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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

Tradutor: Ana Zenha Revisora: Margarida Ferreira

In 2015, 25 teams from around the world

Em 2015, 25 equipas de todo o mundo

competed to build robots for disaster response

competiram para construir robôs para cenários de desastre

that could perform a number of tasks,

que pudessem cumprir inúmeras tarefas,

such as using a power tool,

como usar uma ferramenta eléctrica,

working on uneven terrain

trabalhar em terreno irregular,

and driving a car.

e conduzir um carro.

That all sounds impressive, and it is,

Tudo isto parece impressionante, e realmente é,

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

mas vejam o corpo de HUBO, o robô vencedor.

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

Aqui, o HUBO está a tentar sair de um carro,

and keep in mind,

e não se esqueçam,

the video is sped up three times.

o vídeo está acelerado três vezes.

(Laughter)

(Risos)

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

O HUBO, da equipa coreana KAIST, é um robô topo-de-gama,

with impressive capabilities,

com capacidades impressionantes,

but this body doesn't look all that different

mas o seu corpo não é assim tão diferente

from robots we've seen a few decades ago.

dos robôs que víamos há algumas décadas.

If you look at the other robots in the competition,

Se virem os outros robôs em competição,

their movements also still look, well, very robotic.

os movimentos deles ainda parecem muito robotizados.

Their bodies are complex mechanical structures

Os corpos deles são estruturas mecânicas complexas

using rigid materials

que usam materiais rígidos,

such as metal and traditional rigid electric motors.

como o metal e os tradicionais motores eléctricos.

They certainly weren't designed

Eles certamente não foram projectados

to be low-cost, safe near people

para serem de baixo custo, seguros perto de pessoas,

and adaptable to unpredictable challenges.

e adaptáveis a desafios imprevisíveis.

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

Temos feito um bom progresso com os cérebros dos robôs

but their bodies are still primitive.

mas os seus corpos ainda são primitivos.

This is my daughter Nadia.

Esta é a minha filha Nadia.

She's only five years old

Ela tem apenas cinco anos

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

e consegue sair do carro muito mais rápido do que o HUBO.

(Laughter)

(Risos)

She can also swing around on monkey bars with ease,

Ela também consegue balançar-se nas barras facilmente,

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

muito melhor do que conseguiria qualquer robô humanoide actual.

In contrast to HUBO,

Ao contrário do HUBO,

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

o corpo humano usa amplamente materiais macios e deformáveis

such as muscle and skin.

como os músculos e a pele.

We need a new generation of robot bodies

Precisamos de uma nova geração de corpos robóticos

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

que seja inspirada na elegância, na eficiência e nos materiais moles

of the designs found in nature.

das criações encontradas na natureza.

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

Realmente, esta tornou-se a ideia chave de uma nova área de investigação

called soft robotics.

chamada robótica mole.

My research group and collaborators around the world

O meu grupo de investigação e colaboradores em todo o mundo,

are using soft components inspired by muscle and skin

estão a usar componentes moles inspirados nos músculos e na pele

to build robots with agility and dexterity

para construir robôs com agilidade e destreza

that comes closer and closer

que se aproximem cada vez mais

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

das capacidades incríveis dos organismos encontrados na natureza.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

Sempre me senti particularmente inspirado pelo músculo biológico.

Now, that's not surprising.

Não é surpreendente.

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

Eu também sou austríaco, e sei que soo um pouco como o Exterminador Implacável.

(Laughter)

(Risos)

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

O músculo biológico é uma verdadeira obra-prima da evolução.

It can heal after damage

Consegue sarar depois de danificado,

and it's tightly integrated with sensory neurons

e está fortemente ligado aos neurónios sensoriais

for feedback on motion and the environment.

para dar resposta ao movimento e ao ambiente.

Consegue contrair-se rápido o suficiente para dar energia

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

às asas ultra-rápidas de um beija-flor;

of a hummingbird;

it can grow strong enough to move an elephant;

consegue ter força suficiente para mover um elefante;

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

e é adaptável o suficiente para ser usado

nos braços extremamente versáteis de um polvo,

of an octopus,

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

um animal que consegue fazer passar o seu corpo todo

através de orifícios diminutos.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

Os actuadores são para os robôs o que os músculos são para os animais:

key components of the body

componentes cruciais do corpo

that enable movement and interaction with the world.

que permitem o movimento e a interacção com o mundo.

So if we could build soft actuators,

Por isso, se conseguíssemos construir actuadores moles,

or artificial muscles,

ou músculos artificiais,

that are as versatile, adaptable

que fossem tão versáteis e adaptáveis,

and could have the same performance as the real thing,

e conseguissem ter o mesmo desempenho que os reais,

we could build almost any type of robot

poderíamos construir quase qualquer tipo de robô

for almost any type of use.

para quase qualquer fim.

Not surprisingly, people have tried for many decades

Sem surpresas, há décadas que se tem tentado replicar

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

as capacidades incríveis dos músculos,

but it's been really hard.

mas tem sido muito difícil.

About 10 years ago,

Há cerca de 10 anos,

when I did my PhD back in Austria,

quando eu fiz o meu doutoramento ainda na Áustria,

my colleagues and I rediscovered

os meus colegas e eu redescobrimos aquela que é, provavelmente,

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

uma das primeiras publicações sobre músculo artificial,

published in 1880.

publicada em 1880:

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

"As mudanças de forma e volume de corpos dieléctricos

caused by electricity,"

"causadas pela electricidade",

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

publicada pelo físico alemão Wilhelm Röntgen.

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

A maioria de vocês conhece-o pela descoberta dos raios X.

Following his instructions, we used a pair of needles.

Seguindo as suas instruções, usámos um par de agulhas.

We connected it to a high-voltage source,

Fizemos a ligação a uma fonte de alta-voltagem,

and we placed it near a transparent piece of rubber

e colocámo-la perto de um pedaço de borracha transparente

that was prestretched onto a plastic frame.

que fora previamente ajustada a uma moldura plástica.

When we switched on the voltage,

Quando ligámos a voltagem,

the rubber deformed,

a borracha deformou-se

and just like our biceps flexes our arm,

e tal como os nossos bíceps flectem o nosso braço,

the rubber flexed the plastic frame.

a borracha flectiu a moldura plástica.

It looks like magic.

Parece magia.

The needles don't even touch the rubber.

As agulhas nem sequer tocam na borracha.

Now, having two such needles is not a practical way

Mas ter duas agulhas não é uma forma prática

of operating artificial muscles,

de manobrar músculos artificiais,

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

mas esta experiência fabulosa deixou-me agarrado a este assunto.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

Eu queria criar novas formas de construir músculos artificiais

that would work well for real-world applications.

que funcionassem bem em aplicações no mundo real.

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

Nos anos seguintes, trabalhei em várias tecnologias diferentes

that all showed promise,

que se mostraram promissoras,

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

mas todas tinham desafios difíceis de ultrapassar.

In 2015,

Em 2015, quando comecei o meu laboratório

when I started my own lab at CU Boulder,

na Universidade de Colorado Boulder,

I wanted to try an entirely new idea.

quis experimentar uma ideia completamente nova.

I wanted to combine the high speed and efficiency

Queria combinar a alta velocidade e a eficiência

of electrically driven actuators

de actuadores controlados electricamente,

with the versatility of soft, fluidic actuators.

com a versatilidade de actuadores macios e fluidos.

Therefore, I thought,

Assim sendo, pensei eu,

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

talvez possa tentar usar ciência antiga de uma forma nova.

The diagram you see here

O diagrama que aqui vêem

shows an effect called Maxwell stress.

mostra um efeito chamado tensor de Maxwell.

When you take two metal plates

Quando pegamos em duas placas metálicas

and place them in a container filled with oil,

e as colocamos num recipiente cheio de óleo,

and then switch on a voltage,

e depois ligamos a voltagem,

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

o tensor de Maxwell força o óleo a subir no meio das duas placas,

and that's what you see here.

e isso é o que vêem aqui.

So the key idea was,

A ideia chave foi, então:

can we use this effect to push around oil

Será que podemos usar este efeito para empurrar o óleo

contained in soft stretchy structures?

contido em estruturas moles com elasticidade?

And indeed, this worked surprisingly well,

De facto, isto funcionou surpreendentemente bem.

quite honestly, much better than I expected.

Para dizer a verdade, bem melhor do que eu esperava.

Together with my outstanding team of students,

Em conjunto com a minha incrível equipa de alunos,

we used this idea as a starting point

usámos esta ideia como ponto de partida

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

para desenvolver uma nova tecnologia chamada músculos artificiais HASEL.

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

Os HASELs são delicados o suficiente para pegar numa framboesa

without damaging it.

sem a danificar.

They can expand and contract like real muscle.

Eles podem expandir-se e contrair-se como um músculo real.

And they can be operated faster than the real thing.

E podem ser accionados mais rápido do que os reais.

They can also be scaled up to deliver large forces.

Podem também ser aumentados para exercerem mais força.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

Aqui podem vê-los a levantar quase quatro litros de água.

Podem ser usados para controlar um braço robótico,

They can be used to drive a robotic arm,

and they can even self-sense their position.

e conseguem até sentir qual a sua posição.

HASELs can be used for very precise movement,

Os HASELs podem ser usados para movimentos de grande precisão,

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

mas também podem fazer movimentos muito fluidos, semelhantes aos músculos,

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

e ter explosões de força para atirar uma bola ao ar.

When submerged in oil,

Quando submersos em óleo,

HASEL artificial muscles can be made invisible.

os músculos artificiais HASEL podem tornar-se invisíveis.

So how do HASEL artificial muscles work?

Como funcionam, então, os músculos artificiais HASEL?

You might be surprised.

Talvez fiquem surpreendidos.

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

Eles baseiam-se em materiais baratos e de fácil acesso.

You can even try, and I recommend it,

Podem, até, experimentar o mesmo princípio em casa,

the main principle at home.

e eu recomendo que o façam.

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

Peguem em alguns sacos herméticos e encham-nos com azeite.

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

Tentem tirar todo o ar que consigam.

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

Agora peguem num prato de vidro e coloquem-no num dos lados do saco.

When you press down, you see the bag contract.

Quando fizerem pressão, verão o saco a contrair-se.

Now the amount of contraction is easy to control.

A intensidade da contração é fácil de controlar.

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

Com um peso pequeno, obtêm uma contracção pequena.

With a medium weight, we get a medium contraction.

Com um peso médio, conseguem uma contracção média.

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

E com um peso grande, obtêm uma grande contracção.

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

Para os HASELs, a única diferença é substituir a força da vossa mão,

or the weight with an electrical force.

ou o peso, por uma força eléctrica.

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

A sigla HASEL significa "actuadores electrostáticos

"auto-regenerativos hidraulicamente amplificados".

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

Aqui podem ver um esquema chamado actuador Peano-HASEL,

one of many possible designs.

um dos muitos "designs" possíveis.

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

Mais uma vez, peguem num polímero flexível, como um saco hermético,

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

encham-no com um líquido isolante, como o azeite,

and now, instead of the glass plate,

e agora, em vez do prato de vidro,

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

coloquem um indutor eléctrico num dos lados da bolsa.

To create something that looks more like a muscle fiber,

Para criar algo mais parecido com uma fibra muscular,

you can connect a few pouches together

podem fazer a ligação entre várias bolsas

and attached a weight on one side.

e colocar um peso de um lado.

Next, we apply voltage.

De seguida, aplica-se voltagem.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

O campo eléctrico começa, agora, a actuar sobre o líquido,

It displaces the liquid,

desloca o líquido

and it forces the muscle to contract.

e força o músculo a contrair-se.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

Aqui podem ver um actuador Peano-HASEL completo

and how it expands and contracts when voltage is applied.

e a forma como se expande e se contrai quando a voltagem é aplicada.

Viewed from the side,

Vendo de um lado,

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

podem ver as bolsas a ficarem com uma forma mais cilíndrica,

such as we saw with the Ziploc bags.

como vimos no caso dos sacos herméticos.

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

Também podemos pôr algumas destas fibras ao lado umas das outras

to create something that looks even more like a muscle

para criar algo que se pareça ainda mais com um músculo

that also contracts and expands in cross section.

que também se contrai e se expande de forma cruzada.

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

Estes HASELs estão a levantar um peso cerca de 200 vezes mais pesado

than their own weight.

do que o seu próprio peso.

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

Aqui vemos um dos nossos "designs" mais recentes, chamados dónutes HASEL,

and how they expand and contract.

e como eles se expandem e se contraem.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

Podem ser manobrados muito depressa, atingindo velocidades sobre-humanas.

They are even powerful enough to jump off the ground.

Têm força suficiente até para saltar do chão.

(Laughter)

(Risos)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

No geral, os HASELs prometem tornar-se a primeira tecnologia

that matches or exceeds the performance of biological muscle

que está ao nível — ou ultrapassa — o desempenho do músculo biológico

while being compatible with large-scale manufacturing.

sendo, ao mesmo tempo, compatível com a produção em grande escala.

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

É também uma tecnologia muito recente. E ainda estamos a começar.

We have many ideas how to drastically improve performance,

Temos muitas ideias sobre como melhorar drasticamente o desempenho

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

usando novos materiais e "designs" para alcançar um nível de desempenho

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

superior ao do músculo biológico e aos tradicionais motores eléctricos.

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

Avançando para "designs" mais complexos e para robótica bio-inspirada,

here you see our artificial scorpion

vêem aqui o nosso escorpião artificial,

that can use its tail to hunt prey,

que pode usar a sua cauda para caçar presas,

in this case, a rubber balloon.

que, neste caso, é um balão de borracha.

(Laughter)

(Risos)

Going back to our initial inspiration,

Voltando à nossa inspiração inicial,

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

a versatilidade dos braços do polvo e da tromba do elefante,

we are now able to build soft continuum actuators

conseguimos agora construir actuadores contínuos moles

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

que se aproximam cada vez mais das capacidades dos reais.

I am most excited about the practical applications

Estou super entusiasmado com as aplicações práticas

of HASEL artificial muscles.

dos músculos artificiais HASEL.

They'll enable soft robotic devices

Eles vão possibilitar aparelhos robóticos moles

that can improve the quality of life.

que podem melhorar a qualidade de vida.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

A robótica mole permitirá uma nova geração de próteses mais realistas

para pessoas que perderam partes dos seus corpos.

for people who have lost parts of their bodies.

Here you see some HASELs in my lab,

Aqui podem ver alguns HASEL no meu laboratório,

early testing, driving a prosthetic finger.

em testes preliminares, a controlar uma prótese de um dedo.

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

Um dia, poderemos até fundir os nossos corpos com partes robóticas.

I know that sounds very scary at first.

Eu sei que isto parece muito assustador, à primeira vista.

But when I think about my grandparents

Mas quando penso nos meus avós

and the way they become more dependent on others

e na forma como ficaram mais dependentes dos outros

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

para fazer tarefas simples do dia-a-dia, como irem sozinhos ao quarto de banho,

they often feel like they're becoming a burden.

eles sentem frequentemente que estão a tornar-se um fardo.

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

Com a robótica mole, seremos capazes

de melhorar e recuperar a agilidade e a destreza,

agility and dexterity,

and thereby help older people maintain autonomy

e, assim, ajudar os idosos a manter a sua autonomia

for longer parts of their lives.

durante mais tempo na sua vida.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

Talvez possamos chamar-lhe "robótica anti-envelhecimento",

or even a next stage of human evolution.

ou até um novo patamar da evolução humana.

Unlike their traditional rigid counterparts,

Contrariamente às alternativas tradicionais e rígidas,

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

os robôs moles semelhantes à realidade serão seguros perto das pessoas

e irão ajudar-nos em casa.

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

A robótica mole é uma área muito recente, estamos apenas a começar.

I hope that many young people from many different backgrounds

Espero que muitos jovens de diferentes contextos

join us on this exciting journey

se juntem a nós nesta entusiasmante viagem

and help shape the future of robotics

e ajudem a modelar o futuro da robótica

by introducing new concepts inspired by nature.

apresentando novos conceitos inspirados na natureza.

If we do this right,

Se fizermos isto bem feito,

we can improve the quality of life

podemos melhorar a qualidade de vida de todos nós.

for all of us.

Thank you.

Obrigado.

(Applause)

(Aplausos)