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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Joanna Pietrulewicz

Переводчик: Maria Soloveva Редактор: Péter Pallós

В 2015 году 25 команд со всего мира

In 2015, 25 teams from around the world

соревновались в создании роботов для спасательных служб.

competed to build robots for disaster response

that could perform a number of tasks,

При этом роботы должны были уметь

such as using a power tool,

пользоваться электроприборами,

working on uneven terrain

работать на пересечённой местности

and driving a car.

и водить автомобиль.

That all sounds impressive, and it is,

Всё это, конечно, впечатляет,

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

но взгляните на тело робота-победителя HUBO.

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

Вот HUBO пытается выйти из машины.

and keep in mind,

И учтите,

the video is sped up three times.

видео ускорено в три раза.

(Laughter)

(Смех)

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

HUBO от корейской команды KAIST — это сверхпередовой робот

with impressive capabilities,

с впечатляющими возможностями.

but this body doesn't look all that different

Однако внешне он не сильно отличается от роботов,

from robots we've seen a few decades ago.

которых мы видели несколько десятилетий назад.

If you look at the other robots in the competition,

Если посмотреть на конкурентов HUBO,

their movements also still look, well, very robotic.

их движения тоже выглядят довольно искусственными.

Their bodies are complex mechanical structures

Их тела — это сложные механические конструкции,

using rigid materials

собранные из жёстких материалов,

such as metal and traditional rigid electric motors.

вроде металла и обычных электродвигателей.

They certainly weren't designed

При их создании явно не учитывали

to be low-cost, safe near people

низкую стоимость, безопасность

and adaptable to unpredictable challenges.

и способность работать в постоянно меняющихся условиях.

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

Мы сильно продвинулись в разработке мозга роботов,

but their bodies are still primitive.

но их тела всё ещё примитивны.

This is my daughter Nadia.

Это моя дочь Надя.

She's only five years old

Ей всего пять лет,

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

но она может выйти из машины гораздо быстрее, чем HUBO.

(Laughter)

(Смех)

She can also swing around on monkey bars with ease,

Также она может легко лазить по турникам,

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

гораздо лучше любого современного робота-андроида.

In contrast to HUBO,

В отличие от HUBO,

the human body makes extensive use of soft and deformable materials

человеческое тело широко использует потенциал мягких и гнущихся материалов,

such as muscle and skin.

как мышц и кожи.

We need a new generation of robot bodies

Нам нужно новое поколение тел для роботов,

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

обладающих изящностью, эффективностью

и природными мягкими материалами.

of the designs found in nature.

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

Всё это и положило начало новой области исследований —

called soft robotics.

мягкой робототехнике.

My research group and collaborators around the world

Моя исследовательская группа и наши партнёры по всему миру —

are using soft components inspired by muscle and skin

мы применяем мягкие компоненты, подобные мышцам и коже,

to build robots with agility and dexterity

для создания гибких и проворных роботов,

that comes closer and closer

приближающихся по своим способностям

to the astonishing capabilities of the organisms found in nature.

к организмам дикой природы.

I've always been particularly inspired by biological muscle.

Я всегда находил особое вдохновение в мышцах.

Now, that's not surprising.

В наше время это не удивительно.

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

Я ещё и австриец и понимаю, что могу звучать, как Терминатор Арни.

(Laughter)

(Смех)

Biological muscle is a true masterpiece of evolution.

Мышцы — это настоящий шедевр эволюции.

It can heal after damage

Они способны к регенерации

and it's tightly integrated with sensory neurons

и тесно взаимодействуют с нервными рецепторами,

получая обратную связь на движения и окружающую среду.

for feedback on motion and the environment.

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

Они могут сокращаться с огромной скоростью, как крылья колибри.

of a hummingbird;

it can grow strong enough to move an elephant;

Они могут быть настолько сильными, что перемещают тело слона.

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

И легко адаптируются, как необычайно гибкие шупальца осьминога —

of an octopus,

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

беспозвоночного, который способен целиком пролезть через крошечное отверстие.

Actuators are for robots what muscles are for animals:

Приводы роботов функционально подобны мышцам животных:

key components of the body

это главные части тела,

that enable movement and interaction with the world.

которые инициируют движение и взаимодействуют с окружением.

So if we could build soft actuators,

Так, если бы мы смогли создать мягкие приводы,

or artificial muscles,

или искусственные мышцы,

that are as versatile, adaptable

которые подвижны, гибки

and could have the same performance as the real thing,

и сравнимы с настоящими в плане эффективности,

we could build almost any type of robot

то мы бы смогли создать практически любого робота

for almost any type of use.

почти для любой цели.

Not surprisingly, people have tried for many decades

Неудивительно, что люди десятилетиями пытаются

to replicate the astonishing capabilities of muscle,

воспроизвести поразительные способности мышц,

but it's been really hard.

но это действительно трудно.

About 10 years ago,

Примерно лет 10 назад,

when I did my PhD back in Austria,

будучи аспирантом в Австрии,

my colleagues and I rediscovered

я с коллегами обнаружил,

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

пожалуй, одну из первых публикаций об искусственных мышцах,

published in 1880.

датированную 1880 годом.

"On the shape and volume changes of dielectric bodies

«Об изменении формы и объёма диэлектрических тел

caused by electricity,"

под воздействием электричества»,

published by German physicist Wilhelm Röntgen.

автор статьи — немецкий физик Вильгельм Рентген.

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

Многие из вас знают его как первооткрывателя рентгеновских лучей.

Following his instructions, we used a pair of needles.

Следуя его инструкциям, мы взяли две иглы,

We connected it to a high-voltage source,

подключили их к источнику высокого напряжения

and we placed it near a transparent piece of rubber

и поместили рядом с прозрачной резиновой пластиной,

that was prestretched onto a plastic frame.

предварительно натянутой на пластиковую раму.

When we switched on the voltage,

Когда мы подали ток,

резина деформировалась,

the rubber deformed,

and just like our biceps flexes our arm,

и так же, как бицепс сгибает руку,

the rubber flexed the plastic frame.

резина согнула пластиковую раму.

It looks like magic.

Это подобно магии.

The needles don't even touch the rubber.

Иглы даже не касаются резиновой пластины.

Now, having two such needles is not a practical way

Применять такие иглы не очень целесообразно

of operating artificial muscles,

при управлении искусственными мышцами,

but this amazing experiment got me hooked on the topic.

но после этого удивительного эксперимента я загорелся идеей.

I wanted to create new ways to build artificial muscles

Я хотел придумать новые способы для создания искусственных мышц,

that would work well for real-world applications.

чтобы они отвечали реальным задачам этого мира.

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

В последующие годы я работал над различными технологиями,

that all showed promise,

весьма многообещающими,

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

но всегда возникали трудноразрешимые проблемы.

In 2015,

В 2015 году,

when I started my own lab at CU Boulder,

открыв собственную лабораторию при Университете Колорадо,

I wanted to try an entirely new idea.

я захотел протестировать совершенно новую идею.

I wanted to combine the high speed and efficiency

Мне хотелось совместить высокую скорость и эффективность электрических приводов

of electrically driven actuators

with the versatility of soft, fluidic actuators.

с гибкостью и подвижностью мягких жидкостных приводов.

Therefore, I thought,

Поэтому я подумал,

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

что, может, мне удастся найти новое применение древним научным знаниям.

The diagram you see here

На этой диаграмме изображено физическое явление,

shows an effect called Maxwell stress.

известное как тензор напряжений Максвелла.

When you take two metal plates

Если взять две металлические пластины,

and place them in a container filled with oil,

поместить их в контейнер с маслом

and then switch on a voltage,

и подать напряжение,

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

из-за тензора напряжений Максвелла масло устремится вверх, между пластин.

and that's what you see here.

Именно это вы здесь и видите.

So the key idea was,

В общем, мы решили

can we use this effect to push around oil

взять за основу это физическое явление, чтобы двигать масло

contained in soft stretchy structures?

внутри мягких, пластичных структур.

And indeed, this worked surprisingly well,

И это сработало на удивление хорошо.

quite honestly, much better than I expected.

Гораздо лучше, чем я предполагал.

Together with my outstanding team of students,

Вместе с выдающейся командой студентов

we used this idea as a starting point

мы положили этот принцип в основу новой технологии —

to develop a new technology called HASEL artificial muscles.

разработки искусственных мышц HASEL.

HASELs are gentle enough to pick up a raspberry

Мышцы HASEL достаточно мягкие, способные поднять малину,

without damaging it.

не раздавив ягоду.

They can expand and contract like real muscle.

Они могут расслабляться и сокращаться, как настоящие.

And they can be operated faster than the real thing.

И делать это даже быстрее, чем настоящие мышцы.

They can also be scaled up to deliver large forces.

Их можно увеличить пропорционально необходимой выходной силе.

Here you see them lifting a gallon filled with water.

Здесь они поднимают пятилитровую канистру с водой.

Они могут управлять роботизированной рукой

They can be used to drive a robotic arm,

and they can even self-sense their position.

и даже считывать своё положение в пространстве.

HASELs can be used for very precise movement,

Мышцы HASEL способны двигаться с большой точностью,

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

при этом они также могут двигаться плавно

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

или рывкообразно, как, например, при подкидывании мяча в воздух.

When submerged in oil,

Погружённые в масло,

HASEL artificial muscles can be made invisible.

искусственные мышцы HASEL могут стать невидимыми.

So how do HASEL artificial muscles work?

Как же работают искусственные мышцы HASEL?

You might be surprised.

Вы будете удивлены.

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

Они сделаны из довольно дешёвых и доступных материалов.

You can even try, and I recommend it,

Вы даже можете воспроизвести

the main principle at home.

основной принцип их работы у себя дома.

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

Налейте оливковое масло в пару герметичных пакетов.

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

Постарайтесь по возможности избавиться от пузырей.

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

Затем поместите стеклянную пластину на одной стороне пакета.

When you press down, you see the bag contract.

При надавливании сверху пакет начнёт сжиматься.

Now the amount of contraction is easy to control.

Силу сжатия легко контролировать.

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

С маленьким весом мы увидим маленькое сжатие.

With a medium weight, we get a medium contraction.

Со средним весом — среднее.

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

С больши́м весом — большое.

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

Только для HASEL мы заменим силу нажатия руки или груза

or the weight with an electrical force.

электрической силой.

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

HASEL означает «гидравлически усиленные

самовосстанавливающиеся электростатические приводы».

Here you see a geometry called Peano-HASEL actuators,

Здесь вы видите конфигурацию приводов, известную как Peano-HASEL, —

one of many possible designs.

лишь один из возможных дизайнов.

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

По сути, необходимо взять гибкий полимер, как герметичный пластиковый пакет.

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

наполнить его изоляционной жидкостью, например оливковым маслом,

and now, instead of the glass plate,

но вместо стеклянной пластины

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

поместить с одной стороны пакета электропроводник.

To create something that looks more like a muscle fiber,

Чтобы создать что-то более похожее на мышечные волокна,

you can connect a few pouches together

можно соединить несколько пакетов вместе

and attached a weight on one side.

и прикрепить груз с одной стороны.

Next, we apply voltage.

Затем мы подаём напряжение.

Now, the electric field starts acting on the liquid.

Теперь электрическое поле начинает влиять на жидкость.

It displaces the liquid,

Оно вытесняет жидкость

and it forces the muscle to contract.

и приводит к сокращению мышцы.

Here you see a completed Peano-HASEL actuator

Здесь вы видите привод Peano-Hasel

and how it expands and contracts when voltage is applied.

и как он расслабляется и сокращается при подаче напряжения.

Viewed from the side,

Если смотреть сбоку,

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

вы увидите, что пакеты имеют более цилиндрическую форму,

such as we saw with the Ziploc bags.

как обычные герметичные пакеты.

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

Мы также можем поместить такие мышечные волокна рядом друг с другом,

to create something that looks even more like a muscle

и они станут ещё более похожими на мышцы,

сокращаясь и расслабляясь в поперечном сечении.

that also contracts and expands in cross section.

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

На этом видео мышцы HASEL поднимают груз, в двести раз превышающий собственный вес.

than their own weight.

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

А здесь вы видите один из последних дизайнов мышц HASEL

типа «квадратных пончиков» и как они работают.

and how they expand and contract.

They can be operated incredibly fast, reaching superhuman speeds.

Они могут сокращаться необычно быстро, достигая сверхчеловеческих скоростей.

They are even powerful enough to jump off the ground.

Они настолько сильные, что даже могут оторваться от земли.

(Laughter)

(Смех)

Overall, HASELs show promise to become the first technology

В целом мышцы HASEL могут стать первой технологией,

that matches or exceeds the performance of biological muscle

которая обгонит настоящие мышцы в плане производительности

while being compatible with large-scale manufacturing.

и которая может быть воспроизведена в промышленном масштабе.

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

Но это также молодая технология. Мы только начали.

У нас много идей, как значительно повысить производительность мышц HASEL,

We have many ideas how to drastically improve performance,

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

как применить новые материалы и улучшить дизайн, чтобы они могли

технологически превзойти биологические мышцы и традиционные электродвигатели.

beyond biological muscle and also beyond traditional rigid electric motors.

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

Перейдём к более сложным дизайнам мышц HASEL для биоробототехники.

here you see our artificial scorpion

Здесь вы видите скорпиона из пластика,

that can use its tail to hunt prey,

который умеет охотиться с помощью хвоста,

in this case, a rubber balloon.

в данном случае — за воздушным шариком.

(Laughter)

(Смех)

Going back to our initial inspiration,

Возвращаясь к изначальному источнику вдохновения —

the versatility of octopus arms and elephant trunks,

гибкости щупалец осьминога и хобота слона,

we are now able to build soft continuum actuators

мы теперь способны создавать бесступенчатые мягкие приводы,

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

которые необычайно похожи на настоящие.

I am most excited about the practical applications

Что меня особенно вдохновляет, так это практическое применение мышц HASEL.

of HASEL artificial muscles.

They'll enable soft robotic devices

Они лягут в основу мягких роботических механизмов,

that can improve the quality of life.

которые способны улучшить качество жизни.

Soft robotics will enable a new generation of more lifelike prosthetics

Мягкая робототехника положит начало новому поколению реалистичных протезов

for people who have lost parts of their bodies.

для людей, прошедших ампутацию.

Here you see some HASELs in my lab,

Здесь вы видите, как пара мышц HASEL

early testing, driving a prosthetic finger.

управляет пальцем-протезом.

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

Может, однажды мы даже сможем присоединять роботизированные механизмы к нашим телам.

I know that sounds very scary at first.

На первый взгляд, это звучит пугающе.

But when I think about my grandparents

Но когда я думаю о своих бабушке и дедушке

and the way they become more dependent on others

и о том, как они стали более зависимыми от помощи извне

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

при выполнении повседневных задач, вроде посещения туалета,

they often feel like they're becoming a burden.

ведь они часто чувствуют себя обузой.

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

С помощью мягкой робототехники мы сможем улучшить и восстановить

agility and dexterity,

подвижность и физическую ловкость,

and thereby help older people maintain autonomy

так что пожилые люди смогут сохранять автономность

for longer parts of their lives.

дольше в течение жизни.

Maybe we can call that "robotics for antiaging"

Может, мы назовём это «робототехникой против старения»

or even a next stage of human evolution.

или даже следующей ступенью человеческой эволюции.

Unlike their traditional rigid counterparts,

В отличие от классических жёстких роботов

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

мягкие роботы будут безопасно работать рядом с людьми и помогать нам дома.

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

Мягкая робототехника — ещё молодая область исследований. Мы только начали.

I hope that many young people from many different backgrounds

Я надеюсь, что молодое поколение с разными навыками и знаниями

join us on this exciting journey

присоединится к этому захватывающему путешествию

and help shape the future of robotics

и поможет сформировать будущее робототехники,

by introducing new concepts inspired by nature.

внедрив новые концепции, вдохновлённые природой.

If we do this right,

При правильном подходе

we can improve the quality of life

мы сможем улучшить качество жизни

for all of us.

для всех нас.

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)