در سال ۲۰۱۵، ۲۵ تیم از سرتاسر جهان برای ساختن ربات‌هایی برای مواجهه با بلایای طبیعی با هم رقابت کردند که قادر به انجام شماری وظایف بودند، مانند استفاده از ابزارهای برقی، کار بر روی سطوح ناهموار و راندن خودرو. همه این‌ها قابل توجه به نظر می‌رسند و هستند، اما به بدنه‌ی ربات برنده، هوبو نگاه کنید. اینجا هوبو تلاش می‌کند از یک خودرو پیاده شود، و به یاد داشته باشید، سرعت این ویدئو سه برابر شده است.
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 ربات‌های حاضر در مسابقه نگاه کنید، حرکات آن‌ها نیز بسیار رباتیک به نظر می‌رسد. بدنه‌ی آن‌ها، سازه‌های مکانیکی پیچیده ساخته‌شده از مواد سخت مانند فلز و موتورهای الکترونیکی سخت مرسوم هستند. آن‌ها قطعا طراحی نشده‌اند که کم‌هزینه، بی‌خطر و قابل انطباق با چالش‌های پیش‌بینی نشده باشند. ما پیشرفت‌هایی خوبی در رابطه با مغزهای ربات‌ها داشته‌ایم، اما بدنه‌های آن‌ها همچنان اولیه هستند.
این نادیا دختر من است. او تنها پنج سال دارد و می‌تواند بسیار سریع‌تر از هوبو از خودرو پیاده شود.
او همچنین می‌تواند به راحتی از این میله‌ها آویزان شود، بسیار بهتر از تمام ربات‌های انسان‌نمای موجود. بر خلاف هوبو، بدن انسان به میزان زیادی از مواد نرم و تغییرپذیر مانند ماهیچه و پوست استفاده می‌کند. ما به نسل جدیدی از بدنه‌های ربات‌ها نیاز داریم که از ظرافت، کارایی و مواد نرمی الهام گرفته است که در طرح‌های طبیعی یافت می‌شوند. و البته، این به ایده‌ی کلیدی حوزه‌ی جدیدی از تحقیقات تبدیل شد که رباتیک نرم نامیده می‌شود.
گروه تحقیقاتی من و همکارانی از سراسر جهان در حال استفاده از قطعات نرمی هستند که از ماهیچه و پوست الهام گرفته‌اند تا ربات‌هایی با چابکی و مهارت بسازند که نزدیک و نزدیک‌تر می‌شود به توانمندی‌های شگفت‌آور اندام‌هایی که در طبیعت یافت می‌شوند. ماهیچه‌های زیستی به طور خاص همیشه الهام‌بخش من بوده‌اند. خب، غافلگیرکننده نیست. همچنین اتریشی‌ام و می‌دانم صدایم کمی شبیه آرنولد، در ترمیناتور است.
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 منقبض شود تا به بال‌های پرسرعت مرغ مگس‌خوار نیرو دهد؛ می‌تواند به اندازه کافی قوی شود تا یک فیل را حرکت دهد؛ و به قدر کافی انطباق‌پذیر است که در بازوهای چندکاره اختاپوس استفاده شود، حیوانی که می‌تواند تمام بدنش را فشرده کند و از سوراخ‌های کوچک رد شود. عملگرهای ربات‌ها، همان ماهیچه‌های حیوانات هستند: اجزای کلیدی بدن که حرکت و تعامل با جهان را امکان‌پذیر می‌کنند. پس اگر بتوانیم عملگرهای نرم بسازیم، یا ماهیچه‌های مصنوعی، که چندکاره، انطباق‌پذیر و دارای عملکرد مشابه با 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 مقالات در مورد ماهیچه مصنوعی بود که در سال ۱۸۸۰ چاپ شده بود. 《در مورد شکل و میزان تغییرات بدنه‌های دی‌الکتریک ناشی از الکتریسیته》》 انتشار یافته توسط فیزیکدان آلمانی ویلهم رانتگن. بیشتر شما او را به عنوان کاشف 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 دوسر که 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 من را به این موضوع علاقه‌مند کرد. من می‌خواستم راه‌های جدیدی برای ساخت ماهیچه‌های مصنوعی خلق کنم که برای کاربردهای واقعی، خوب کار کنند. در سال‌های بعد، من بر روی فناوری‌های متفاوتی کار کردم که همگی نویدبخش بودند اما همچنان چالش‌هایی داشتند که غلبه بر آن‌ها دشوار بود.
در سال ۲۰۱۵، وقتی آزمایشگاه خودم را در دانشگاه کلرادو بولدر تأسیس کردم، می‌خواستم یک ایده‌ی کاملاً جدید را امتحان کنم. می‌خواستم سرعت بالا و کارایی عملگرهای الکتریکی را با تطبیق‌پذیری عملگرهای نرم و سیال ترکیب کنم. بنابراین، فکر کردم شاید بتوانم از علم خیلی قدیمی در یک راه جدید استفاده کنم. شکلی که می‌بینید اثری را نشان می‌دهد که تنش ماکسول نام دارد. وقتی دو صفحه‌ی فلزی را در یک مخزن روغن قرار می‌دهید، و سپس ولتاژ را برقرار می‌کنید، تنش ماکسول، روغن را به سمت بالای بین دو صفحه می‌راند، و این چیزی است که می‌بینید.
پس ایده‌ی اصلی این بود که آیا می‌توانیم از این اثر برای فشار دادن روغنِ موجود در سازه‌های کشش نرم استفاده کنیم؟ و البته، به طرز شگفت‌آوری خوب عمل کرد، صادقانه بگویم، بسیار بهتر از آنچه انتظار داشتم. به همراه گروه عالی دانشجویانم، از این ایده به عنوان نقطه شروع استفاده کردیم تا فناوری جدیدی به نام ماهیچه‌های مصنوعی هِیزِل توسعه دهیم. هیزل‌ها به اندازه کافی ظریف هستند که یک تمشک را بردارند بدون این که به آن آسیب برسانند. می‌توانند مانند ماهیچه‌ی واقعی، منبسط و منقبض شوند. و می‌توانند بسیار سریع‌تر از نمونه‌ی واقعی عمل کنند. همچنین می‌توانند بزرگ شوند تا نیروهای بزرگی را انتقال دهند. اینجا آن‌ها را می‌بینید که یک بشکه پر از آب را بلند می‌کنند. همچنین می‌توانند برای حرکت دادن یک بازوی رباتیک استفاده شوند، حتی می‌توانند موقعیت خودشان را حس کنند. هیزل‌ها می‌توانند برای حرکات بسیار دقیق استفاده شوند، اما توانایی انتقال حرکات سیال و ماهیچه مانند و انفجار قدرت برای شوت کردن یک توپ به هوا را نیز دارند. با غرق شدن در روغن، ماهیچه‌های مصنوعی هیزل می‌توانند نامرئی شوند.
پس ماهیچه‌های مصنوعی هیزل چگونه کار می‌کنند؟ شاید غافلگیر شوید. آن‌ها از مواد ارزان و در 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 می‌توانید حباب‌های هوا را خارج کنید. حالا یک بشقاب شیشه‌ای را بر 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 این است که نیروی دست شما یا وزن، با یک نیروی الکتریکی جایگزین می‌شود. هیزل مخففِ “عملگرهای الکترواستاتیک خودترمیم‌شونده تقویت‌شده هیدرولیکی” است. اینجا یک طرح هندسی را به نام عملگرهای پئانو-هیزل می‌بینید، یکی از چندین طرح ممکن. دوباره، یک پلیمر انعطاف‌پذیر مانند پاکت زیپ‌دار برمی‌دارید، آن را با یک مایع عایق مانند روغن زیتون پر می‌کنید، و حالا، به جای بشقاب شیشه‌ای، یک هادی الکتریسیته را روی یک طرف کیسه قرار می‌دهید. برای ساختن چیزی که بیشتر شبیه 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 الکتریکی روی مایع عمل می‌کند. مایع را جابجا می‌کند، و به ماهیچه نیرو می‌دهد تا منقبض شود. اینجا یک عملگر پئانو-هیزل تکمیل‌شده 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 کیسه‌ها شکل استوانه‌ای به خود گرفته‌اند، همان چیزی که با پاکت‌های زیپ‌دار دیده بودیم. همچنین می‌توانیم بافت‌های ماهیچه‌ای بیشتری را کنار هم قرار دهیم تا چیزی بسازیم که بیشتر شبیه به یک ماهیچه به نظر برسد که آن هم در مقاطعی، منبسط و منقبض می‌شود. این هیزل‌ها، وزنی را بلند می‌کنند که ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از وزن خودشان است. اینجا یکی از جدیدترین طرح‌هایمان را می‌بینید که هیزل‌های رُبع دونات نام دارد و این که چگونه منبسط و منقبض می‌شوند. آن‌ها می‌توانند بسیار سریع عمل کنند و به سرعت‌های فراانسانی برسند. حتی اینقدر قوی هستند که می‌توانند بپرند.
در مجموع، هیزل‌ها این نوید را می‌دهند که به اولین فناوری بدل شوند که برابر یا فراتر از عملکرد ماهیچه‌های زیستی هستند در حالی که امکان تولید انبوه را نیز دارند. البته فناوری بسیار جوانی است. ما تازه داریم شروع می‌کنیم. ایده‌های زیادی داریم برای این که چگونه عملکرد را به شدت بهبود دهیم، با استفاده از مواد جدید و طراحی‌های جدید تا به سطحی از عملکرد برسیم که فراتر از ماهیچه‌های زیستی و همچنین فراتر از موتورهای الکتریکی سخت سنتی باشد. در حرکت به سمت طراحی‌های پیچیده‌تری برای هیزل الهام‌گرفته از زیست، اینجا عقرب مصنوعی ما را می‌بینید که می‌تواند از دُم خود برای شکار طعمه استفاده کند، که در این مورد، یک بالن لاستیکی است.
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 نرم را قادر می‌سازند که بتوانند کیفیت زندگی را بهتر کنند. رباتیک نرم، نسل جدیدی از اعضای مصنوعی شبیه به واقعیت را تحقق می‌بخشد برای افرادی که اعضای بدن خود را از دست داده‌اند. اینجا چند هیزل را در آزمایشگاه من می‌بینید، آزمایش اولیه حرکت یک انگشت مصنوعی.
یک روز شاید حتی بدن‌هایمان را با اعضای رباتیک ادغام کنیم. می‌دانم که در نگاه اول خیلی ترسناک به نظر می‌رسد. اما وقتی به پدربزرگ‌ها و مادربزرگ‌هایمان فکر می‌کنم. و طوری که بیشتر به دیگران وابسته می‌شوند تا کارهای روزمره ساده مانند دستشویی رفتن را انجام دهند، اغلب فکر می‌کنند که به یک سربار تبدیل می‌شوند. با رباتیک نرم، ما قادر به ارتقاء و بازیابی چابکی و مهارت خواهیم بود، و به این ترتیب به افراد مسن‌تر کمک 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 کنار مردم 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 جدید الهام‌گرفته از طبیعت کمک کنند. اگر این کار را درست انجام دهیم، می‌توانیم کیفیت زندگی را برای همه بهتر کنیم.
