ماهیچه‌های مصنوعی که به ربات‌های آینده نیرو می‌بخشند
متن سخنرانی :
در سال ۲۰۱۵، ۲۵ تیم از سرتاسر جهان برای ساختن ربات‌هایی برای مواجههبا بلایای طبیعی با هم رقابت کردند که قادر به انجامشماری وظایف بودند، مانند استفاده از ابزارهای برقی، کار بر روی سطوح ناهموار و راندن خودرو. همه این‌ها قابل توجهبه نظر می‌رسند و هستند، اما به بدنه‌ی ربات برنده، هوبو نگاه کنید. اینجا هوبو تلاش می‌کنداز یک خودرو پیاده شود، و به یاد داشته باشید، سرعت این ویدئو سه برابر شده است.(خنده)
هوبو از تیم کایست از کُره، یک ربات پیشرفته با توانمندی‌های قابل توجه است، ولی این ربات چندان متفاوت از ربات‌های چند دهه پیش به نظر نمی‌رسد. اگر به سایر ربات‌هایحاضر در مسابقه نگاه کنید، حرکات آن‌ها نیز بسیاررباتیک به نظر می‌رسد. بدنه‌ی آن‌ها، سازه‌های مکانیکی پیچیده ساخته‌شده از مواد سخت مانند فلز و موتورهای الکترونیکیسخت مرسوم هستند. آن‌ها قطعا طراحی نشده‌اند که کم‌هزینه، بی‌خطر و قابل انطباق با چالش‌هایپیش‌بینی نشده باشند. ما پیشرفت‌هایی خوبی در رابطهبا مغزهای ربات‌ها داشته‌ایم، اما بدنه‌های آن‌هاهمچنان اولیه هستند.
این نادیا دختر من است. او تنها پنج سال دارد و می‌تواند بسیار سریع‌تراز هوبو از خودرو پیاده شود.
(خنده)
او همچنین می‌تواند به راحتیاز این میله‌ها آویزان شود، بسیار بهتر از تمامربات‌های انسان‌نمای موجود. بر خلاف هوبو، بدن انسان به میزان زیادیاز مواد نرم و تغییرپذیر مانند ماهیچه و پوست استفاده می‌کند. ما به نسل جدیدی ازبدنه‌های ربات‌ها نیاز داریم که از ظرافت، کارایی ومواد نرمی الهام گرفته است که در طرح‌های طبیعی یافت می‌شوند. و البته، این به ایده‌ی کلیدیحوزه‌ی جدیدی از تحقیقات تبدیل شد که رباتیک نرم نامیده می‌شود.
گروه تحقیقاتی من و همکارانی از سراسر جهان در حال استفاده از قطعات نرمی هستندکه از ماهیچه و پوست الهام گرفته‌اند تا ربات‌هایی با چابکی و مهارت بسازند که نزدیک و نزدیک‌تر می‌شود به توانمندی‌های شگفت‌آور اندام‌هاییکه در طبیعت یافت می‌شوند. ماهیچه‌های زیستی به طور خاصهمیشه الهام‌بخش من بوده‌اند. خب، غافلگیرکننده نیست. همچنین اتریشی‌ام و می‌دانم صدایم کمیشبیه آرنولد، در ترمیناتور است.
(خنده)
ماهیچه زیستی، یک شاهکار واقعی تکامل است. می‌تواند پس از آسیب، ترمیم شود و به شدت با نورون‌های حسی یکپارچه شده است تا در حرکت از محیط بازخورد بگیرد. می‌تواند با سرعت کافی منقبضشود تا به بال‌های پرسرعت مرغ مگس‌خوار نیرو دهد؛ می‌تواند به اندازه کافی قوی شودتا یک فیل را حرکت دهد؛ و به قدر کافی انطباق‌پذیر استکه در بازوهای چندکاره اختاپوس استفاده شود، حیوانی که می‌تواند تمام بدنش را فشرده کندو از سوراخ‌های کوچک رد شود. عملگرهای ربات‌ها، همانماهیچه‌های حیوانات هستند: اجزای کلیدی بدن که حرکت و تعامل باجهان را امکان‌پذیر می‌کنند. پس اگر بتوانیم عملگرهای نرم بسازیم، یا ماهیچه‌های مصنوعی، که چندکاره، انطباق‌پذیر و دارای عملکرد مشابهبا نمونه‌های واقعی باشند، می‌توانیم تقریباً هر نوع رباتی برای تقریباً هر استفاده‌ای بسازیم. تعجب‌آور نیست که چند دهه تلاش شده که توانمندی‌های شگفت‌آور ماهیچه تکرار شود، اما این کار بسیار سخت بوده است.
حدود ۱۰ سال پیش، وقتی در اتریش دکتری خواندم، من و همکارانم چیزی را پیدا کردیم که احتمالاً یکی از نخستین مقالاتدر مورد ماهیچه مصنوعی بود که در سال ۱۸۸۰ چاپ شده بود. 《در مورد شکل و میزان تغییراتبدنه‌های دی‌الکتریک ناشی از الکتریسیته》》 انتشار یافته توسط فیزیکدان آلمانیویلهم رانتگن. بیشتر شما او را به عنوانکاشف اشعه ایکس می‌شناسید. با پیروی از دستورالعمل‌های او،ما از یک جفت سوزن استفاده کردیم. آن را به منبع ولتاژ بالا متصل کردیم، و کنار قطعه‌ی شفاف لاستیکی قرار دادیم که روی قابی پلاستیکی کشیده شده بود. وقتی ولتاژ را برقرار کردیم، لاستیک تغییر شکل یافت، و درست مانند ماهیچه‌های دوسرکه بازوهایمان را خم می‌کنند، لاستیک قاب پلاستیکی را خم کرد. شبیه به جادو است. سوزن‌ها حتی لاستیک را لمس نمی‌کنند.
حالا، استفاده از دو سوزن، یک راه عملی برای کار با ماهیچه‌های مصنوعی نیست، اما این آزمایش شگفت‌انگیز منرا به این موضوع علاقه‌مند کرد. من می‌خواستم راه‌های جدیدی برایساخت ماهیچه‌های مصنوعی خلق کنم که برای کاربردهای واقعی، خوب کار کنند. در سال‌های بعد، من بر رویفناوری‌های متفاوتی کار کردم که همگی نویدبخش بودند اما همچنان چالش‌هایی داشتندکه غلبه بر آن‌ها دشوار بود.
در سال ۲۰۱۵، وقتی آزمایشگاه خودم را دردانشگاه کلرادو بولدر تأسیس کردم، می‌خواستم یک ایده‌یکاملاً جدید را امتحان کنم. می‌خواستم سرعت بالا و کارایی عملگرهای الکتریکی را با تطبیق‌پذیری عملگرهاینرم و سیال ترکیب کنم. بنابراین، فکر کردم شاید بتوانم از علم خیلی قدیمیدر یک راه جدید استفاده کنم. شکلی که می‌بینید اثری را نشان می‌دهدکه تنش ماکسول نام دارد. وقتی دو صفحه‌ی فلزی را در یک مخزن روغن قرار می‌دهید، و سپس ولتاژ را برقرار می‌کنید، تنش ماکسول، روغن رابه سمت بالای بین دو صفحه می‌راند، و این چیزی است که می‌بینید.
پس ایده‌ی اصلی این بود که آیا می‌توانیم از این اثربرای فشار دادن روغنِ موجود در سازه‌های کشش نرم استفاده کنیم؟ و البته، به طرز شگفت‌آوری خوب عمل کرد، صادقانه بگویم، بسیاربهتر از آنچه انتظار داشتم. به همراه گروه عالی دانشجویانم، از این ایده به عنوان نقطهشروع استفاده کردیم تا فناوری جدیدی به نام ماهیچه‌هایمصنوعی هِیزِل توسعه دهیم. هیزل‌ها به اندازه کافی ظریفهستند که یک تمشک را بردارند بدون این که به آن آسیب برسانند. می‌توانند مانند ماهیچه‌ی واقعی،منبسط و منقبض شوند. و می‌توانند بسیار سریع‌تراز نمونه‌ی واقعی عمل کنند. همچنین می‌توانند بزرگ شوندتا نیروهای بزرگی را انتقال دهند. اینجا آن‌ها را می‌بینید که یکبشکه پر از آب را بلند می‌کنند. همچنین می‌توانند برای حرکت دادنیک بازوی رباتیک استفاده شوند، حتی می‌توانند موقعیت خودشان را حس کنند. هیزل‌ها می‌توانند برای حرکاتبسیار دقیق استفاده شوند، اما توانایی انتقال حرکاتسیال و ماهیچه مانند و انفجار قدرت برای شوت کردنیک توپ به هوا را نیز دارند. با غرق شدن در روغن، ماهیچه‌های مصنوعیهیزل می‌توانند نامرئی شوند.
پس ماهیچه‌های مصنوعیهیزل چگونه کار می‌کنند؟ شاید غافلگیر شوید. آن‌ها از مواد ارزان ودر دسترس ساخته می‌شوند. می‌توانید امتحان کنید و پیشنهاد می‌کنم اصل اولیه را در خانه امتحان کنید. چند پاکت زیپ‌دار را با روغن زیتون پر کنید. سعی کنید هر چقدر می‌توانیدحباب‌های هوا را خارج کنید. حالا یک بشقاب شیشه‌ای رابر روی یک سطح پاکت قرار دارید. وقتی که آن را فشار می‌دهید،پاکت منقبض می‌شود. حالا مقدار انقباض، قابل کنترل است. وقتی وزن کمی وارد می‌کنید،کمی منقبض می‌شود. با وزن متوسط، انقباض متوسط داریم. و با وزن زیاد، انقباض زیاد داریم. حالا برای هیزل‌ها، تنها تفاوت ایناست که نیروی دست شما یا وزن، با یک نیرویالکتریکی جایگزین می‌شود. هیزل مخففِ "عملگرهای الکترواستاتیکخودترمیم‌شونده تقویت‌شده هیدرولیکی" است. اینجا یک طرح هندسی رابه نام عملگرهای پئانو-هیزل می‌بینید، یکی از چندین طرح ممکن. دوباره، یک پلیمر انعطاف‌پذیرمانند پاکت زیپ‌دار برمی‌دارید، آن را با یک مایع عایقمانند روغن زیتون پر می‌کنید، و حالا، به جای بشقاب شیشه‌ای، یک هادی الکتریسیته را روییک طرف کیسه قرار می‌دهید. برای ساختن چیزی که بیشترشبیه به بافت ماهیچه به نظر برسد، می‌توانید چند کیسه را به هم متصل کنید و وزنه‌ای را به یک طرف متصل کنید. بعد، ولتاژ را اعمال می‌کنیم. حالا یک میدان الکتریکیروی مایع عمل می‌کند. مایع را جابجا می‌کند، و به ماهیچه نیرو می‌دهد تا منقبض شود. اینجا یک عملگر پئانو-هیزلتکمیل‌شده را می‌بینید و این که چگونه با اعمال ولتاژ،منبسط و منقبض می‌شود. اگر از یک طرف به آن نگاه کنید، می‌توانید ببینید که آن کیسه‌هاشکل استوانه‌ای به خود گرفته‌اند، همان چیزی که باپاکت‌های زیپ‌دار دیده بودیم. همچنین می‌توانیم بافت‌های ماهیچه‌ایبیشتری را کنار هم قرار دهیم تا چیزی بسازیم که بیشتر شبیهبه یک ماهیچه به نظر برسد که آن هم در مقاطعی، منبسط و منقبض می‌شود. این هیزل‌ها، وزنی را بلند می‌کنندکه ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از وزن خودشان است. اینجا یکی از جدیدترین طرح‌هایمان رامی‌بینید که هیزل‌های رُبع دونات نام دارد و این که چگونه منبسط و منقبض می‌شوند. آن‌ها می‌توانند بسیار سریع عمل کنندو به سرعت‌های فراانسانی برسند. حتی اینقدر قوی هستند که می‌توانند بپرند.
(خنده)
در مجموع، هیزل‌ها این نوید رامی‌دهند که به اولین فناوری بدل شوند که برابر یا فراتر از عملکردماهیچه‌های زیستی هستند در حالی که امکانتولید انبوه را نیز دارند. البته فناوری بسیار جوانی است.ما تازه داریم شروع می‌کنیم. ایده‌های زیادی داریم برای این کهچگونه عملکرد را به شدت بهبود دهیم، با استفاده از مواد جدید و طراحی‌هایجدید تا به سطحی از عملکرد برسیم که فراتر از ماهیچه‌های زیستی و همچنینفراتر از موتورهای الکتریکی سخت سنتی باشد. در حرکت به سمت طراحی‌های پیچیده‌تریبرای هیزل الهام‌گرفته از زیست، اینجا عقرب مصنوعی ما را می‌بینید که می‌تواند از دُم خود برایشکار طعمه استفاده کند، که در این مورد، یک بالن لاستیکی است.
(خنده)
با بازگشت به الهام اولیه‌مان، انطباق‌پذیری بازوهای اختاپوس و بدن فیل، حالا قادریم عملگرهای نرم پیوسته‌ای بسازیم که به توانمندی‌های اعضای واقعی،نزدیک و نزدیک‌تر می‌شوند.
من خیلی هیجان‌زده‌ام برای کاربردهای عملی ماهیچه‌های مصنوعی هیزل. آن‌ها دستگاه‌های رباتیک نرمرا قادر می‌سازند که بتوانند کیفیت زندگی را بهتر کنند. رباتیک نرم، نسل جدیدی از اعضای مصنوعیشبیه به واقعیت را تحقق می‌بخشد برای افرادی که اعضای بدنخود را از دست داده‌اند. اینجا چند هیزل رادر آزمایشگاه من می‌بینید، آزمایش اولیه حرکت یک انگشت مصنوعی.
یک روز شاید حتی بدن‌هایمان رابا اعضای رباتیک ادغام کنیم. می‌دانم که در نگاه اولخیلی ترسناک به نظر می‌رسد. اما وقتی به پدربزرگ‌هاو مادربزرگ‌هایمان فکر می‌کنم. و طوری که بیشتر به دیگران وابسته می‌شوند تا کارهای روزمره ساده ماننددستشویی رفتن را انجام دهند، اغلب فکر می‌کنند که بهیک سربار تبدیل می‌شوند. با رباتیک نرم، ما قادر به ارتقاء و بازیابی چابکی و مهارت خواهیم بود، و به این ترتیب به افراد مسن‌ترکمک کنیم استقلال خود را در مدت بیشتری از زندگی حفظ کنند. شاید بتوانیم آن را"رباتیک و ضدپیری" بنامیم یا حتی مرحله بعدی از تکامل انسان. بر خلاف همتایان سنتی سخت خود، ربات‌های شبه‌واقعی نرم، به شکل امن کنارمردم عمل کرده و به ما در خانه کمک می‌کنند.
رباتیک نرم حوزه بسیار جوانی است.ما تازه داریم شروع می‌کنیم. امیدوارم بسیاری از جوانان با سوابق مختلف به ما در این سفر جذاب ملحق شوند و به ایجاد آینده‌ای از رباتیک با معرفی مفاهیم جدیدالهام‌گرفته از طبیعت کمک کنند. اگر این کار را درست انجام دهیم، می‌توانیم کیفیت زندگی را برای همه بهتر کنیم.
سپاسگزارم.
(تشویق)
