiration,

با بازگشت به الهام اولیه‌مان،

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

انطباق‌پذیری بازوهای اختاپوس و بدن فیل،

we are now able to build soft continuum actuators

حالا قادریم عملگرهای نرم پیوسته‌ای بسازیم

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

که به توانمندی‌های اعضای واقعی، نزدیک و نزدیک‌تر می‌شوند.

I am most excited about the practical applications

من خیلی هیجان‌زده‌ام برای کاربردهای عملی

of HASEL artificial muscles.

ماهیچه‌های مصنوعی هیزل.

They'll enable soft robotic devices

آن‌ها دستگاه‌های رباتیک نرم را قادر می‌سازند

that can improve the quality of life.

که بتوانند کیفیت زندگی را بهتر کنند.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

رباتیک نرم، نسل جدیدی از اعضای مصنوعی شبیه به واقعیت را تحقق می‌بخشد

for people who have lost parts of their bodies.

برای افرادی که اعضای بدن خود را از دست داده‌اند.

Here you see some HASELs in my lab,

اینجا چند هیزل را در آزمایشگاه من می‌بینید،

early testing, driving a prosthetic finger.

آزمایش اولیه حرکت یک انگشت مصنوعی.

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

یک روز شاید حتی بدن‌هایمان را با اعضای رباتیک ادغام کنیم.

I know that sounds very scary at first.

می‌دانم که در نگاه اول خیلی ترسناک به نظر می‌رسد.

But when I think about my grandparents

اما وقتی به پدربزرگ‌ها و مادربزرگ‌هایمان فکر می‌کنم.

and the way they become more dependent on others

و طوری که بیشتر به دیگران وابسته می‌شوند

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

تا کارهای روزمره ساده مانند دستشویی رفتن را انجام دهند،

they often feel like they're becoming a burden.

اغلب فکر می‌کنند که به یک سربار تبدیل می‌شوند.

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

با رباتیک نرم، ما قادر به ارتقاء و بازیابی

agility and dexterity,

چابکی و مهارت خواهیم بود،

and thereby help older people maintain autonomy

و به این ترتیب به افراد مسن‌تر کمک کنیم استقلال خود را

for longer parts of their lives.

در مدت بیشتری از زندگی حفظ کنند.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

شاید بتوانیم آن را "رباتیک و ضدپیری" بنامیم

or even a next stage of human evolution.

یا حتی مرحله بعدی از تکامل انسان.

Unlike their traditional rigid counterparts,

بر خلاف همتایان سنتی سخت خود،

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

ربات‌های شبه‌واقعی نرم، به شکل امن کنار مردم عمل کرده و به ما در خانه کمک می‌کنند.

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

رباتیک نرم حوزه بسیار جوانی است. ما تازه داریم شروع می‌کنیم.

I hope that many young people from many different backgrounds

امیدوارم بسیاری از جوانان با سوابق مختلف

join us on this exciting journey

به ما در این سفر جذاب ملحق شوند

and help shape the future of robotics

و به ایجاد آینده‌ای از رباتیک

by introducing new concepts inspired by nature.

با معرفی مفاهیم جدید الهام‌گرفته از طبیعت کمک کنند.

If we do this right,

اگر این کار را درست انجام دهیم،

we can improve the quality of life

می‌توانیم کیفیت زندگی را

for all of us.

برای همه بهتر کنیم.

Thank you.

سپاسگزارم.

(Applause)

(تشویق)