TED日本語 - ジアーダ・ゲルボーニ: しなやかで柔軟性を持つロボットの驚くべき可能性 TED Talk



TED日本語 - ジアーダ・ゲルボーニ: しなやかで柔軟性を持つロボットの驚くべき可能性 TED Talk

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しなやかで柔軟性を持つロボットの驚くべき可能性 - TED Talk
The incredible potential of flexible, soft robots - TED Talk
Giada Gerboni




So, robots. Robots can be programmed to do the same task millions of times with minimal error, something very difficult for us, right? And it can be very impressive to watch them at work. Look at them. I could watch them for hours. No? What is less impressive is that if you take these robots out of the factories, where the environments are not perfectly known and measured like here, to do even a simple task which doesn't require much precision, this is what can happen. I mean, opening a door, you don't require much precision.


Or a small error in the measurements, he misses the valve, and that's it --


with no way of recovering, most of the time.

So why is that? Well, for many years, robots have been designed to emphasize speed and precision, and this translates into a very specific architecture. If you take a robot arm, it's a very well-defined set of rigid links and motors, what we call actuators, they move the links about the joints. In this robotic structure, you have to perfectly measure your environment, so what is around, and you have to perfectly program every movement of the robot joints, because a small error can generate a very large fault, so you can damage something or you can get your robot damaged if something is harder.

So let's talk about them a moment. And don't think about the brains of these robots or how carefully we program them, but rather look at their bodies. There is obviously something wrong with it, because what makes a robot precise and strong also makes them ridiculously dangerous and ineffective in the real world, because their body can not deform or better adjust to the interaction with the real world. So think about the opposite approach, being softer than anything else around you. Well, maybe you think that you're not really able to do anything if you're soft, probably. Well, nature teaches us the opposite. For example, at the bottom of the ocean, under thousands of pounds of hydrostatic pressure, a completely soft animal can move and interact with a much stiffer object than him. He walks by carrying around this coconut shell thanks to the flexibility of his tentacles, which serve as both his feet and hands. And apparently, an octopus can also open a jar. It's pretty impressive, right?

But clearly, this is not enabled just by the brain of this animal, but also by his body, and it's a clear example, maybe the clearest example, of embodied intelligence, which is a kind of intelligence that all living organisms have. We all have that. Our body, its shape, material and structure, plays a fundamental role during a physical task, because we can conform to our environment so we can succeed in a large variety of situations without much planning or calculations ahead.

So why don't we put some of this embodied intelligence into our robotic machines, to release them from relying on excessive work on computation and sensing? Well, to do that, we can follow the strategy of nature, because with evolution, she's done a pretty good job in designing machines for environment interaction. And it's easy to notice that nature uses soft material frequently and stiff material sparingly. And this is what is done in this new field of robotics, which is called "soft robotics," in which the main objective is not to make super-precise machines, because we've already got them, but to make robots able to face unexpected situations in the real world, so able to go out there. And what makes a robot soft is first of all its compliant body, which is made of materials or structures that can undergo very large deformations, so no more rigid links, and secondly, to move them, we use what we call distributed actuation, so we have to control continuously the shape of this very deformable body, which has the effect of having a lot of links and joints, but we don't have any stiff structure at all.

So you can imagine that building a soft robot is a very different process than stiff robotics, where you have links, gears, screws that you must combine in a very defined way. In soft robots, you just build your actuator from scratch most of the time, but you shape your flexible material to the form that responds to a certain input. For example, here, you can just deform a structure doing a fairly complex shape if you think about doing the same with rigid links and joints, and here, what you use is just one input, such as air pressure.

OK, but let's see some cool examples of soft robots. Here is a little cute guy developed at Harvard University, and he walks thanks to waves of pressure applied along its body, and thanks to the flexibility, he can also sneak under a low bridge, keep walking, and then keep walking a little bit different afterwards. And it's a very preliminary prototype, but they also built a more robust version with power on board that can actually be sent out in the world and face real-world interactions like a car passing it over it ... and keep working.

It's cute.


Or a robotic fish, which swims like a real fish does in water simply because it has a soft tail with distributed actuation using still air pressure. That was from MIT, and of course, we have a robotic octopus. This was actually one of the first projects developed in this new field of soft robots. Here, you see the artificial tentacle, but they actually built an entire machine with several tentacles they could just throw in the water, and you see that it can kind of go around and do submarine exploration in a different way than rigid robots would do. But this is very important for delicate environments, such as coral reefs.

Let's go back to the ground. Here, you see the view from a growing robot developed by my colleagues in Stanford. You see the camera fixed on top. And this robot is particular, because using air pressure, it grows from the tip, while the rest of the body stays in firm contact with the environment. And this is inspired by plants, not animals, which grows via the material in a similar manner so it can face a pretty large variety of situations.

But I'm a biomedical engineer, and perhaps the application I like the most is in the medical field, and it's very difficult to imagine a closer interaction with the human body than actually going inside the body, for example, to perform a minimally invasive procedure. And here, robots can be very helpful with the surgeon, because they must enter the body using small holes and straight instruments, and these instruments must interact with very delicate structures in a very uncertain environment, and this must be done safely. Also bringing the camera inside the body, so bringing the eyes of the surgeon inside the surgical field can be very challenging if you use a rigid stick, like a classic endoscope.

With my previous research group in Europe, we developed this soft camera robot for surgery, which is very different from a classic endoscope, which can move thanks to the flexibility of the module that can bend in every direction and also elongate. And this was actually used by surgeons to see what they were doing with other instruments from different points of view, without caring that much about what was touched around. And here you see the soft robot in action, and it just goes inside. This is a body simulator, not a real human body. It goes around. You have a light, because usually, you don't have too many lights inside your body.

We hope.


But sometimes, a surgical procedure can even be done using a single needle, and in Stanford now, we are working on a very flexible needle, kind of a very tiny soft robot which is mechanically designed to use the interaction with the tissues and steer around inside a solid organ. This makes it possible to reach many different targets, such as tumors, deep inside a solid organ by using one single insertion point. And you can even steer around the structure that you want to avoid on the way to the target.

So clearly, this is a pretty exciting time for robotics. We have robots that have to deal with soft structures, so this poses new and very challenging questions for the robotics community, and indeed, we are just starting to learn how to control, how to put sensors on these very flexible structures. But of course, we are not even close to what nature figured out in millions of years of evolution.

But one thing I know for sure: robots will be softer and safer, and they will be out there helping people. Thank you.


ロボットです ロボットは 何百万回もの同一な作業を 最小限の誤りで行いますが それは私たちにはとても難しい事ですよね? ロボットの働きぶりは見事です 見てください 何時間でも見飽きません でしょう? その好印象が薄れるのは そのようなロボットを 工場から持ち出した場合です ここのように 環境が完全には わかっておらず 計測されていない場合 さほど精度が要求されない 単純作業をする時でさえ こんなことが起きてしまいます ドアを開けるのに それほど精度は必要ありません


測定におけるわずかな誤差とかでも ロボットはバルブの位置を見失い



どうしてなのでしょう? 何年にもわたって ロボットは速さと精度を 重視して設計され 特定の構造を持ったものとして 製作されてきました ロボットアームの場合 明確な形を持った 剛体リンクと アクチュエータと呼ばれる モーターからなり 関節部で剛体リンクを動かします このロボット構造では 環境を完璧に測定して 周りに何があるかを知り 一つ一つの関節の動きについて 完璧にプログラムする必要があります 小さな誤差が大きな故障につながって 何かを壊したり あるいは 相手が自分より固ければ ロボット自体が 壊されたりするからです

少しこの事についてお話ししましょう 考えてみて欲しいのは このようなロボットの頭脳についてとか どれだけ注意深くプログラムするかではなく ロボットの本体についてです 課題があるのは明らかです ロボットを精密で頑強にすると 同時に ロボットは現実世界では 滑稽なほど危険で非効率的なものになるからです 本体を現実の世界に合わせて 変形させたり 調節したりできないからです そこで逆のアプローチを 考えてみましょう 周りにある どんなものより 柔らかくするのです 自分が柔らかかったら何もできないと 思ってしまうかもしれません たぶん でも大自然は逆のことを教えてくれます 例えば海洋の最深部では 数千キロの水圧がかかりますが 極めて柔らかな動物が 移動したり 自分よりずっと硬い物体を 扱ったりできます このタコはヤシの殻を 運んでいますが それは手足になっている触手が 柔軟なおかげです そして当たり前のように ビンの蓋も開けられます 見事ですよね

ただ こういうことが できるのはタコの脳だけでなく 体のおかげでもあるのは明らかです これは おそらく 「身体化された知性」の もっとも明らかな例でしょう そして この知性は すべての生物が持っているものです 私たちもみんな持っています 私たちの体 その形態 材料 構造が 身体が関わる作業では 基礎的な役割を果たします それは私たちが環境に 適応できるからであり 十分な計画や事前の計算がなくても 非常に多様な状況に うまく対応できるのです

それなら この「身体化された知性」を 私たちのロボットに取り入れ 過重な計算や計測の負荷を 軽減してはどうでしょうか それには 自然がとる戦略に 倣えばいいでしょう 自然は進化を通じて 環境に適応する機械を設計することに 成功しているからです 自然界では柔らかな素材を 採り入れる例は多く見られますが 硬い素材はまれなのです これこそがロボットの 新しい分野で行われることで 「ソフトロボティックス」と呼ばれ その目的はすでにできている様な 超精密なロボットを 作ることではなく 現実世界で想定外の状況に直面しても それを乗り切れるロボットを 作ることなのです ロボットを柔らかくするには まずボディーに柔軟性を持たせます 非常に大きく変形できる 材料や構造によって作るので 剛体リンクは必要ありません 次に 動作させるために 分散型駆動を使う事で とても変形しやすいボディーを 連続的に制御しなければなりません これで 多数のリンクや関節があるのと 同じ効果を得られますが 硬い構造は必要ありません

柔軟なロボットを作る工程は リンクや歯車やネジを正確に組み立て 硬いロボットを作る ― ロボット工学とは大きく異なります 柔軟なロボットでは ほとんどの場合で 作動装置を ゼロから作りますが 柔軟な素材を 特定の入力に反応するような 形にします 例を挙げると 剛体リンクと関節で行ったら かなり複雑な形に 変形することが必要な構造を 空気圧など 1つの入力だけで 変形させることが出来ます

では 柔軟なロボットの 成功例をいくつか見てみましょう ハーバード大学で開発された キュートなロボットで その本体に沿って圧力の波を 与えることで動き 柔軟性があることで 低い障害物をくぐることができ 歩き続け その後は少し変化して歩き続けます まだほんの試作品ですが 動力を搭載した より丈夫な バージョンも作りました これは外の世界に出して 実世界で動かすことができます 例えば自動車に轢かれても 動き続けます



あるいは魚ロボットは水の中を 現実の魚と同じように泳ぎますが これは 空気圧を利用した 分散型の動作機構を持つ 柔らかな尾びれのおかげです これはMITが製作しました そして 私たちが作ったのが タコロボットです 柔軟なロボットという新分野における 初期のプロジェクトでした これは人工触手だけですが 触手が複数ある ロボットも作りました 水中に投入すると 水中で動き回って 探査しているように見えます 剛体のロボットとは違った動きです でもこれがサンゴ礁のような デリケートな環境ではとても重要になります

陸上に戻りましょう ご覧いただいているのは スタンフォードの同僚が開発した 成長するロボットの映像です 先端にカメラが付けてあります このロボットの特徴は 空気圧を利用して 先端部から伸びていき 本体は周囲に密着することです この形状は動物ではなく 植物から発想を得ました 素材を使って植物のように伸び とても多彩な状況に 対応することができます

でも私は生体医工学の技術者なので 一番関心のある応用領域は 医療分野です ロボットが実際に 身体の内部に入ることこそ 最も密接な人体との関わりでしょう たとえば低侵襲手術の場合です このような場面ではロボットが 外科医の役に立つでしょう なぜならロボットは 小さな穴から まっすぐな器具とともに人体に入る必要があり そのような器具は 予測できない環境で 繊細な組織に接触する上に 安全でなくてはなりません さらに体内にカメラを入れれば 外科医は術野の内部が見えますが 従来の内視鏡のような 剛体の棒を使うのは 困難な場合があります

ヨーロッパで私の属していた研究グループでは 外科手術のための 柔らかいカメラロボットを開発しました これは従来の内視鏡とは全く異なり モジュールが柔軟なので どの方向にも曲がりますし 伸ばすこともできます そしてこれは 他の機器の状況を 別の視点から見るために 外科医が実際に使用しました 周囲のどの臓器に接触しているか 気を配る必要がありません こちらは柔軟なロボットが活動している様子で ちょうど内部に入ろうとしています 人体シミュレータで実際の人体ではありません 体内を移動します 照明も内蔵しているのは 普通 体内には明かりがないからです



たった1本の針で 外科手術ができる場合がありますが 現在スタンフォードでは 柔軟な針を開発中です 微小で柔軟なロボットですが 組織との接触を利用して 実質臓器の内部で舵を取って進むよう 機械的設計がされています これによって 腫瘍など 実質臓器の奥深くにある様々な対象に 到達できるようになります 挿入点は1か所で 対象に届くまでに避けたい部位をかわして 舵取りもできます

現代は ロボット工学にとって ワクワクするような時代です 柔らかい組織を 扱わねばならないロボットは ロボット工学のコミュニティに 新たな難問を投げかけています 実際 制御の方法や 柔軟な構造にどうセンサーを 取り付けるかの 研究を始めたところです もちろん 何百万年に渡る進化を通して 自然が見出したものに 私たちはまだまだ近づいていません

でも 確信していることがあります ロボットは より柔軟で より安全なものになり 人々を助ける存在に なっていくでしょう ありがとう


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