Die künstlichen Muskeln, die Roboter der Zukunft bewegen

Roboter-Gehirne werden zunehmend klüger, während deren Körper oft noch klobig und sperrig sind. Maschinenbauingenieur Christoph Keplinger entwirft eine neue Generation weicher, beweglicher Roboter, die vom Meisterwerk der Evolution inspiriert sind: dem biologischen Muskel. Sehen Sie, wie sich "künstliche Muskeln" genau wie die unseren strecken und zusammenziehen, übermenschliche Geschwindigkeiten erreichen und erfahre, wie diese Prothesen bewegen könnten, die stärker und effizienter als menschliche Gliedmaßen sind.

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)