Искусственные мышцы для роботов будущего

В то время как мозги роботов становятся всё совершеннее и совершеннее, их тела до сих пор неповоротливы и слабо управляемы. Инженер-механик Кристоф Кеплингер работает над созданием нового поколения мягких и ловких роботов, вдохновившись настоящим шедевром эволюции — мышцами. Посмотрите, как естественно его «искусственные мышцы» сокращаются и расслабляются, и делают это со сверхчеловеческой скоростью. Узнайте, как подобная технология позволит создавать протезы, которые будут сильнее и эффективнее человеческих конечностей.

В 2015 году 25 команд со всего мира

соревновались в создании
роботов для спасательных служб.

При этом роботы должны были уметь

пользоваться электроприборами,

работать на пересечённой местности

и водить автомобиль.

Всё это, конечно, впечатляет,

но взгляните на тело
робота-победителя HUBO.

Вот HUBO пытается выйти из машины.

И учтите,

видео ускорено в три раза.

(Смех)

HUBO от корейской команды KAIST —
это сверхпередовой робот

с впечатляющими возможностями.

Однако внешне он не сильно
отличается от роботов,

которых мы видели
несколько десятилетий назад.

Если посмотреть на конкурентов HUBO,

их движения тоже выглядят
довольно искусственными.

Их тела — это сложные
механические конструкции,

собранные из жёстких материалов,

вроде металла и обычных электродвигателей.

При их создании явно не учитывали

низкую стоимость, безопасность

и способность работать
в постоянно меняющихся условиях.

Мы сильно продвинулись
в разработке мозга роботов,

но их тела всё ещё примитивны.

Это моя дочь Надя.

Ей всего пять лет,

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

(Смех)

Также она может легко лазить по турникам,

гораздо лучше любого
современного робота-андроида.

В отличие от HUBO,

человеческое тело широко использует
потенциал мягких и гнущихся материалов,

как мышц и кожи.

Нам нужно новое поколение
тел для роботов,

обладающих изящностью, эффективностью

и природными мягкими материалами.

Всё это и положило начало
новой области исследований —

мягкой робототехнике.

Моя исследовательская группа
и наши партнёры по всему миру —

мы применяем мягкие компоненты,
подобные мышцам и коже,

для создания гибких и проворных роботов,

приближающихся по своим способностям

к организмам дикой природы.

Я всегда находил особое
вдохновение в мышцах.

В наше время это не удивительно.

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

(Смех)

Мышцы — это настоящий шедевр эволюции.

Они способны к регенерации

и тесно взаимодействуют
с нервными рецепторами,

получая обратную связь
на движения и окружающую среду.

Они могут сокращаться с огромной
скоростью, как крылья колибри.

Они могут быть настолько сильными,
что перемещают тело слона.

И легко адаптируются, как необычайно
гибкие шупальца осьминога —

беспозвоночного, который способен целиком
пролезть через крошечное отверстие.

Приводы роботов функционально
подобны мышцам животных:

это главные части тела,

которые инициируют движение
и взаимодействуют с окружением.

Так, если бы мы смогли
создать мягкие приводы,

или искусственные мышцы,

которые подвижны, гибки

и сравнимы с настоящими
в плане эффективности,

то мы бы смогли создать
практически любого робота

почти для любой цели.

Неудивительно, что люди
десятилетиями пытаются

воспроизвести поразительные
способности мышц,

но это действительно трудно.

Примерно лет 10 назад,

будучи аспирантом в Австрии,

я с коллегами обнаружил,

пожалуй, одну из первых публикаций
об искусственных мышцах,

датированную 1880 годом.

«Об изменении формы
и объёма диэлектрических тел

под воздействием электричества»,

автор статьи — немецкий физик
Вильгельм Рентген.

Многие из вас знают его как
первооткрывателя рентгеновских лучей.

Следуя его инструкциям, мы взяли две иглы,

подключили их к источнику
высокого напряжения

и поместили рядом с прозрачной
резиновой пластиной,

предварительно натянутой
на пластиковую раму.

Когда мы подали ток,

резина деформировалась,

и так же, как бицепс сгибает руку,

резина согнула пластиковую раму.

Это подобно магии.

Иглы даже не касаются резиновой пластины.

Применять такие иглы
не очень целесообразно

при управлении искусственными мышцами,

но после этого удивительного
эксперимента я загорелся идеей.

Я хотел придумать новые способы
для создания искусственных мышц,

чтобы они отвечали реальным
задачам этого мира.

В последующие годы я работал
над различными технологиями,

весьма многообещающими,

но всегда возникали
трудноразрешимые проблемы.

В 2015 году,

открыв собственную лабораторию
при Университете Колорадо,

я захотел протестировать
совершенно новую идею.

Мне хотелось совместить высокую скорость
и эффективность электрических приводов

с гибкостью и подвижностью
мягких жидкостных приводов.

Поэтому я подумал,

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

На этой диаграмме изображено
физическое явление,

известное как тензор напряжений Максвелла.

Если взять две металлические пластины,

поместить их в контейнер с маслом

и подать напряжение,

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

Именно это вы здесь и видите.

В общем, мы решили

взять за основу это физическое
явление, чтобы двигать масло

внутри мягких, пластичных структур.

И это сработало на удивление хорошо.

Гораздо лучше, чем я предполагал.

Вместе с выдающейся командой студентов

мы положили этот принцип
в основу новой технологии —

разработки искусственных мышц HASEL.

Мышцы HASEL достаточно мягкие,
способные поднять малину,

не раздавив ягоду.

Они могут расслабляться
и сокращаться, как настоящие.

И делать это даже быстрее,
чем настоящие мышцы.

Их можно увеличить пропорционально
необходимой выходной силе.

Здесь они поднимают пятилитровую
канистру с водой.

Они могут управлять роботизированной рукой

и даже считывать своё
положение в пространстве.

Мышцы HASEL способны
двигаться с большой точностью,

при этом они также могут двигаться плавно

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

Погружённые в масло,

искусственные мышцы HASEL
могут стать невидимыми.

Как же работают искусственные мышцы HASEL?

Вы будете удивлены.

Они сделаны из довольно
дешёвых и доступных материалов.

Вы даже можете воспроизвести

основной принцип их работы у себя дома.

Налейте оливковое масло
в пару герметичных пакетов.

Постарайтесь по возможности
избавиться от пузырей.

Затем поместите стеклянную пластину
на одной стороне пакета.

При надавливании сверху
пакет начнёт сжиматься.

Силу сжатия легко контролировать.

С маленьким весом мы
увидим маленькое сжатие.

Со средним весом — среднее.

С больши́м весом — большое.

Только для HASEL мы заменим
силу нажатия руки или груза

электрической силой.

HASEL означает «гидравлически усиленные

самовосстанавливающиеся
электростатические приводы».

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

лишь один из возможных дизайнов.

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

наполнить его изоляционной жидкостью,
например оливковым маслом,

но вместо стеклянной пластины

поместить с одной стороны
пакета электропроводник.

Чтобы создать что-то более
похожее на мышечные волокна,

можно соединить несколько пакетов вместе

и прикрепить груз с одной стороны.

Затем мы подаём напряжение.

Теперь электрическое поле
начинает влиять на жидкость.

Оно вытесняет жидкость

и приводит к сокращению мышцы.

Здесь вы видите привод Peano-Hasel

и как он расслабляется
и сокращается при подаче напряжения.

Если смотреть сбоку,

вы увидите, что пакеты имеют
более цилиндрическую форму,

как обычные герметичные пакеты.

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

и они станут ещё более похожими на мышцы,

сокращаясь и расслабляясь
в поперечном сечении.

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

А здесь вы видите один из
последних дизайнов мышц HASEL

типа «квадратных пончиков»
и как они работают.

Они могут сокращаться необычно быстро,
достигая сверхчеловеческих скоростей.

Они настолько сильные,
что даже могут оторваться от земли.

(Смех)

В целом мышцы HASEL могут
стать первой технологией,

которая обгонит настоящие
мышцы в плане производительности

и которая может быть воспроизведена
в промышленном масштабе.

Но это также молодая технология.
Мы только начали.

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

как применить новые материалы
и улучшить дизайн, чтобы они могли

технологически превзойти биологические
мышцы и традиционные электродвигатели.

Перейдём к более сложным дизайнам
мышц HASEL для биоробототехники.

Здесь вы видите скорпиона из пластика,

который умеет охотиться с помощью хвоста,

в данном случае — за воздушным шариком.

(Смех)

Возвращаясь к изначальному
источнику вдохновения —

гибкости щупалец осьминога и хобота слона,

мы теперь способны создавать
бесступенчатые мягкие приводы,

которые необычайно похожи на настоящие.

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

Они лягут в основу мягких
роботических механизмов,

которые способны улучшить качество жизни.

Мягкая робототехника положит начало
новому поколению реалистичных протезов

для людей, прошедших ампутацию.

Здесь вы видите, как пара мышц HASEL

управляет пальцем-протезом.

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

На первый взгляд, это звучит пугающе.

Но когда я думаю о своих
бабушке и дедушке

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

при выполнении повседневных
задач, вроде посещения туалета,

ведь они часто чувствуют себя обузой.

С помощью мягкой робототехники
мы сможем улучшить и восстановить

подвижность и физическую ловкость,

так что пожилые люди
смогут сохранять автономность

дольше в течение жизни.

Может, мы назовём это
«робототехникой против старения»

или даже следующей ступенью
человеческой эволюции.

В отличие от классических жёстких роботов

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

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

Я надеюсь, что молодое поколение
с разными навыками и знаниями

присоединится к этому
захватывающему путешествию

и поможет сформировать
будущее робототехники,

внедрив новые концепции,
вдохновлённые природой.

При правильном подходе

мы сможем улучшить качество жизни

для всех нас.

Спасибо.

(Аплодисменты)