De kunstmatige spieren die de robots van de toekomst zullen aandrijven

Robothersenen worden steeds slimmer, maar hun lichamen zijn vaak nog lomp en onhandig. Mechanisch ingenieur Christoph Keplinger ontwerpt een nieuwe generatie van zachte, beweeglijke robots geïnspireerd op een meesterwerk van de evolutie: biologische spieren. Bekijk hoe deze 'kunstmatige spieren' uitzetten en samentrekken net zoals het echte werk, en zie hoe ze bovennatuurlijke snelheden bereiken -- en kom te weten hoe ze protheses zouden kunnen aandrijven die sterker en efficiënter zijn dan menselijke ledematen.

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

om een robot te bouwen voor noodhulp

die een aantal taken kon uitvoeren,

zoals gebruiken van gereedschap,

werken op ongelijk terrein

en autorijden.

Dat klinkt indrukwekkend
en dat is het ook.

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

Hier probeert HUBO
uit een auto te stappen.

Hou wel in gedachten

dat de video drie keer versneld is.

(Gelach)

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

met indrukwekkende vaardigheden,

maar het lijf ziet er niet heel anders uit

dan dat van robots
van tientallen jaren geleden.

Als je de andere robots
in de wedstrijd bekijkt,

zie je dat hun bewegingen
nog steeds robotachtig zijn.

Het zijn complexe mechanische constructies

van stugge materialen

zoals metaal en traditionele
stugge elektrische motoren.

Ze zijn zeker niet ontworpen

om goedkoop te zijn,
veilig in de buurt van mensen

en zich aan te passen
aan onvoorspelbare uitdagingen.

We hebben vooruitgang geboekt
met de hersenen van robots,

maar hun lichamen zijn nog primitief.

Dit is mijn dochter Nadia.

Ze is nog maar vijf jaar oud

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

(Gelach)

Ze kan ook gemakkelijk
op het klimrek spelen,

veel beter dan elke moderne
mensachtige robot.

In tegenstelling tot HUBO

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

zoals spieren en huid.

We hebben een nieuwe generatie
robotlichamen nodig,

geïnspireerd door de elegantie,
efficiëntie en zachte materialen

van de ontwerpen van de natuur.

Dit is het basisconcept
van een nieuw onderzoeksgebied

genaamd zachte robotica.

Mijn onderzoeksgroep en medewerkers
van over de hele wereld

gebruiken zachte componenten
geïnspireerd door spieren en huid

om robots te bouwen
die lenig en behendig zijn,

die steeds dichter komen

bij de verbazingwekkende vaardigheden
van de organismen in de natuur.

Ik heb me altijd bijzonder
laten inspireren door biologische spieren.

Dat is niet verrassend.

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

(Gelach)

Biologische spieren zijn
een waar meesterwerk van de evolutie.

Ze kunnen genezen van schade

en zijn nauw geïntegreerd
met zintuiglijke neuronen

voor terugkoppeling
op beweging en de omgeving.

Ze kunnen snel genoeg samentrekken

om de snelle vleugels
van een kolibrie aan te drijven;

ze kunnen sterk genoeg worden
om een olifant te bewegen;

en ze zijn aanpasbaar genoeg
voor de extreem veelzijdige armen

van een octopus,

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

Aandrijvers zijn voor robots
wat spieren zijn voor dieren:

essentiële onderdelen van het lichaam

die beweging en interactie
met de wereld mogelijk maken.

Als we zachte aandrijvers konden maken

van kunstmatige spieren,

net zo veelzijdig en aanpasbaar,

en die dezelfde prestaties leveren
als het echte werk,

dan konden we bijna
elke soort robot bouwen

voor bijna elk gebruiksdoel.

Het is geen verrassing dat mensen
al tientallen jaren proberen

om de fantastische vaardigheden
van spieren na te maken,

maar dat is erg moeilijk.

Zo'n 10 jaar geleden,

toen ik in Oostenrijk
aan mijn proefschrift werkte,

ontdekten mijn collega's en ik opnieuw

waarschijnlijk een van de eerste
publicaties over kunstmatige spieren,

gepubliceerd in 1880.

'Over de veranderingen in vorm
en volume van diëlektrische lichamen

veroorzaakt door elektriciteit',

gepubliceerd door de Duitse
natuurkundige Wilhelm Röntgen.

De meesten kennen hem
als de ontdekker van de röntgenstraal.

Zijn instructies volgend,
gebruikten we een paar naalden,

verbonden deze met een hoogspanningsbron

en plaatsten het dichtbij
een doorzichtig stuk rubber,

dat uitgerekt was over een plastic frame.

Toen we de stroom aanzetten,

vervormde het rubber.

Net zoals onze biceps onze arm buigt,

boog het rubber het plastic frame.

Het lijkt wel magie.

De naalden raken het rubber niet eens aan.

Twee van die naalden
zijn geen handige manier

om kunstmatige spieren aan te drijven,

maar dit experiment zorgde
voor mijn interesse in het onderwerp.

Ik wilde nieuwe manieren creëren
om kunstmatige spieren te maken

die toegepast konden worden
in de echte wereld.

De jaren daarna werkte ik
aan verschillende technologieën

die veelbelovend leken

maar allemaal problemen hadden
die moeilijk te overwinnen waren.

In 2015,

toen ik begon met
mijn eigen lab in CU Boulder,

wilde ik een totaal nieuw idee proberen.

Ik wilde de hoge snelheid
en efficiëntie combineren

van elektronisch aangedreven aandrijvers

met de veelzijdigheid
van zachte, vloeibare aandrijvers.

Daarom, dacht ik,

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

Het diagram dat je hier ziet,

laat een effect zien
genaamd Maxwellstress.

Als je twee metalen platen neemt

en die in een bak gevuld met olie zet

en daar dan stroom op zet,

forceert de Maxwellstress
de olie tussen de platen

zoals je hier kan zien.

Het basisconcept was:

kunnen we dit effect gebruiken
om olie te verplaatsen

die in zachte, rekbare constructies zit?

Dit werkte inderdaad verrassend goed,

eerlijk gezegd veel beter
dan ik had verwacht.

Samen met mijn uitmuntende
team van studenten

gebruikten we dit idee als uitgangspunt

om een nieuwe technologie te ontwikkelen
genaamd HASEL-kunstmatigespieren.

HASELs zijn voorzichtig genoeg
om een framboos op te pakken

zonder het te beschadigen.

Ze kunnen zich uitzetten
en samentrekken als een echte spier.

Ze kunnen sneller bestuurd
worden dan het echte werk.

Ze kunnen opgeschaald worden
om grotere kracht te leveren.

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

Ze kunnen een robotarm besturen.

Ze kunnen zelfs
hun eigen positie aanvoelen.

HASELs kunnen worden gebruikt
voor nauwkeurige bewegingen,

maar ze kunnen ook vloeiende,
spierachtige bewegingen maken

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

Als ze in olie ondergedompeld worden,

kunnen HASEL-kunstmatigespieren
onzichtbaar gemaakt worden.

Hoe werken HASEL-kunstmatigespieren?

Het zal je verbazen.

Ze zijn gebaseerd op goedkope,
makkelijk verkrijgbare materialen.

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

hoe het basisprincipe werkt.

Neem een paar plastic zakjes
en vul die met olijfolie.

Probeer zoveel mogelijk
de luchtbellen eruit te duwen.

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

Als je erop drukt
zie je het zakje samentrekken.

De hoeveelheid samentrekking
is makkelijk te beheersen.

Met een klein gewicht
krijg je een kleine samentrekking.

Met een middelmatig gewicht
krijg je een middelmatige samentrekking.

Met een groot gewicht
krijg je een grote samentrekking.

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

of van het gewicht
vervangt door elektrische stroom.

HASEL staat voor 'hydraulisch versterkte
zelfhelende elektrostatische aandrijvers'.

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

een van de vele mogelijke ontwerpen.

Wederom neem je een flexibele polymeer
zoals ons plastic zakje,

je vult het met een isolerende
vloeistof zoals olijfolie

en nu, in plaats van de glazen plaat,

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

Om iets te maken
dat meer op spierweefsel lijkt,

kan je een paar zakjes
aan elkaar verbinden

en een gewicht aan een kant vastmaken.

Vervolgens voegen we stroom toe.

Het elektrische veld begint
de vloeistof te beïnvloeden,

het verplaatst de vloeistof

en het dwingt de spier samen te trekken.

Hier zie je een voltooide
Peano-HASEL-aandrijver

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

Vanaf de zijkant bezien

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

net zoals bij de plastic zakjes.

We kunnen ook wat van dit spierweefsel
naast elkaar plaatsen

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

dat ook samentrekt en uitzet
in een dwarsdoorsnede.

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

dan hun eigen gewicht.

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

hoe ze uitzetten en samentrekken.

Ze kunnen zeer snel bestuurd worden
en bovenmenselijke snelheden bereiken.

Ze zijn zelfs sterk genoeg
om omhoog te springen.

(Gelach)

HASELs zouden wel eens
de eerste technologie kunnen worden

die de prestaties van biologische spieren
kunnen evenaren of overtreffen,

terwijl ze geschikt zijn
voor productie op grote schaal.

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

We hebben veel ideeën
over het verbeteren van de prestaties

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

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

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

Hier zie je een kunstmatige schorpioen,

die zijn staart gebruikt om te jagen,

hier op een rubberen ballon.

(Gelach)

Terugkijkend op onze
oorspronkelijke inspiratie,

de veelzijdigheid van octopusarmen
en de olifantenslurf,

zien we dat we nu zachte
continuümaandrijvers kunnen bouwen

die steeds dichterbij de vaardigheden
van het echte werk komen.

Ik ben zeer enthousiast
over de praktische toepassingen

van HASEL-kunstmatigespieren.

Ze zullen zachte robotische
apparaten mogelijk maken

die de kwaliteit van leven
kunnen verbeteren.

Zachte robotica zullen een nieuwe lijn
natuurgetrouwe protheses mogelijk maken

voor mensen die
lichaamsdelen zijn verloren.

Hier zie je wat HASELs in mijn lab,

in een vroeg stadium,
die een vingerprothese aandrijven.

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

Ik weet dat dit eng klinkt.

Maar als ik aan mijn grootouders denk

en aan hoe ze steeds afhankelijker
van anderen worden

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

ze voelen zich vaak
als een last voor anderen.

Zachte robotica kunnen flexibiliteit
en handigheid verbeteren en herstellen

en zo oudere mensen helpen
hun zelfstandigheid te behouden

gedurende een groter deel van hun leven.

Misschien kunnen we dat
'antiverouderingsrobotica' noemen,

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

In tegenstelling tot
hun traditionele stugge tegenhangers

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

Zachte robotica is een jonge sector.

We beginnen nog maar net.

Ik hoop dat veel jonge mensen
van verschillende achtergronden

mee zullen gaan op deze spannende reis

en de toekomst van robotica zullen vormen

door nieuwe concepten te introduceren,
geïnspireerd op de natuur.

Als we dit juist aanpakken,

kunnen we voor ons allemaal
de kwaliteit van leven verbeteren.

Dank jullie wel.

(Applaus)