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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

번역: Min Chung 검토: Sojeong KIM

In 2015, 25 teams from around the world

2015년, 전 세계 25개 팀이

재난대응 로봇 경연대회에 참가했습니다.

competed to build robots for disaster response

that could perform a number of tasks,

여러 가지 작업을 수행할 수 있는 로봇으로

such as using a power tool,

전동 공구를 사용하거나

working on uneven terrain

고르지 않은 땅에서 작업하거나 이동할 수 있는지를 겨뤘습니다.

and driving a car.

That all sounds impressive, and it is,

대단하게 들리죠? 실제로도 그렇습니다.

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

당시 우승을 차지한 로봇 HUBO를 봅시다.

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

차에서 내리려고 하는 HUBO입니다.

and keep in mind,

참고로 말씀드리자면

the video is sped up three times.

이 영상은 3배속으로 재생된 것입니다.

(Laughter)

(웃음)

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

한국 KAIST가 만든 HUBO는 최첨단 로봇으로

with impressive capabilities,

엄청난 능력을 갖추고 있습니다.

but this body doesn't look all that different

그러나 외형은 수십 년 전부터 봐온 로봇들과 그리 다르지 않습니다.

from robots we've seen a few decades ago.

If you look at the other robots in the competition,

경진대회에서 선보인 다른 로봇들도

their movements also still look, well, very robotic.

마찬가지로 부자연스럽게 움직입니다.

Their bodies are complex mechanical structures

로봇 본체는 복잡한 기계 구조로

using rigid materials

단단한 재료로 구성되는데

such as metal and traditional rigid electric motors.

철제, 강성 전자모터 등을 사용해 만듭니다.

They certainly weren't designed

저비용도 아니고

to be low-cost, safe near people

사람 근처에서 작동하기에 안전하지도 않으며

and adaptable to unpredictable challenges.

예기치 못한 상황에 대한 대응능력도 떨어지죠.

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

로봇 지능에 있어 많은 성과가 있었지만

but their bodies are still primitive.

움직임은 예전과 다를 바 없습니다.

This is my daughter Nadia.

제 딸 나디아입니다.

She's only five years old

아직 다섯 살이지만

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

HUBO보다 훨씬 빨리 차에서 내릴 수 있습니다.

(Laughter)

(웃음)

She can also swing around on monkey bars with ease,

최신의 그 어떤 인간형 로봇보다 정글짐을 훨씬 잘 탈 수 있습니다.

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

In contrast to HUBO,

HUBO와는 다르게

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

인간은 변형이 쉽고 움직임이 부드러운 신체 부위를 자유자재로 사용합니다.

such as muscle and skin.

근육과 피부 같은 것들이죠.

We need a new generation of robot bodies

로봇의 몸체도 새롭게 바뀌어야 합니다.

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

자연에서 영감을 받아 정밀하고 효율적이며

부드러운 소재를 사용한 로봇 말이죠.

of the designs found in nature.

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

사실, 이 개념은 새로운 연구 분야인

소프트 로봇공학의 핵심 아이디어입니다.

called soft robotics.

My research group and collaborators around the world

우리 연구진과 전 세계 공동 연구자들은

are using soft components inspired by muscle and skin

부드러운 자재를 사용해 근육과 피부와 비슷하게

to build robots with agility and dexterity

민첩성과 유연성을 갖춘 로봇을 만들고 있습니다.

that comes closer and closer

로봇의 기능은 점점 더

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

인체가 갖는 놀라운 능력에 근접해 가고 있습니다.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

저는 생물학적 근육에서 영감을 받아왔습니다.

Now, that's not surprising.

이미 눈치채셨겠지만

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

저는 오스트리아인이고 영화 터미네이터 주인공 같은 말투죠.

(Laughter)

(웃음)

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

생물학적 근육은 진화의 진정한 걸작입니다.

It can heal after damage

근육은 손상 후에도 치유되고

and it's tightly integrated with sensory neurons

감각 신경세포와 밀접하게 결합하여

for feedback on motion and the environment.

동작과 주변 환경에 반응합니다.

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

벌새의 초고속 날갯짓만큼 빠르게 수축하고

of a hummingbird;

it can grow strong enough to move an elephant;

코끼리를 움직일 정도로 튼튼하게 늘어납니다.

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

적응력도 매우 뛰어납니다.

문어가 자유자재로 다리를 쓰듯이 말이죠.

of an octopus,

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

문어라는 동물은 작은 구멍 사이로 온몸을 밀어 넣을 수도 있습니다.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

로봇의 작동기는 동물의 근육과 같습니다.

신체의 주요 구성 요소로서

key components of the body

that enable movement and interaction with the world.

몸을 움직여 외부와 상호작용을 할 수 있도록 해주죠.

So if we could build soft actuators,

만약 유연한 작동기 또는 인공근육을 만들어서

or artificial muscles,

that are as versatile, adaptable

다양한 환경에 빠르게 적응하며

and could have the same performance as the real thing,

실제 동물처럼 움직일 수 있다면

we could build almost any type of robot

여러 목적의 다양한 형태를 갖는 로봇을 만들 수 있을 겁니다.

for almost any type of use.

Not surprisingly, people have tried for many decades

당연한 얘기지만

우리는 지난 수십 년을

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

근육 본연의 놀라운 능력을 모사하기 위해 노력 해왔습니다.

but it's been really hard.

하지만 굉장히 어려웠죠.

About 10 years ago,

약 10년 전에

when I did my PhD back in Austria,

오스트리아에서 박사과정을 밟던 중

my colleagues and I rediscovered

동료 연구진과 저는

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

인공 근육에 관한 세계 최초의 논문을 접하게 되었습니다.

1880년에 출간된 논문이었죠.

published in 1880.

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

"전기에 의한 유전체의 형상과 부피 변화에 관한 연구"라는 제목으로

caused by electricity,"

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐이 발표한 논문입니다.

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

X선 발견으로 잘 알려진 과학자죠.

Following his instructions, we used a pair of needles.

그가 제안한 방법대로 바늘 한 쌍을 사용했습니다.

We connected it to a high-voltage source,

바늘을 고압 전원에 연결하고

and we placed it near a transparent piece of rubber

플라스틱 프레임에 미리 걸어둔 투명 고무 옆에 그것을 배치했습니다.

that was prestretched onto a plastic frame.

When we switched on the voltage,

전원을 켜자

the rubber deformed,

고무가 변형되면서

and just like our biceps flexes our arm,

우리가 이두박근으로 팔을 움직이듯이

the rubber flexed the plastic frame.

고무가 플라스틱 틀을 움직였습니다.

마치 마법 같았습니다.

It looks like magic.

The needles don't even touch the rubber.

바늘이 고무에 닿지도 않았거든요.

Now, having two such needles is not a practical way

그렇게 바늘을 이용하는 것이

인공 근육을 움직이는 실용적인 방법은 아닐지라도

of operating artificial muscles,

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

이 실험으로 저는 인공근육에 큰 관심을 두게 되었습니다.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

실생활에 적용할 수 있는 인공근육을 만드는

that would work well for real-world applications.

새로운 방법을 찾아내고 싶었습니다.

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

그 후 몇 년간 여러 기술을 시도했습니다.

that all showed promise,

모두 성공의 조짐을 보였지만

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

여전히 극복하기 어려운 과제들이 남아있었죠.

In 2015,

2015년에 콜로라도 볼더 대학에서 연구실을 마련했습니다.

when I started my own lab at CU Boulder,

I wanted to try an entirely new idea.

완전히 새로운 아이디어를 시도하고 싶어졌죠.

I wanted to combine the high speed and efficiency

전기 구동식 작동기의 빠른 속도와 효율성을

of electrically driven actuators

유연한 유압 작동기의 다양한 기능과 결합하고 싶었죠.

with the versatility of soft, fluidic actuators.

Therefore, I thought,

이런 생각을 했어요.

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

이미 알고 있던 과학을 새로운 방식으로 이용해보자.

The diagram you see here

보고 계신 그림은

shows an effect called Maxwell stress.

맥스웰의 응력 효과를 설명하는 것인데요.

When you take two metal plates

금속판 두 개를

and place them in a container filled with oil,

기름을 가득 채운 용기에 넣고

and then switch on a voltage,

전압을 켜면

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

맥스웰 응력이 기름을 두 금속판 사이로 밀어 넣습니다.

and that's what you see here.

이 그림처럼요.

So the key idea was,

핵심 아이디어는

can we use this effect to push around oil

이 효과를 이용해서

부드러운 구조물에도 유압을 넣을 수 있느냐는 것이었습니다.

contained in soft stretchy structures?

And indeed, this worked surprisingly well,

실제로 놀랍게도 효과가 있었죠.

quite honestly, much better than I expected.

예상을 뛰어넘은 좋은 결과였습니다.

Together with my outstanding team of students,

뛰어난 연구생들과 함께

we used this idea as a starting point

저는 이 아이디어를 출발점으로 삼아

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

HASEL 인공 근육이라는 신기술을 개발했습니다.

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

HASEL은 매우 섬세하여 산딸기를 상처 없이 주울 수 있습니다.

without damaging it.

They can expand and contract like real muscle.

실제 근육처럼 팽창하고 수축할 수 있고

And they can be operated faster than the real thing.

실제 근육보다 더 빨리 움직입니다.

They can also be scaled up to deliver large forces.

큰 힘을 전달하기 위해 크기를 늘릴 수도 있고요.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

4.5리터의 물통을 드는 모습입니다.

They can be used to drive a robotic arm,

로봇 팔을 움직이기도 하고

and they can even self-sense their position.

심지어 자기 위치를 스스로 감지할 수도 있죠.

HASELs can be used for very precise movement,

HASEL은 정밀함을 요구하는 동작을 수행할 수 있습니다.

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

실제 근육같이 유동적으로 움직이고

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

공중으로 공을 쏘아 올릴 정도의 힘도 가지고 있죠.

When submerged in oil,

기름에 잠기면

HASEL artificial muscles can be made invisible.

HASEL은 보이지 않도록 만들어졌습니다.

So how do HASEL artificial muscles work?

그렇다면 HASEL은 어떻게 작동하는 걸까요?

You might be surprised.

놀라실지도 모르겠는데요.

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

쉽게 구할 수 있는 저렴한 재료가 사용되었습니다.

You can even try, and I recommend it,

집에서도 각자 한번 해보시길 추천합니다.

the main principle at home.

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

지퍼백 몇 개를 꺼내 그 안에 올리브유를 가득 채웁니다.

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

내부의 공기는 최대한 없애고요.

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

이제 유리판 하나를 지퍼백 한쪽 위에 올려놓습니다.

When you press down, you see the bag contract.

누르면 지퍼백이 수축하는 것을 볼 수 있습니다.

Now the amount of contraction is easy to control.

힘은 조절하기 쉽습니다.

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

아주 조금 힘을 줘 누르면 조금 수축합니다.

With a medium weight, we get a medium contraction.

중간 정도 힘을 주면 힘을 준 만큼 수축하고요.

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

무거운 무게로 누르면 많이 수축합니다.

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

HASEL은 여기에서 손이나 무게를 이용해 누르는 대신

or the weight with an electrical force.

전기력을 사용합니다.

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

HASEL은 "유압 증폭식 자가 회복 정전식 작동기"의 약자입니다.

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

이 그림은 '페아노 HASEL 작동기'입니다.

one of many possible designs.

수많은 예상 설계도 중 하나입니다.

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

다시 돌아가서 지퍼백과 같은 유연한 중합체를

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

올리브유 같은 절연액체로 채우고

and now, instead of the glass plate,

아까 놓았던 유리판 대신

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

전기 도체를 지퍼백의 한쪽 위에 올립니다.

To create something that looks more like a muscle fiber,

실제 근육처럼 보이게 하기 위해선

you can connect a few pouches together

지퍼백 여러 개를 연결한 다음

and attached a weight on one side.

무거운 것을 한쪽 위에 올리면 됩니다.

Next, we apply voltage.

이제 전압을 켭니다.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

전기가 액체에 작용하기 시작할 겁니다.

It displaces the liquid,

그러면 액체를 이동시키고

and it forces the muscle to contract.

근육을 수축시킵니다.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

페아노 HASEL 작동기에 전력을 가했을 때

and how it expands and contracts when voltage is applied.

팽창하고 수축하는 모습입니다.

Viewed from the side,

옆에서 보면

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

주머니가 거의 원통형을 띄는 걸 볼 수 있습니다.

such as we saw with the Ziploc bags.

지퍼백으로 실험을 했을 때 처럼요.

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

저런 근육 모델 여러 개를 놓으면

to create something that looks even more like a muscle

실제 근육과 더욱 유사합니다.

단면에서도 수축과 팽창을 확인할 수 있죠.

that also contracts and expands in cross section.

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

이 HASEL 작동기들은

자기 무게보다 200배나 더 무거운 추를 들어 올립니다.

than their own weight.

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

새로운 디자인 중 하나인 사분면 도넛 HASEL입니다.

and how they expand and contract.

수축과 팽창하는 걸 보고 계신데요.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

초인적인 속도로 빠르게 작동될 수 있습니다.

They are even powerful enough to jump off the ground.

아래위로 튈 정도로 힘이 세지요.

(Laughter)

(웃음)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

HASEL은 생물학적 근육에 비견하거나 그 이상으로

that matches or exceeds the performance of biological muscle

발전할 수 있고 동시에 대량 제조가 가능한

while being compatible with large-scale manufacturing.

최초의 기술이 될 가능성이 있습니다.

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

이제 막 연구를 시작한 신생단계의 기술이기도 합니다.

We have many ideas how to drastically improve performance,

앞으로 성능을 향상시킬 아이디어가 무궁무진하죠.

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

새로운 도구들과 디자인을 이용하여

생물학적 근육과 전통적 전동 모터를 능가할 수도 있습니다.

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

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

자연에서 영감을 받아 설계된 더욱 복잡한 형태의 로봇들을 봅시다.

here you see our artificial scorpion

이것은 인공 전갈인데요

that can use its tail to hunt prey,

꼬리로 먹잇감을 사냥합니다.

in this case, a rubber balloon.

여기에선 먹잇감이 고무풍선이군요.

(Laughter)

(웃음)

Going back to our initial inspiration,

처음으로 돌아가 봅시다.

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

문어 다리와 코끼리 코의 다용도성을 다시 한번 생각해봅시다.

we are now able to build soft continuum actuators

우리는 체내 근육과 더욱 유사한

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

연속체형 작동기를 만들 수 있게 됐습니다.

I am most excited about the practical applications

HASEL 인공 근육에 가장 기대하는 부분은

of HASEL artificial muscles.

바로 실생활 응용입니다.

They'll enable soft robotic devices

이 인공 근육 기술은

that can improve the quality of life.

생활의 질을 높일 겁니다.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

소프트 로봇공학은

신체 일부를 잃은 사람들에게 신체와 가까운 인공장치를

for people who have lost parts of their bodies.

만들어 줄 수 있습니다.

Here you see some HASELs in my lab,

제 실험실에 있는 HASEL입니다.

early testing, driving a prosthetic finger.

조기 테스트 중인 보철 손가락입니다.

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

미래에는 로봇의 부품을 신체에 결합하게 될지도 몰라요.

I know that sounds very scary at first.

지금으로선 정말 무서운 소리로 들리죠.

But when I think about my grandparents

하지만 제 조부모님을 생각해볼까요.

and the way they become more dependent on others

스스로 화장실을 가는 일상적인 행동조차

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

남의 도움이 필요해지는 상황 때문에

they often feel like they're becoming a burden.

그들은 종종 자신을 짐이라고 생각합니다.

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

소프트 로봇공학을 통해

민첩성과 유연성을 되찾고 향상시킬 수 있습니다.

agility and dexterity,

and thereby help older people maintain autonomy

이를 통해 노년층은 자율성을 유지하며

for longer parts of their lives.

노년기를 보낼 수 있습니다.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

"노화 방지를 위한 로봇공학"이라고 할 수도 있을 테고

or even a next stage of human evolution.

인류 진화의 다음 단계라고도 할 수 있을 것입니다.

Unlike their traditional rigid counterparts,

기존의 딱딱한 로봇들과는 달리

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

실제 생명체처럼 부드러운 이 로봇은

생활 가까이에서 안전하게 사람을 도울 수 있어요.

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

소프트 로봇공학은 이제 막 시작한 새로운 영역입니다.

I hope that many young people from many different backgrounds

저는 다른 배경을 가진 많은 젊은이들이

join us on this exciting journey

이 흥미로운 여정을 우리와 함께 걸으며

and help shape the future of robotics

새로운 아이디어를 도입하고

by introducing new concepts inspired by nature.

로봇공학의 미래를 만들어가길 바랍니다.

If we do this right,

우리가 제대로 해낸다면

we can improve the quality of life

모든 이의 삶의 질을 높일 수 있습니다.

for all of us.

Thank you.

감사합니다.

(Applause)

(박수)