Im Jahr 2015 traten 25 Teams aus der ganzen Welt gegeneinander an,
um für die Katastrophenhilfe Roboter zu bauen,
die mehrere Aufgaben ausführen sollten,
wie ein Elektrowerkzeug einzusetzen,
auf unebenem Terrain zu arbeiten
und ein Auto zu fahren.
Das klingt beeindruckend, und ist es auch,
aber schauen Sie sich den Körper des Sieger-Roboters HUBO an.
Hier versucht HUBO aus einem Auto auszusteigen,
und man beachte, das Video wird dreimal schneller abgespielt.
(Lachen)
HUBO vom Team KAIST aus Korea ist ein hochmoderner Roboter
mit beeindruckenden Fähigkeiten,
aber sein Körper unterscheidet sich kaum von den Robotern der letzten Jahrzehnte.
Wenn man andere Roboter des Wettbewerbs betrachtet,
sehen auch ihre Bewegungen noch sehr roboterhaft aus.
Die Körper sind komplexe mechanische Strukturen
aus starren Materialien
wie Metall und herkömmlichen starren Elektromotoren.
Man entwarf sie nicht,
um kostengünstig, für Menschen sicher
und anpassungsfähig an unvorhersehbare Herausforderungen zu sein.
Wir haben gute Fortschritte mit Roboter-Gehirnen gemacht,
doch ihre Körper sind noch primitiv.
Das ist meine Tochter Nadia.
Sie ist erst fünf Jahre alt
und kann schneller als HUBO aus dem Auto aussteigen.
(Lachen)
Sie schwingt mit Leichtigkeit am Klettergerüst,
viel besser als jeder derzeitige menschenähnliche Roboter.
Im Gegensatz zu HUBO
nutzt der menschliche Körper ausgiebig weiche und formbare Materialien
wie Muskeln und Haut.
Wir brauchen eine neue Generation von Roboter-Körpern,
die inspiriert von der Eleganz, Effizienz und den weichen Materialien
der natürlich vorkommenden Formen sind.
Tatsächlich ist das zur Kernidee eines neuen Forschungsgebiets geworden,
namens Soft Robotics.
Meine Forschungsgruppe und Partner aus der ganzen Welt
nutzen durch Muskeln und Haut angeregte weiche Komponenten,
um Roboter zu bauen, die beweglich und geschickt sind,
wobei sie immer weiter an die erstaunlichen Fähigkeiten
der natürlichen Organismen heranreichen.
Mich inspirierten schon immer besonders biologische Muskeln
Das ist nicht verwunderlich.
Ich bin auch Österreicher.
Ich weiß, dass ich wie Arnie, der Terminator, klinge.
(Lachen)
Der biologische Muskel ist ein wahres Meisterwerk der Evolution.
Er kann nach einer Verletzung abheilen
und ist eng mit Sinnesneuronen verflochten,
um Feedback über Bewegung und Umwelt zu erhalten.
Er kann sich schnell genug zusammenziehen,
um die Hochgeschwindigkeitsflügel eines Kolibris anzutreiben;
er kann stark genug werden, einen Elefanten zu bewegen;
er ist für die extrem beweglichen Arme eines Oktopus ausreichend flexibel.
einem Tier, das seinen gesamten Körper durch winzige Löcher quetschen kann.
Stellmotoren sind für Roboter das, was Muskeln für Tiere sind:
Schlüsselkomponenten des Körpers,
die Bewegung und Interaktion mit der Welt ermöglichen.
Könnte man also weiche Stellmotoren oder künstliche Muskeln bauen,
die vielseitig, anpassungsfähig
und das gleiche Leistungsvermögen wie die echter Lebewesen haben,
könnte man fast jede Art von Roboter für fast jede Einsatzart herstellen.
Es überrascht nicht, dass Menschen seit vielen Jahrzehnten versuchen,
die erstaunlichen Fähigkeiten von Muskeln nachzubilden,
aber es war wirklich schwierig.
Als ich vor circa 10 Jahren in Österreich promovierte,
entdeckten wir wahrscheinlich eine der ersten Publikationen
über künstliche Muskeln wieder,
die 1880 veröffentlicht wurde.
"Ueber die durch Electricität bewirkten Form- und Volumenänderungen
von dielectrischen Körpern",
die vom deutschen Physiker Wilhelm Röntgen veröffentlicht wurde.
Die meisten von Ihnen kennen ihn als den Entdecker der Röntgenstrahlen.
Gemäß seinen Anweisungen benutzten wir Nadeln.
Schlossen sie an eine Hochspannungsquelle an
und platzierten sie nahe eines durchsichtigen Stück Gummi,
das wir auf einen Rahmen aus Kunststoff spannten.
Als die Spannung angelegt wurde,
verformte sich der Gummi,
und genau wie unser Bizeps den Arm beugt,
beugte der Gummi den Kunststoffrahmen.
Es sieht wie Magie aus.
Die Nadeln berühren das Gummi nicht mal.
Künstliche Muskeln mit zwei Nadeln zu bewegen, ist nicht praktisch,
aber dieses Experiment hat mich für das Thema begeistert.
Ich wollte neue Wege schaffen zum Aufbau künstlicher Muskeln,
die in der echten Welt gut funktionieren würden.
In den folgenden Jahren arbeitete ich an verschiedenen Technologien,
die alle vielversprechend,
aber deren Herausforderungen schwer zu bewältigen waren.
Als ich im Jahr 2015 mein eigenes Labor an der CU Boulder gründete,
wollte ich eine ganz neue Idee probieren.
Ich wollte die hohe Geschwindigkeit und Effizienz von elektrischen Antrieben
mit der Universalität von weichen, fluidischen Stellantrieben kombinieren.
Deshalb dachte ich, ich könnte versuchen,
sehr altes Wissen auf neue Weise zu nutzen.
Das Diagramm, das man hier sieht,
zeigt den Effekt der sogenannten Maxwellschen Spannung.
Nimmt man zwei Metallplatten
und legt sie in einen mit Öl gefüllten Behälter
und schaltet eine Spannung ein,
drückt die Maxwellsche Spannung das Öl zwischen den beiden Platten nach oben.
Das kann man hier sehen.
Der Kerngedanke war also:
Können wir diesen Effekt nutzen,
um Öl in weichen, dehnbaren Strukturen hin und her zu drücken?
Das funktionierte tatsächlich überraschend gut,
ehrlich gesagt, viel besser als erwartet.
Mit meinem exzellenten Studententeam
nutzen wir diese Idee als Ausgangspunkt
für die Entwicklung der neuen Technologie der künstlichen HASEL-Muskeln.
HASELs sind sanft genug, um eine Himbeere aufzunehmen,
ohne sie zu beschädigen.
Sie können sich wie echte Muskeln strecken und zusammenziehen.
Sie arbeiten schneller als echte Muskeln
und können vergrößert werden, um große Kräfte zu erzeugen.
Hier sieht man, wie sie eine mit Wasser gefüllte Gallone anheben.
Man kann sie als Antrieb eines Roboterarms verwenden.
Sie können sogar ihre Position selbst erkennen.
Sehr präzise Bewegungen können durch HASELs ausgeführt werden,
aber sie können auch sehr fließende, muskelähnliche Bewegungen
und Kraftstöße ausführen, um einen Ball zu schießen.
Werden HASELs in Öl getaucht,
können künstliche Muskeln unsichtbar gemacht werden.
Wie funktionieren die HASEL-Muskeln?
Sie werden vielleicht überrascht sein.
Sie basieren auf sehr günstigen und verfügbaren Materialien.
Versuchen Sie, ich empfehle es sogar,
das Grundprinzip zu Hause auszuprobieren.
Man nimmt Schnellverschlussbeutel und füllt sie mit Olivenöl.
Die Luftblasen muss man möglichst herausdrücken.
Man nimmt eine Glasplatte und legt sie auf eine Seite des Beutels.
Drückt man runter, zieht sich der Beutel zusammen.
Die Stärke der Kontraktion ist leicht zu steuern.
Bei einem kleinen Gewicht erhält man eine kleine Kontraktion.
Bei einem mittleren Gewicht erhält man eine mittlere Kontraktion.
Bei einem großen Gewicht erhält man eine große Kontraktion.
Bei den HASELs besteht die einzige Änderung darin, die Kraft der Hand
oder des Gewichts durch eine elektrische Kraft zu ersetzen.
HASEL steht für hydraulisch verstärkte, selbstheilende elektrostatische Aktuatoren
Hier sehen Sie die Beschaffenheit von Peano-HASEL-Stellantrieben,
eine von vielen möglichen Ausführungen.
Auch hier nimmt man ein flexibles Polymer wie einen Schnellverschlussbeutel,
füllt ihn mit einer Isolierflüssigkeit wie etwa Olivenöl auf
und bringt anstelle der Glasplatte,
einen elektrischen Leiter auf einer Seite des Beutels an.
Um etwas zu erzeugen, das einer Muskelfaser ähnelt,
verbindet man ein paar Beutel miteinander und bringt auf einer Seite ein Gewicht an.
Nun legen wir Spannung an.
Das elektrische Feld beginnt auf die Flüssigkeit zu wirken.
Es verdrängt die Flüssigkeit
und zwingt den Muskel zur Kontraktion.
Hier sieht man einen fertigen Peano-HASEL-Aktuator
und wie er sich streckt und zusammenzieht, wenn Spannung angelegt wird.
Von der Seite betrachtet, kann man wirklich erkennen,
wie die Säckchen, die Form eines Zylinders annehmen,
wie wir es bei den Beuteln gesehen haben.
Wir können einige solcher Muskelfasern nebeneinander platzieren,
um etwas zu erzeugen, das einem Muskel noch mehr ähnelt,
der sich auch im Querprofil zusammenzieht und ausdehnt.
Diese HASELs hier heben ein Gewicht, das etwa 200 Mal schwerer ist
als ihr eigenes Gewicht.
Hier ist einer der neuesten Entwürfe, die Quadranten-Donut-HASELs,
die sich strecken und zusammenziehen.
Sie arbeiten sehr schnell und erreichen übermenschliche Geschwindigkeiten.
Sie sind sogar stark genug, um vom Boden zu springen.
(Lachen)
Die HASELs sind vielversprechend darin, die erste Technologie zu werden,
die die Leistung biologischer Muskeln erreicht oder übertrifft
und mit der Massenproduktion gleichzeitig vereinbar ist.
Dies ist eine sehr junge Technologie.
Wir stehen erst am Anfang.
Wir haben viele Ideen, wie man die Leistung drastisch verbessern kann,
indem neue Materialien und Konstruktionen verwendet werden,
um ein Leistungsniveau jenseits des biologischen Muskels
und üblicher Elektromotoren zu erreichen.
Für einen komplexeren Entwurf von HASELs für bio-inspirierte Robotik
steht hier unser künstlicher Skorpion,
der den Schwanz zur Jagd einsetzen kann,
hier für einen Luftballoon.
(Lachen)
Zurück zum ursprünglichen Geistesblitz:
der Vielseitigkeit von Krakenarmen und Elefantenrüsseln.
Wir können jetzt weiche, stufenlose Antriebe bauen,
die den Fähigkeiten des Originals immer näher kommen.
Ich bin sehr gespannt auf praktische Anwendungen
der künstlichen HASEL-Muskeln.
Sie ermöglichen weiche Roboter-Geräte, die die Lebensqualität verbessern können.
Soft Robotics macht für Menschen, die Körperteile verloren,
eine neue Generation naturgetreuer Prothesen möglich.
Hier sieht man einige HASELs,
wie sie in der frühen Testphase, eine Fingerprothese bewegen.
Vielleicht wird in Zukunft sogar unser Körper mit Roboter-Teilen verbunden.
Das klingt anfangs sehr beängstigend.
Aber wenn ich an meine Großeltern denke
und wie sie bei der Erledigung alltäglicher Aufgaben,
wie alleine die Toilette zu benutzen,
immer abhängiger von anderen wurden
haben sie oft das Gefühl, dass sie zur Last werden.
Soft Robotics wird uns befähigen,
Beweglichkeit und Geschicklichkeit zu verbessern und wiederherzustellen
und so älteren Menschen für eine längere Lebensspanne helfen,
ihre Selbstständigkeit zu erhalten.
Vielleicht können wir das "Anti-Aging-Robotik" nennen
oder als eine nächste Stufe der menschlichen Evolution bezeichnen.
Im Vergleich zu üblichen starren Robotern
werden weiche Roboter gefahrlos in Menschennähe arbeiten
und Zuhause helfen können.
Soft Robotics ist ein sehr junges Gebiet.
Wir fangen gerade erst an.
Ich hoffe, viele junge Menschen mit unterschiedlichster Herkunft
schließen sich uns auf dieser aufregenden Reise an
und gestalten die Zukunft der Robotik mit,
indem sie neue, von der Natur inspirierte Konzepte einführen.
Wenn wir es richtig machen,
können wir für uns alle die Lebensqualität verbessern.
Vielen Dank.
(Applaus)