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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

Vertaald door: Esther van Driel Nagekeken door: Peter van de Ven

In 2015, 25 teams from around the world

In 2015 streden 25 teams van over de hele wereld tegen elkaar

competed to build robots for disaster response

om een robot te bouwen voor noodhulp

that could perform a number of tasks,

die een aantal taken kon uitvoeren,

such as using a power tool,

zoals gebruiken van gereedschap,

working on uneven terrain

werken op ongelijk terrein

and driving a car.

en autorijden.

That all sounds impressive, and it is,

Dat klinkt indrukwekkend en dat is het ook.

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

Kijk eens naar het lichaam van de winnende robot, HUBO.

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

Hier probeert HUBO uit een auto te stappen.

and keep in mind,

Hou wel in gedachten

the video is sped up three times.

dat de video drie keer versneld is.

(Laughter)

(Gelach)

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

HUBO, van team KAIST uit Korea, is een geavanceerde robot

with impressive capabilities,

met indrukwekkende vaardigheden,

but this body doesn't look all that different

maar het lijf ziet er niet heel anders uit

from robots we've seen a few decades ago.

dan dat van robots van tientallen jaren geleden.

If you look at the other robots in the competition,

Als je de andere robots in de wedstrijd bekijkt,

zie je dat hun bewegingen nog steeds robotachtig zijn.

their movements also still look, well, very robotic.

Their bodies are complex mechanical structures

Het zijn complexe mechanische constructies

using rigid materials

van stugge materialen

zoals metaal en traditionele stugge elektrische motoren.

such as metal and traditional rigid electric motors.

They certainly weren't designed

Ze zijn zeker niet ontworpen

to be low-cost, safe near people

om goedkoop te zijn, veilig in de buurt van mensen

and adaptable to unpredictable challenges.

en zich aan te passen aan onvoorspelbare uitdagingen.

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

We hebben vooruitgang geboekt met de hersenen van robots,

but their bodies are still primitive.

maar hun lichamen zijn nog primitief.

This is my daughter Nadia.

Dit is mijn dochter Nadia.

She's only five years old

Ze is nog maar vijf jaar oud

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

en ze kan veel sneller uit de auto stappen dan HUBO.

(Laughter)

(Gelach)

She can also swing around on monkey bars with ease,

Ze kan ook gemakkelijk op het klimrek spelen,

veel beter dan elke moderne mensachtige robot.

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

In contrast to HUBO,

In tegenstelling tot HUBO

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

maakt het menselijk lichaam veel gebruik van zachte en vervormbare materialen,

such as muscle and skin.

zoals spieren en huid.

We need a new generation of robot bodies

We hebben een nieuwe generatie robotlichamen nodig,

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

geïnspireerd door de elegantie, efficiëntie en zachte materialen

of the designs found in nature.

van de ontwerpen van de natuur.

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

Dit is het basisconcept van een nieuw onderzoeksgebied

called soft robotics.

genaamd zachte robotica.

My research group and collaborators around the world

Mijn onderzoeksgroep en medewerkers van over de hele wereld

are using soft components inspired by muscle and skin

gebruiken zachte componenten geïnspireerd door spieren en huid

om robots te bouwen die lenig en behendig zijn,

to build robots with agility and dexterity

that comes closer and closer

die steeds dichter komen

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

bij de verbazingwekkende vaardigheden van de organismen in de natuur.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

Ik heb me altijd bijzonder laten inspireren door biologische spieren.

Now, that's not surprising.

Dat is niet verrassend.

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

Ik kom uit Oostenrijk en ik weet dat ik klink als Arnie, de Terminator.

(Laughter)

(Gelach)

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

Biologische spieren zijn een waar meesterwerk van de evolutie.

It can heal after damage

Ze kunnen genezen van schade

and it's tightly integrated with sensory neurons

en zijn nauw geïntegreerd met zintuiglijke neuronen

for feedback on motion and the environment.

voor terugkoppeling op beweging en de omgeving.

Ze kunnen snel genoeg samentrekken

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

om de snelle vleugels van een kolibrie aan te drijven;

of a hummingbird;

it can grow strong enough to move an elephant;

ze kunnen sterk genoeg worden om een olifant te bewegen;

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

en ze zijn aanpasbaar genoeg voor de extreem veelzijdige armen

of an octopus,

van een octopus,

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

een dier dat zijn gehele lichaam door kleine gaatjes kan persen.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

Aandrijvers zijn voor robots wat spieren zijn voor dieren:

key components of the body

essentiële onderdelen van het lichaam

that enable movement and interaction with the world.

die beweging en interactie met de wereld mogelijk maken.

So if we could build soft actuators,

Als we zachte aandrijvers konden maken

or artificial muscles,

van kunstmatige spieren,

that are as versatile, adaptable

net zo veelzijdig en aanpasbaar,

and could have the same performance as the real thing,

en die dezelfde prestaties leveren als het echte werk,

we could build almost any type of robot

dan konden we bijna elke soort robot bouwen

for almost any type of use.

voor bijna elk gebruiksdoel.

Not surprisingly, people have tried for many decades

Het is geen verrassing dat mensen al tientallen jaren proberen

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

om de fantastische vaardigheden van spieren na te maken,

but it's been really hard.

maar dat is erg moeilijk.

About 10 years ago,

Zo'n 10 jaar geleden,

when I did my PhD back in Austria,

toen ik in Oostenrijk aan mijn proefschrift werkte,

my colleagues and I rediscovered

ontdekten mijn collega's en ik opnieuw

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

waarschijnlijk een van de eerste publicaties over kunstmatige spieren,

gepubliceerd in 1880.

published in 1880.

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

'Over de veranderingen in vorm en volume van diëlektrische lichamen

caused by electricity,"

veroorzaakt door elektriciteit',

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

gepubliceerd door de Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen.

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

De meesten kennen hem als de ontdekker van de röntgenstraal.

Zijn instructies volgend, gebruikten we een paar naalden,

Following his instructions, we used a pair of needles.

We connected it to a high-voltage source,

verbonden deze met een hoogspanningsbron

and we placed it near a transparent piece of rubber

en plaatsten het dichtbij een doorzichtig stuk rubber,

that was prestretched onto a plastic frame.

dat uitgerekt was over een plastic frame.

When we switched on the voltage,

Toen we de stroom aanzetten,

the rubber deformed,

vervormde het rubber.

and just like our biceps flexes our arm,

Net zoals onze biceps onze arm buigt,

the rubber flexed the plastic frame.

boog het rubber het plastic frame.

It looks like magic.

Het lijkt wel magie.

The needles don't even touch the rubber.

De naalden raken het rubber niet eens aan.

Now, having two such needles is not a practical way

Twee van die naalden zijn geen handige manier

of operating artificial muscles,

om kunstmatige spieren aan te drijven,

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

maar dit experiment zorgde voor mijn interesse in het onderwerp.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

Ik wilde nieuwe manieren creëren om kunstmatige spieren te maken

that would work well for real-world applications.

die toegepast konden worden in de echte wereld.

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

De jaren daarna werkte ik aan verschillende technologieën

that all showed promise,

die veelbelovend leken

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

maar allemaal problemen hadden die moeilijk te overwinnen waren.

In 2015,

In 2015,

when I started my own lab at CU Boulder,

toen ik begon met mijn eigen lab in CU Boulder,

I wanted to try an entirely new idea.

wilde ik een totaal nieuw idee proberen.

I wanted to combine the high speed and efficiency

Ik wilde de hoge snelheid en efficiëntie combineren

of electrically driven actuators

van elektronisch aangedreven aandrijvers

with the versatility of soft, fluidic actuators.

met de veelzijdigheid van zachte, vloeibare aandrijvers.

Therefore, I thought,

Daarom, dacht ik,

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

kan ik misschien hele oude wetenschap op een nieuwe manier gebruiken.

The diagram you see here

Het diagram dat je hier ziet,

shows an effect called Maxwell stress.

laat een effect zien genaamd Maxwellstress.

When you take two metal plates

Als je twee metalen platen neemt

and place them in a container filled with oil,

en die in een bak gevuld met olie zet

and then switch on a voltage,

en daar dan stroom op zet,

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

forceert de Maxwellstress de olie tussen de platen

and that's what you see here.

zoals je hier kan zien.

So the key idea was,

Het basisconcept was:

can we use this effect to push around oil

kunnen we dit effect gebruiken om olie te verplaatsen

contained in soft stretchy structures?

die in zachte, rekbare constructies zit?

And indeed, this worked surprisingly well,

Dit werkte inderdaad verrassend goed,

quite honestly, much better than I expected.

eerlijk gezegd veel beter dan ik had verwacht.

Together with my outstanding team of students,

Samen met mijn uitmuntende team van studenten

we used this idea as a starting point

gebruikten we dit idee als uitgangspunt

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

om een nieuwe technologie te ontwikkelen genaamd HASEL-kunstmatigespieren.

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

HASELs zijn voorzichtig genoeg om een framboos op te pakken

without damaging it.

zonder het te beschadigen.

They can expand and contract like real muscle.

Ze kunnen zich uitzetten en samentrekken als een echte spier.

And they can be operated faster than the real thing.

Ze kunnen sneller bestuurd worden dan het echte werk.

They can also be scaled up to deliver large forces.

Ze kunnen opgeschaald worden om grotere kracht te leveren.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

Hier zie je hoe ze een met water gevulde fles optillen.

Ze kunnen een robotarm besturen.

They can be used to drive a robotic arm,

and they can even self-sense their position.

Ze kunnen zelfs hun eigen positie aanvoelen.

HASELs can be used for very precise movement,

HASELs kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige bewegingen,

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

maar ze kunnen ook vloeiende, spierachtige bewegingen maken

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

en uitbarstingen van kracht om een bal de lucht in te schieten.

When submerged in oil,

Als ze in olie ondergedompeld worden,

HASEL artificial muscles can be made invisible.

kunnen HASEL-kunstmatigespieren onzichtbaar gemaakt worden.

So how do HASEL artificial muscles work?

Hoe werken HASEL-kunstmatigespieren?

You might be surprised.

Het zal je verbazen.

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

Ze zijn gebaseerd op goedkope, makkelijk verkrijgbare materialen.

You can even try, and I recommend it,

Je kan thuis zelf proberen, en dat raad ik aan,

the main principle at home.

hoe het basisprincipe werkt.

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

Neem een paar plastic zakjes en vul die met olijfolie.

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

Probeer zoveel mogelijk de luchtbellen eruit te duwen.

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

Plaats dan een glazen plaat op een kant van het zakje.

When you press down, you see the bag contract.

Als je erop drukt zie je het zakje samentrekken.

Now the amount of contraction is easy to control.

De hoeveelheid samentrekking is makkelijk te beheersen.

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

Met een klein gewicht krijg je een kleine samentrekking.

With a medium weight, we get a medium contraction.

Met een middelmatig gewicht krijg je een middelmatige samentrekking.

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

Met een groot gewicht krijg je een grote samentrekking.

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

Het enige verschil bij HASELs is dat je de kracht van je hand

or the weight with an electrical force.

of van het gewicht vervangt door elektrische stroom.

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

HASEL staat voor 'hydraulisch versterkte zelfhelende elektrostatische aandrijvers'.

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

Hier zie je een configuratie genaamd Peano-HASEL-aandrijvers,

one of many possible designs.

een van de vele mogelijke ontwerpen.

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

Wederom neem je een flexibele polymeer zoals ons plastic zakje,

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

je vult het met een isolerende vloeistof zoals olijfolie

and now, instead of the glass plate,

en nu, in plaats van de glazen plaat,

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

plaats je een elektrische geleider op een kant van het zakje.

To create something that looks more like a muscle fiber,

Om iets te maken dat meer op spierweefsel lijkt,

you can connect a few pouches together

kan je een paar zakjes aan elkaar verbinden

and attached a weight on one side.

en een gewicht aan een kant vastmaken.

Next, we apply voltage.

Vervolgens voegen we stroom toe.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

Het elektrische veld begint de vloeistof te beïnvloeden,

It displaces the liquid,

het verplaatst de vloeistof

and it forces the muscle to contract.

en het dwingt de spier samen te trekken.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

Hier zie je een voltooide Peano-HASEL-aandrijver

and how it expands and contracts when voltage is applied.

en hoe het uitzet en samentrekt als er stroom op gezet wordt.

Viewed from the side,

Vanaf de zijkant bezien

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

zie je goed hoe de zakjes een meer cilindrische vorm krijgen,

such as we saw with the Ziploc bags.

net zoals bij de plastic zakjes.

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

We kunnen ook wat van dit spierweefsel naast elkaar plaatsen

to create something that looks even more like a muscle

om iets te maken dat nog meer op een spier lijkt,

dat ook samentrekt en uitzet in een dwarsdoorsnede.

that also contracts and expands in cross section.

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

Deze HASELs tillen een gewicht op dat zo'n 200 keer zwaarder is

than their own weight.

dan hun eigen gewicht.

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

Je ziet een van onze nieuwste ontwerpen genaamd kwadrant-donut-HASELs;

hoe ze uitzetten en samentrekken.

and how they expand and contract.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

Ze kunnen zeer snel bestuurd worden en bovenmenselijke snelheden bereiken.

They are even powerful enough to jump off the ground.

Ze zijn zelfs sterk genoeg om omhoog te springen.

(Laughter)

(Gelach)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

HASELs zouden wel eens de eerste technologie kunnen worden

that matches or exceeds the performance of biological muscle

die de prestaties van biologische spieren kunnen evenaren of overtreffen,

while being compatible with large-scale manufacturing.

terwijl ze geschikt zijn voor productie op grote schaal.

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

Het is een jonge technologie. We zijn nog maar net begonnen.

We hebben veel ideeën over het verbeteren van de prestaties

We have many ideas how to drastically improve performance,

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

met nieuwe materialen en ontwerpen, om een niveau van presteren te bereiken

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

dat beter is dan biologische spieren en traditionele stugge elektrische motoren.

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

Complexere ontwerpen van HASEL-robotica zijn geïnspireerd op de natuur.

here you see our artificial scorpion

Hier zie je een kunstmatige schorpioen,

that can use its tail to hunt prey,

die zijn staart gebruikt om te jagen,

in this case, a rubber balloon.

hier op een rubberen ballon.

(Laughter)

(Gelach)

Going back to our initial inspiration,

Terugkijkend op onze oorspronkelijke inspiratie,

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

de veelzijdigheid van octopusarmen en de olifantenslurf,

we are now able to build soft continuum actuators

zien we dat we nu zachte continuümaandrijvers kunnen bouwen

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

die steeds dichterbij de vaardigheden van het echte werk komen.

I am most excited about the practical applications

Ik ben zeer enthousiast over de praktische toepassingen

of HASEL artificial muscles.

van HASEL-kunstmatigespieren.

They'll enable soft robotic devices

Ze zullen zachte robotische apparaten mogelijk maken

that can improve the quality of life.

die de kwaliteit van leven kunnen verbeteren.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

Zachte robotica zullen een nieuwe lijn natuurgetrouwe protheses mogelijk maken

for people who have lost parts of their bodies.

voor mensen die lichaamsdelen zijn verloren.

Here you see some HASELs in my lab,

Hier zie je wat HASELs in mijn lab,

early testing, driving a prosthetic finger.

in een vroeg stadium, die een vingerprothese aandrijven.

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

Op een dag zullen we misschien onze lichamen samenvoegen met robotonderdelen.

I know that sounds very scary at first.

Ik weet dat dit eng klinkt.

But when I think about my grandparents

Maar als ik aan mijn grootouders denk

and the way they become more dependent on others

en aan hoe ze steeds afhankelijker van anderen worden

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

in het uitvoeren van dagelijkse taken zoals zelfstandig naar het toilet gaan;

they often feel like they're becoming a burden.

ze voelen zich vaak als een last voor anderen.

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

Zachte robotica kunnen flexibiliteit en handigheid verbeteren en herstellen

agility and dexterity,

and thereby help older people maintain autonomy

en zo oudere mensen helpen hun zelfstandigheid te behouden

for longer parts of their lives.

gedurende een groter deel van hun leven.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

Misschien kunnen we dat 'antiverouderingsrobotica' noemen,

or even a next stage of human evolution.

of zelfs een nieuwe stadium in de evolutie van de mens.

Unlike their traditional rigid counterparts,

In tegenstelling tot hun traditionele stugge tegenhangers

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

zullen zachte levensechte robots veilig nabij mensen werken en ons in huis helpen.

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

Zachte robotica is een jonge sector.

We beginnen nog maar net.

I hope that many young people from many different backgrounds

Ik hoop dat veel jonge mensen van verschillende achtergronden

join us on this exciting journey

mee zullen gaan op deze spannende reis

and help shape the future of robotics

en de toekomst van robotica zullen vormen

by introducing new concepts inspired by nature.

door nieuwe concepten te introduceren, geïnspireerd op de natuur.

If we do this right,

Als we dit juist aanpakken,

we can improve the quality of life

kunnen we voor ons allemaal de kwaliteit van leven verbeteren.

for all of us.

Thank you.

Dank jullie wel.

(Applause)

(Applaus)