Dans une avancée majeure en robotique, des robots dotés de muscles « mous » semblables à ceux d'un humain ont été conçus avec succès pour la première fois. De tels robots mous peuvent être une aubaine pour concevoir des robots conviviaux pour les humains à l'avenir.
Les robots sont des machines programmables couramment utilisées dans l'industrie, notamment pour l'automatisation, en particulier dans le secteur manufacturier. Ils sont conçus pour exceller dans les tâches répétitives exigeant force et puissance. Grâce à leurs capteurs et actionneurs, les robots interagissent avec le monde physique et sont reprogrammables, ce qui les rend plus polyvalents et flexibles que les machines monofonctionnelles classiques. Leur conception implique des mouvements extrêmement rigides, parfois saccadés, quasi mécaniques. Lourds et imposants, ils s'avèrent inadaptés aux tâches nécessitant des forces variables. Insensibles à leur environnement, les robots peuvent également présenter un certain danger et nécessiter un confinement. La robotique explore diverses disciplines pour concevoir, construire, programmer et utiliser efficacement des machines robotisées dans différents secteurs industriels et médicaux, répondant à des exigences variées.
Dans de récentes études sur des jumeaux, menées par Christoph Keplinger, des chercheurs ont doté des robots d'une nouvelle génération de muscles très similaires aux nôtres. Ces muscles possèdent et projettent force et sensibilité, à l'instar des nôtres. L'objectif principal est de conférer aux robots des mouvements plus « naturels ». Aujourd'hui, 99.9 % des robots sont des machines rigides en acier ou en métal, tandis que le corps humain, bien que souple, possède des capacités incroyables. Ces robots, dotés de muscles « souples » ou « plus réalistes », peuvent être conçus pour effectuer des tâches routinières et délicates (réalisées quotidiennement par les muscles humains), comme cueillir un fruit fragile ou déposer un œuf dans un panier. Comparés aux robots traditionnels, ceux équipés de « muscles artificiels » seront plus doux et plus sûrs, et pourront être personnalisés pour accomplir presque n'importe quelle tâche à proximité des personnes, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications potentielles dans la vie quotidienne. Les robots souples pourraient être qualifiés de robots « collaboratifs », car ils seront conçus spécifiquement pour accomplir une tâche particulière d'une manière très similaire à celle d'un humain.
Des chercheurs s'efforcent de créer des robots à muscles souples. Un tel robot nécessitera une technologie de muscles souples capable d'imiter les muscles humains. Deux technologies ont été testées : les actionneurs pneumatiques et les actionneurs en élastomère diélectrique. L'« actionneur » est le dispositif qui permet au robot de se déplacer ou d'effectuer un mouvement particulier. Dans les actionneurs pneumatiques, une poche souple est remplie de gaz ou de fluides pour produire un mouvement. Bien que simple, ce système est puissant, malgré le caractère peu pratique des pompes et l'encombrement de leurs réservoirs. La seconde technologie, les actionneurs en élastomère diélectrique, repose sur l'application d'un champ électrique à un plastique flexible isolant pour le déformer et ainsi créer un mouvement. Ces deux technologies, utilisées seules, n'ont pas encore donné de résultats concluants. En effet, lorsqu'un courant électrique traverse le plastique, ces dispositifs sont fortement endommagés et ne résistent pas aux chocs.
Des robots plus « semblables à des humains » avec des muscles similaires
Dans les deux études publiées dans Science 1 et Sciences Robotics 2 , des chercheurs ont exploité les atouts de deux technologies de muscles souples existantes pour créer un actionneur simple, imitant un muscle souple. Cet actionneur utilise l'électricité pour modifier le mouvement de liquides contenus dans de petites poches. Ces poches en polymère flexible contiennent un liquide isolant, par exemple une huile courante (huile végétale ou huile de colza) du commerce, ou tout autre liquide similaire. Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes en hydrogel placées de part et d'autre de la poche, les parois se rapprochent, provoquant un spasme de l'huile qui comprime le liquide et le fait circuler à l'intérieur de la poche. Cette tension crée une contraction musculaire artificielle et, une fois le courant coupé, l'huile se détend, imitant ainsi le relâchement d' un muscle. L'actionneur change alors de forme et l'objet auquel il est connecté se met en mouvement. Par conséquent, ce « muscle artificiel » se contracte et se relâche instantanément, en quelques millisecondes, avec la même précision et la même force que les muscles squelettiques humains. Ces mouvements peuvent même surpasser la vitesse de réaction des muscles humains, car la communication simultanée entre les muscles et le cerveau induit un délai imperceptible. Ainsi, grâce à cette conception, un système fluidique à commande électrique directe a été obtenu, offrant polyvalence et hautes performances.
Dans la première étude publiée dans Science¹ , des actionneurs en forme de beignet ont été conçus. Ils étaient capables de saisir et de maintenir une framboise à l'aide d'une pince robotisée (sans l'abîmer !). Le problème des dommages potentiels causés par un éclair traversant le liquide isolant (un défaut majeur des actionneurs précédents) a été résolu dans la conception actuelle. Tout dommage électrique est instantanément réparé par un simple apport de liquide dans la zone endommagée, grâce à un processus de redistribution. Cette performance est due à l'utilisation d'un matériau liquide, plus résistant, en remplacement de la couche isolante solide utilisée dans de nombreux modèles précédents et qui s'endommageait instantanément. L'actionneur ainsi conçu a résisté à plus d'un million de cycles de contraction. De par sa forme de beignet, il a pu saisir une framboise sans difficulté. En adaptant la forme de ces poches élastiques, les chercheurs ont créé une large gamme d'actionneurs aux mouvements uniques, capables par exemple de saisir un œuf fragile avec précision et la force exacte requise. Ces muscles flexibles ont été qualifiés d’actionneurs « électrostatiques auto-réparateurs à amplification hydraulique », ou actionneurs HASEL. Dans une deuxième étude² publiée dans Science Robotics , la même équipe a créé deux autres modèles de muscles souples qui se contractent linéairement, très similaires à un biceps humain, ayant ainsi la capacité de soulever à plusieurs reprises des objets plus lourds que leur propre poids.
R L'opinion générale est que puisque les robots sont des machines, ils doivent donc sûrement avoir un avantage sur les humains, mais, quand il s'agit des capacités étonnantes que nous offrent nos muscles, on pourrait simplement dire que les robots sont pâles en comparaison. Le muscle humain est extrêmement puissant et notre cerveau a un contrôle extraordinaire sur nos muscles. C'est la raison pour laquelle les muscles humains sont capables d'effectuer des tâches complexes avec précision, par exemple l'écriture. Nos muscles se contractent et se détendent à plusieurs reprises lors d'une tâche lourde et il est dit que nous n'utilisons en réalité qu'environ 65% de la capacité de nos muscles et cette limite est principalement fixée par notre réflexion. Si nous pouvons imaginer un robot doté de muscles mous comme ceux d'un humain, sa force et ses capacités seraient énormes. Ces études sont considérées comme une première étape pour développer un actionneur qui pourrait un jour atteindre les énormes capacités des vrais muscles biologiques.
Robotique « douce » rentable
Les auteurs affirment que des matériaux tels que les sachets en polymère de chips, l'huile et même les électrodes sont peu coûteux et facilement disponibles, ce qui porte le coût à seulement 0.9 USD (ou 10 cents). C'est encourageant pour les unités de fabrication industrielles actuelles et pour les chercheurs d'approfondir leur expertise. Les matériaux à faible coût sont évolutifs et compatibles avec les pratiques industrielles actuelles et de tels dispositifs pourraient être utilisés pour un certain nombre d'applications telles que les prothèses ou comme compagnon humain. C'est un aspect particulièrement intéressant, puisque le terme robotique est toujours assimilé à des coûts élevés. Un inconvénient associé à un tel muscle artificiel est la grande quantité d'électricité nécessaire à son fonctionnement et il existe également des risques de brûlure si le robot réserve trop de puissance. Les robots souples sont beaucoup plus délicats que leurs homologues robots traditionnels, ce qui rend leur conception plus difficile, par exemple les possibilités de perforation, de perte de puissance et de déversement d'huile. Ces robots mous ont définitivement besoin d'un aspect d'auto-guérison, comme le font déjà beaucoup de robots mous.
Des robots souples efficaces et robustes peuvent être très utiles dans la vie humaine car ils peuvent compléter les humains et travailler avec eux comme des robots « collaboratifs » plutôt que des robots qui remplacent les humains. De plus, les bras prothétiques traditionnels pourraient être plus doux, agréables et sensibles. Ces études sont prometteuses et si la forte demande en énergie pouvait être abordée, elle pourrait potentiellement révolutionner l'avenir des robots en termes de conception et de mode de déplacement.
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Sources)
1. Acome et al. 2018. Actionneurs électrostatiques auto-réparateurs à amplification hydraulique aux performances similaires à celles des muscles. Science. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Actionneurs Peano-HASEL : transducteurs électrohydrauliques biomimétiques à contraction linéaire lors de l’activation. Science Robotics , 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
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