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Conception d'un robot mou grâce à la biomimétique

Ce que les robots mous n'ont pas en force et en précision, ils le compensent par leur délicate dextérité de manipulation d'objets fragiles, ou par leur aptitude à aller dans des endroits que les autres robots ne peuvent pas atteindre.

Crédit photo : CSAIL MIT

Robots mous et cobots

En 2013, j'ai écrit un article pour DesignSpark intitulé Soft Humans, Hard Robots (Humains mous, robots durs) qui introduisait le concept de "robotique molle", un nouveau domaine de recherche qui était en train de devenir grand public à vitesse grand V. À cette époque, le gros de l'activité consistait à développer des actionneurs tels que des muscles et des pinces pneumatiques, capables de ramasser des objets fragiles sans les casser – exactement comme la main de l'homme. Le terme Cobots s'applique désormais aux robots dont la construction est "adaptée aux humains" et qui ont une attitude sécuritaire, capables de travailler de manière libre à côté d'ouvriers sur un plan de travail. Là où le cobot jouit d'une conception bien étudiée et de matériaux tendres pour renforcer sa solide structure interne, les robots mous sont souvent entièrement conçus avec des matériaux conformes, non pas pour les rendre sûrs d'utilisation au contact des humains, mais pour les rendre capables de travailler dans des environnements dangereux ou périlleux. En termes biologiques, le cobot est un vertébré avec une structure "osseuse" interne lui procurant la force et la capacité d'effectuer des mouvements précis. Le robot mou, quant à lui, est généralement un invertébré, comme la méduse ou la pieuvre, capable de se frayer un chemin à travers des fossés étroits, de s'adapter à des terrains irréguliers ou d'agripper des objets asymétriques. Mère Nature est la source d'inspiration favorite des mécanismes des robots mous. Ce domaine d'étude général est connu sous le nom de biomimétisme ou de biomimétique.

La biomimétique

La biomimétique a beaucoup de définitions différentes selon son champ d'application exact. Pour la robotique molle, elle peut être décrite comme prenant son inspiration de la fonction d'un mécanisme biologique, par exemple la main de l'homme, pour créer une version artificielle fonctionnant de manière similaire – une pince robotique. L'expression clé est "fonctionnant de manière similaire", pas une copie exacte. Un autre exemple, celui des ailes des avions : inspirées par les ailes des oiseaux mais se composant de matériaux différents. Cet article de George Whitesides, "La bio-inspiration : quelque chose à la portée de tous" et la vidéo suivante expliquent le raisonnement de la biomimétique dans la conception des robots mous.

Les robots mous en sont toujours largement à l'étape de développement : vous ne trouverez pas beaucoup de produits de ce type sur le marché à l'heure actuelle. Par conséquent, cet article se concentre en grande partie sur la R & D avec des clips vidéo et des liens provenant de travaux de recherches universitaires. Le développement se fait principalement dans quatre domaines qui se superposent : la saisie d'objets asymétriques et/ou fragiles, la détection, les muscles artificiels et la propulsion. À proprement parler, un robot mou doit être fait entièrement de matériaux maniables (pas d'embout durs, comme pour l'électronique à base de PCB), mais il reste des "zones de flou". Par exemple, un bras articulé conventionnel peut avoir une pince molle pour manipuler des pièces fragiles.

Les pinces

Comme la plupart des petits bras robotisés passent leurs vies à ramasser des choses et à les déposer autre part, "l'effecteur terminal" le plus commun à l'heure actuelle est la pince. Une pince robotique "dure" est rigide et peut généralement appliquer une force suffisante pour écraser un objet fragile. Sans réponse tactile ou reconnaissance d'objet, il appartient à l'opérateur/programmateur humain de décider du niveau de force à appliquer pour saisir l'objet sans le casser. Une tâche très difficile à automatiser. Les pinces molles à base de composants pneumatiques ou d'adhérence électrostatique sont meilleures pour de nombreuses raisons : elles sont très délicates, la plupart peuvent manipuler des objets de différentes formes et poids, et la commande est beaucoup plus simple sans besoin de réponse tactile. Regardez ce prototype d'ingénierie de Festo pour un bras et une pince robotisés se basant sur un tentacule de pieuvre :

Ce dispositif utilise de l'air comprimé pour bouger le bras avec un vide appliqué pour serrer l'objet à travers des "pompes". Utiliser des composants pneumatiques ou hydrauliques pour actionner un bras robotisé n'est pas chose nouvelle. Ce qui est nouveau, c'est l'utilisation du biomimétisme dans la conception des actionneurs. Les tubes de piston traditionnels ont été remplacés par des structures cellulaires pouvant produire le mouvement exact requis sans levier, came et systèmes complexes de commande. Même les mouvements rotatifs peuvent être effectués, comme nous le verrons plus tard. La prochaine vidéo montre une pince électrostatique capable de ramasser à peu près tout :

Les muscles

Le robot humanoïde repose sur la zone de flou entre robotique molle et robotique rigide, en raison de sa structure "osseuse" transporteuse de charge. Les essais précoces de fabrication "d'androïdes" à taille humaine utilisaient des pistons pneumatiques/hydrauliques pour simuler l'action des muscles. Cela n'a jamais fonctionné en raison du poids de ces éléments et du grand nombre requis pour mimer les mouvements humains les plus basiques. Beaucoup de travaux sont en cours pour développer des actionneurs plus légers et plus flexibles. Dans cette vidéo, de nouvelles méthodes de construction utilisant des matériaux homologués abandonnent les "muscles" mous actionnés par des composants pneumatiques :

Un exemple de conception de robot mou précisément dicté par l'application est décrit dans l'article : "A Soft Tube-Climbing Robot" (Un robot mou grimpant dans un tube). Le robot entier n'est qu'un muscle pneumatique ! Les chercheurs ont voulu produire de nouveaux matériaux s'étendant ou se contractant sous l'effet de la chaleur ou d'un courant électrique. Cet article intitulé "Soft material for soft actuators" (Matériau mou pour actionneurs mous) décrit un polymère spécial imprégné de bulles d'éthanol liquide. Un câble intégré est chauffé par un courant électrique faible tension, qui génère l'expansion du matériau du "muscle".

Que dire du robot pieuvre (octobot) de l'université d'Harvard ? Construit à partir d'une imprimante 3D, il utilise la pression du gaz pour contracter ses tentacules. Le gaz provient d'une réaction catalytique entre le platine et le peroxyde d'hydrogène, également connu sous le nom de propergol liquide. La vidéo montre comment il est fabriqué :

La pince électrostatique décrite ci-dessus est un exemple d'actionneur élastomère diélectrique (DEA). Son principe de fonctionnement peut être adapté pour créer un muscle artificiel destiné à d'autres choses. Une nouvelle variation est décrite dans l'article intitulé : "Translucent soft robots driven by frameless fluid electrode dielectric elastomer actuators" (Robots mous translucides actionnés par des actionneurs élastomères diélectriques à électrode liquide sans monture). Ce muscle est conçu pour une utilisation aquatique avec une électrode étant la mer elle-même. Il est capable de reproduire le mouvement lent ondulant d'un poisson ou du corps d'une anguille. Dans ce cas, l'inspiration est venue d'une larve d'anguille spécifique, le leptocéphale. Une caractéristique utile de ce robot anguille est sa quasi-transparence : il semble s'évaporer lorsqu'il est mis dans l'eau.

La propulsion

Les muscles artificiels dont je parlais effectuent les mouvements nécessaires pour tout type de robot marcheur, humanoïde ou multipode. Qu'en est-il des roues motrices ? Les mêmes principes de cellules gonflables utilisés dans les pinces peuvent être utilisés pour actionner une roue. Les actionneurs rotatifs sont visibles dans cette vidéo d'un rover à roues entièrement "mou":

La pieuvre utilise la propulsion pour effectuer des mouvements rapides, ce qui n'est pas très intéressant en soi. Ce qui a attiré les chercheurs est la manière dont elle le fait. En principe, une soudaine contraction musculaire presse une poche pleine d'eau, générant ainsi l'effet de "propulsion". Dans l'article : "Ultra-fast escape manoeuvre of an octopus-inspired robot" (Manœuvre de fuite ultrarapide d'un robot inspiré d'une pieuvre), ils décrivent comment, alors que la poche se dégonfle, le corps de la pieuvre devient plus fuselé. Quand le jet faiblit, une bonne hydrodynamique compense en partie la perte de la poussée. Ces créatures fournissent toutes sortes d'inspiration biomimétique comme nous l'avons vu dans la vidéo d'introduction, avec encore plus d'idées dans la vidéo finale de cet article.

Les capteurs

Les deux articles de recherche suivants montrent la manière dont le monde naturel peut fournir un regard nouveau sur la conception des capteurs. Le premier, "Bioinspired polarization vision enables underwater geolocalization" (La vision polarisée bio-inspirée permet la géolocalisation aquatique) démontre l'utilisation de la vision sensible à la polarisation de la lumière du soleil sous l'eau pour déterminer la position – un GPS de faible précision. La bio-inspiration découle de l'étude des yeux des crevettes.

Le deuxième, "Fully 3D Printed Multi-Material Soft Bio-Inspired Whisker Sensor for Underwater-Induced Vortex Detection" (Capteur à tige souple à ressort bio-inspiré mou multimatériau entièrement imprimé en 3D pour détection de vortex induit au contact de l'eau) décrit un capteur aquatique hautement spécialisé. Les tiges souples à ressort d'un joint commun détectent les vortices produits dans l'eau par ses proies aquatiques nageantes. Les chercheurs ont développé une version artificielle d'un poisson robot mou.

Enfin :

La plupart des robots mous ont au moins une caractéristique bio-inspirée et les pinces molles sont susceptibles de devenir rapidement des options indispensables des bras des cobots. Cette vidéo finale contient d'autres exemples de transfert de technologie du monde naturel au monde artificiel, avec une fois encore, la pieuvre et sa polyvalence.

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Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

8 May 2018, 9:46

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