驱动未来机器人的人工肌肉
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0:01 - 0:052015年,全球25个团队
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0:05 - 0:08参加了建造灾难应对机器人的比赛,
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0:08 - 0:10这些机器人需要完成一系列的任务,
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0:10 - 0:11包括使用电动工具,
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0:11 - 0:13在崎岖的地形上工作
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0:13 - 0:14以及驾驶汽车。
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0:15 - 0:17这些任务听上去让人佩服,
事实也是如此, -
0:18 - 0:21但让我们看一下冠军获得者
优博(HUBO)的样子。 -
0:22 - 0:24这是优博试图下车的样子,
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0:24 - 0:26我希望你们知道,
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0:26 - 0:28这段视频是以3倍速播放的。
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0:28 - 0:32(笑声)
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0:33 - 0:36优博来自韩国科学技术院(KAIST ),
是目前最先进的机器人。 -
0:36 - 0:38它的能力令人赞叹,
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0:38 - 0:38但它的样子
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0:38 - 0:42与几十年前的机器人并没什么两样。
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0:42 - 0:45如果你见到比赛中其他机器人的样子,
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0:46 - 0:49它们的动作看起来也非常机械呆板。
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0:49 - 0:51它们的身体完全由机械材料构成,
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0:51 - 0:53使用的都是坚硬的材料,
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0:53 - 0:57比如金属质地的
一如既往坚硬的电动马达。 -
0:57 - 0:58显然设计者并没有把他们打造成
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0:58 - 1:01低价、安全,可以在人类身边工作
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1:01 - 1:04并且能够适应突发危机的样子。
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1:04 - 1:07我们在机器人大脑的研发上成果颇丰,
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1:07 - 1:09然而它们的外形却依然没有进步。
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1:11 - 1:13这是我的女儿纳蒂亚。
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1:13 - 1:14她才5岁,
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1:14 - 1:17但她下车的速度都比优博快。
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1:17 - 1:19(笑声)
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1:19 - 1:21她也可以轻松地通过这些攀登架,
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1:21 - 1:24远比任何人形机器人做得都好。
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1:24 - 1:26与机器人优博所不同的是,
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1:26 - 1:29人体内有许多柔软、可以变形的组织,
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1:29 - 1:31比如肌肉和皮肤。
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1:31 - 1:34我们需要创造一种新的机器人形态。
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1:34 - 1:37这种形态应该优雅而高效,
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1:37 - 1:39并运用一些天然的柔软材料。
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1:40 - 1:44事实上,这已经成为了
一个新的研究领域重点, -
1:44 - 1:46叫做柔性机器人。
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1:46 - 1:49受肌肉和皮肤的灵感启发,
我的研究小组 -
1:49 - 1:53和全世界合作者使用柔性材料
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1:53 - 1:56建造敏捷灵巧的机器人,
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1:56 - 1:58让它们能够
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1:58 - 2:01越来越接近自然的生物。
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2:02 - 2:06我一直深受生物肌肉的启发。
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2:06 - 2:08这没有什么稀奇。
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2:08 - 2:12我也是澳大利亚人,我知道我的口音
听起来像《终结者》里施瓦辛格。 -
2:12 - 2:15(笑声)
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2:15 - 2:18生物肌肉是进化过程中的杰作。
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2:18 - 2:20它可以在受损之后自愈,
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2:20 - 2:22并且与感觉神经元紧密联结,
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2:22 - 2:24可以感受到运动以及外部环境。
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2:25 - 2:27它还能高速收缩,
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2:27 - 2:29让蜂鸟能够快速挥舞翅膀,
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2:29 - 2:32甚至可以强壮到支撑大象移动;
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2:32 - 2:34同时它又是如此柔韧,
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2:34 - 2:37可以让章鱼的触手变得非常灵活,
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2:37 - 2:40这种生物甚至能够钻进一个小洞。
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2:41 - 2:45驱动器之于机器人
就如同肌肉之于动物: -
2:45 - 2:47它们都是身体构造的关键,
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2:47 - 2:50有了它们,机器人和动物
才能动起来,与世界互动。 -
2:51 - 2:53所以,如果我们能做出柔性驱动器,
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2:53 - 2:55或者说人工肌肉,
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2:55 - 2:56多功能的、适应能力强的,
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2:56 - 2:59可以与真正的肌肉想媲美的那种,
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2:59 - 3:01我们就能做出用于任何场合的
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3:01 - 3:02任何类型的机器人。
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3:03 - 3:06人们已经努力了数十年
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3:06 - 3:09尝试复制肌肉那惊艳的能力,
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3:09 - 3:11但不出所料,这非常困难。
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3:13 - 3:14大约在10年前,
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3:14 - 3:17我还在澳大利亚攻读博士学位时,
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3:17 - 3:19我和我的同事重新发现了
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3:19 - 3:23可能是最早研究人工肌肉的论文之一,
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3:23 - 3:25它发表于1880年。
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3:25 - 3:28“电流对介质形状和体积
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3:28 - 3:30变化的影响。”
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3:30 - 3:33作者是德国物理学家威廉·伦琴。
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3:33 - 3:36他因发现X射线而被大众熟知。
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3:37 - 3:40根据他的指引,我们用了一对金属针,
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3:40 - 3:42通上高压电,
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3:42 - 3:44然后把它们靠近在塑料支架上的
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3:44 - 3:46一块已经被拉伸的透明橡胶。
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3:47 - 3:49当我们改变电压时,
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3:49 - 3:50橡胶的形状就改变了,
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3:50 - 3:54就如同我们手臂的肱二头肌屈伸那样,
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3:54 - 3:56橡胶拉动了塑料支架。
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3:56 - 3:57就如同魔法一般。
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3:57 - 4:00金属针甚至没有碰到橡胶。
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4:00 - 4:01实际上,使用两根针
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4:01 - 4:05并非操纵人工肌肉的最佳方法,
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4:05 - 4:08但这次神奇的实验
让我迷上了这个课题。 -
4:08 - 4:11我想创造出一种
新的方式来建造人工肌肉, -
4:11 - 4:14可以把它运用在现实生活中。
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4:14 - 4:17在接下来的几年中,
我研究了许多都很有潜力的 -
4:17 - 4:19高科技设备,
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4:19 - 4:22但同时又有许多障碍,难以攻克。
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4:23 - 4:24在2015年,
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4:24 - 4:27当我开始在科罗拉多大学博尔德分校
建立自己的实验室时, -
4:27 - 4:29我想试验一个全新的思路。
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4:29 - 4:32我想把高速而高效的
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4:32 - 4:34电动驱动器
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4:34 - 4:37与多功能的柔性驱动器相结合。
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4:37 - 4:39通过这种方式,
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4:39 - 4:42或许我可以让科学老树发新芽。
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4:42 - 4:44现在你所看到的这张示意图
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4:44 - 4:46介绍的是麦克斯韦应力张量。
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4:46 - 4:48当你拿两个金属板
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4:48 - 4:50把它们放在一个充满油的容器中,
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4:50 - 4:52然后通上电,
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4:52 - 4:56麦克斯韦应力就会迫使油
聚集上升到两个板之间, -
4:56 - 4:57这张图所表现的就是这个意思。
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4:57 - 4:59所以最重要的问题在于,
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4:59 - 5:00我们是否能够运用这个原理
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5:00 - 5:05让在柔性弹性组织中的油活动起来呢?
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5:05 - 5:07结果,这个想法非常成功,
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5:07 - 5:10说实话,远超我的预期。
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5:10 - 5:12我和我出色的学生团队一起,
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5:12 - 5:14从这个想法出发,
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5:14 - 5:18发明了一个新的科技:
哈塞尔(HASEL)人工肌肉。 -
5:18 - 5:21哈塞尔足够柔软,能拿起一颗草莓
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5:21 - 5:22而不损坏它。
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5:25 - 5:28它也能像真的肌肉那样延展和收缩。
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5:30 - 5:32而且它的活动速度比真肌肉还快。
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5:33 - 5:36它可以变大,提供更大的力量。
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5:36 - 5:39现在你看到的是它在举起一加仑的水。
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5:39 - 5:41它可以用来驱动机器人手臂,
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5:41 - 5:43可以感知自己的状态。
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5:45 - 5:48哈塞尔不仅可以进行精准移动,
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5:49 - 5:52也可以做出流畅,
如同真肌肉一般的行动, -
5:52 - 5:55还可以突然爆发力,把球仍到空中。
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5:57 - 5:59当哈塞尔浸在油里的时候,
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6:01 - 6:04它甚至可以隐形。
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6:08 - 6:10那么,哈塞尔人工肌肉
究竟是如何工作的呢? -
6:11 - 6:12你可能会好奇。
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6:12 - 6:15它是由非常廉价、常见的材料做成的。
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6:15 - 6:18我建议,你甚至可以
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6:18 - 6:19在家尝试这个原理。
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6:20 - 6:23拿几个保鲜袋,装满橄榄油。
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6:23 - 6:25试着把所有的空气炮挤出袋子。
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6:26 - 6:29现在拿一个玻璃板,
把它放在袋子的一边。 -
6:29 - 6:31当你开始挤压的时候,
你会发现袋子开始收缩。 -
6:32 - 6:34收缩的量很容易控制。
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6:35 - 6:38如果施加的力较小,收缩就较小。
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6:38 - 6:41如果施加的力中等,收缩就中等。
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6:42 - 6:45如果施加的较大,收缩就较大。
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6:45 - 6:48对于哈塞尔而言,变量就是你施加的力
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6:48 - 6:52或者是电流施加的力。
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6:52 - 6:57哈塞尔的意思是
“液体增强自愈式静电驱动器”。 -
6:57 - 7:00现在你看到的是一个叫做
皮亚诺·哈塞尔的驱动器, -
7:00 - 7:02是我的设计之一。
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7:03 - 7:07现在你再拿一个柔韧的
有机聚合物,比如说保鲜袋, -
7:07 - 7:10在里面倒满绝缘液体,比如说橄榄油,
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7:10 - 7:11然后把导电体而不是玻璃板,
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7:11 - 7:14放在袋子的一边。
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7:15 - 7:18为了让它看起来更像肌肉纤维,
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7:18 - 7:20你可以把几个袋子放在一起
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7:20 - 7:22然后在一边施加一个力。
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7:22 - 7:23然后我们通上电流。
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7:24 - 7:27现在电场开始作用于流体。
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7:27 - 7:29它迫使流体移动,
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7:29 - 7:31也意味着它迫使肌肉收缩。
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7:33 - 7:35现在你看到的是一个完整的
皮亚诺·哈塞尔驱动器 -
7:35 - 7:39是如何在电流下延展和收缩的。
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7:39 - 7:40从边上看,
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7:40 - 7:44你可以看到这些袋子是圆柱形的,
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7:44 - 7:46就像是保鲜袋。
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7:46 - 7:50我们也可以把几个这样的
肌肉组织联系在一起 -
7:50 - 7:52让它们看起来更像真肌肉,
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7:52 - 7:55当然它们在横截面
同样会延展和收缩。 -
7:55 - 7:56这些哈塞尔肌肉可以举起
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7:56 - 7:59相当于它们自身重量200倍的重量。
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8:01 - 8:04现在你看到的是我们最新的
发明:象限圈式哈塞尔 -
8:04 - 8:06以及它们延展和收缩的动作。
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8:06 - 8:09它们行动的速度非常快,远超人类。
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8:11 - 8:14它们力量之大,甚至可以从地上跳起来。
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8:14 - 8:16(笑声)
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8:17 - 8:20总而言之,哈塞尔让我们看到了未来,
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8:20 - 8:24它能和生物肌肉媲美,
甚至可以超过生物肌肉, -
8:24 - 8:27同时又可以运用于大型机械操作中。
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8:27 - 8:30这项科技还非常年轻,
我们才刚刚开始研究。 -
8:30 - 8:33我们在改进这项技术上还有很多想法,
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8:33 - 8:37运比如用新材料和新设计,
让它表现更好, -
8:37 - 8:41超越生物肌肉,当然也超越
传统硬性的电动马达。 -
8:42 - 8:46在仿生机器人中运用更加
复杂的哈塞尔设计, -
8:46 - 8:47现在你看到的是一只人工蝎子,
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8:47 - 8:49它可以操纵自己的尾巴来刺杀猎物,
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8:49 - 8:51在这里,是橡胶气球。
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8:51 - 8:52(笑声)
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8:52 - 8:55回到我们最初的灵感中,
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8:55 - 8:57章鱼灵活的触手以及象鼻,
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8:57 - 9:00我们现在可以建造柔性连续驱动器,
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9:00 - 9:03它们越来越接近真的肌肉了。
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9:06 - 9:09我对哈塞尔人工肌肉的实际应用
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9:09 - 9:11充满期待。
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9:11 - 9:13它们能够让柔性机械设备成为现实,
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9:13 - 9:15同时提升你的生活质量。
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9:15 - 9:19柔性机械将为更加逼真的
义肢开创一个新时代, -
9:19 - 9:21造福那些失去一部分躯干的残疾人。
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9:21 - 9:23现在你看到的是我实验室中的
一些哈塞尔样品, -
9:23 - 9:26这是早期实验,它们正在驱动手指假体。
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9:28 - 9:31某天,我们或许就会在身体的
某些部位运用机械设备。 -
9:33 - 9:35我知道一开始这听起来非常吓人。
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9:37 - 9:39但我想到了我的祖父母,
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9:39 - 9:42他们有时不得不依靠他人的帮助,
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9:42 - 9:46才能完成简单的日常任务,
例如独自上厕所。 -
9:46 - 9:48他们经常会觉得自己已经
变成了他人的负担。 -
9:49 - 9:52有了柔性机器人,我们就能加强和恢复
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9:52 - 9:54敏捷性和灵巧性,
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9:54 - 9:56因此能帮助老年人
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9:56 - 9:59延长他们在生活中自主活动的时间。
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9:59 - 10:02也许我们可以把这个项目
叫做“延缓衰老的机器人” -
10:03 - 10:05或者人类进化的新阶段。
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10:07 - 10:10和传统硬性的机器人不同的是,
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10:10 - 10:15柔性仿生机器人在人旁或
家中工作时更加安全。 -
10:16 - 10:19柔性机器人还是个非常年轻的
领域,我们才刚刚开始。 -
10:19 - 10:22我希望更多来自不同背景的年轻人
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10:22 - 10:24能够加入我们,
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10:24 - 10:26通过引入更多的仿生技术
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10:26 - 10:29帮助我们描绘机器人的未来。
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10:31 - 10:32如果我们表现出色,
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10:32 - 10:34就能提高我们所有人的
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10:34 - 10:35生活质量。
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10:35 - 10:36谢谢。
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10:36 - 10:40(掌声)
- Title:
- 驱动未来机器人的人工肌肉
- Speaker:
- 克里斯托弗·凯普林格
- Description:
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机器人大脑越来越聪明,但它们的身体却依然笨重而僵硬。机械工程师克里斯托弗·凯普林格受到生物肌肉这种进化中杰作的启发,正在开发一种新的柔性机器人。在这个视频中,你将看到“人工肌肉”像真的肌肉一样延展、收缩,它们活动的速度甚至能达到超人的水平——并且你还能了解这些人工肌肉是如何驱动义肢,使得义肢比人们的四肢更加强壮、效率更高。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 10:54
Mirjana Čutura commented on Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang approved Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The artificial muscles that will power robots of the future |
Mirjana Čutura
Please note that the TEDx version of Christoph Keplinger’s talk is now available for translation.
https://amara.org/en/videos/iLOizbB3zMfP/info/artificial-muscles-for-a-new-generation-of-lifelike-robots-christoph-keplinger-tedxmilehigh/
Best,
Mirjana