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Muscle artificiel

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 les applications industrielles, par exemple dans le cadre de l'automatisation, en particulier de la fabrication, car elles sont conçues pour être efficaces dans les tâches répétitives qui nécessitent beaucoup de force et de puissance. Les robots interagissent avec le monde physique via des capteurs et des actionneurs qu'ils contiennent et ils sont reprogrammables, ce qui les rend plus utiles et flexibles que les machines à fonction unique de routine. Il est évident d'après la façon dont ces robots sont conçus pour faire le travail que leurs mouvements sont extrêmement rigides, parfois saccadés, semblables à des machines et qu'ils sont lourds, imposants et qu'ils ne sont pas utiles lorsqu'une tâche particulière nécessite des quantités variables de force à différents moments. points. Les robots sont également parfois dangereux et peuvent avoir besoin d'enceintes sécurisées car ils ne sont pas sensibles à leur environnement. Le domaine de la robotique explore une variété de disciplines pour concevoir, construire, programmer et utiliser efficacement des machines robotiques dans divers domaines de l'industrie et de la technologie médicale avec des exigences différentes.

Dans des études jumelles récentes dirigées par Christoph Keplinger, des chercheurs ont doté des robots d'une nouvelle classe de muscles qui sont très similaires à nos muscles humains et ils possèdent et projettent force et sensibilité tout comme nous. L'idée centrale est de fournir des mouvements plus « naturels » à la machine, c'est-à-dire aux robots. 99.9% de tous les robots actuels sont des machines rigides en acier ou en métal, alors qu'un corps biologique est mou mais possède des capacités incroyables. Ces robots dotés de muscles « mous » ou « plus réels » peuvent être conçus de manière appropriée pour effectuer des tâches routinières et délicates (que les muscles humains effectuent quotidiennement), par exemple simplement ramasser un fruit ou placer un œuf dans un panier. Par rapport aux robots traditionnels, les robots équipés de 'muscles artificiels' seront comme des versions 'plus douces' d'eux-mêmes et plus sûres et ils pourraient ensuite être personnalisés pour effectuer presque n'importe quelle tâche à proximité de personnes, suggérant plusieurs applications possibles associées à et autour de la vie humaine. Les robots mous pourraient être appelés robots « collaboratifs », car ils seront spécialement conçus pour effectuer une tâche particulière d'une manière très similaire à celle d'un humain.

Les chercheurs ont essayé de créer des robots pour muscles mous. Un tel robot nécessitera un soft technologie pour se faire passer pour les muscles humains et deux de ces technologies ont été essayées par les chercheurs - les actionneurs pneumatiques et les actionneurs en élastomère diélectrique. Le « actionneur » est défini comme le dispositif réel qui déplace le robot, ou le robot montre un mouvement particulier. Dans les actionneurs pneumatiques, une poche souple est pompée avec des gaz ou des fluides pour créer un mouvement particulier. C'est une conception simple mais toujours puissante bien que les pompes ne soient pas pratiques et qu'elles aient des réservoirs encombrants. La deuxième technologie - les actionneurs en élastomère diélectrique utilisent le concept d'application d'un champ électrique à travers un plastique flexible isolant pour le déformer et ainsi créer un mouvement. Ces deux technologies à elles seules n'ont pas encore été couronnées de succès car lorsqu'un boulon électrique traverse le plastique, ces appareils tombent en panne lamentablement et ne résistent donc pas aux dommages mécaniques.

Des robots plus "humains" avec des muscles similaires

Dans les études jumelles rapportées dans Les sciences1 et Sciences Robotique2, les chercheurs ont pris les aspects positifs des deux technologies disponibles pour les muscles mous et ont créé un simple actionneur semblable à un muscle mou qui utilise l'électricité pour modifier le mouvement des liquides à l'intérieur de petites poches. Ces sachets souples en polymère contiennent un liquide isolant, par exemple une huile ordinaire (huile végétale ou huile de canola) du supermarché, ou tout autre liquide similaire peut être utilisé. Une fois que la tension a été appliquée entre les électrodes d'hydrogel placées entre les deux côtés de la poche, les côtés ont été attirés l'un vers l'autre, un spasme d'huile a lieu, pressant le liquide à l'intérieur et le faisant circuler à l'intérieur de la poche. Cette tension crée une contraction musculaire artificielle et une fois l'électricité coupée, l'huile se détend à nouveau, imitant un artificiel détente musculaire. L'actionneur change de forme de cette manière, et l'objet qui est connecté à l'actionneur montre un mouvement. Par conséquent, ce « muscle artificiel » se contracte et se relâche (flex) instantanément en quelques millisecondes de la même manière et avec la même précision et la même force que les vrais muscles squelettiques humains. Ces mouvements peuvent même battre la vitesse des réactions musculaires humaines, car les muscles humains communiquent simultanément avec le cerveau, provoquant un retard, bien que imperceptible. Par conséquent, grâce à cette conception, un système de fluide a été réalisé qui avait une commande électrique directe présentant une polyvalence et des performances élevées.

Dans la première étude1 in Les sciences, les actionneurs ont été conçus sous la forme d'un beignet et ils avaient la capacité et la dextérité de saisir et de tenir une framboise à l'aide d'une pince robotique (et de ne pas faire exploser le fruit !). Les dommages possibles causés par un boulon électrique lorsqu'il est passé à travers le liquide isolant (un problème majeur avec les actionneurs conçus précédemment) ont également été pris en charge dans la conception actuelle et tout dommage électrique a été auto-cicatrisé ou réparé instantanément par un nouveau écoulement de liquide dans la partie « endommagée » par un simple processus de redistribution. Cela a été attribué à l'utilisation d'un matériau liquide, qui est plus résistant, à la place d'une couche isolante solide utilisée dans de nombreuses conceptions précédentes et qui a été endommagée instantanément. Dans ce processus, le muscle artificiel a survécu à plus d'un million de cycles de contraction. Cet actionneur particulier, en forme de beignet, était facilement capable de cueillir une framboise. De même, en adaptant la forme de ces poches élastiques, les chercheurs ont créé une large gamme d'actionneurs avec des mouvements uniques, par exemple même en ramassant un œuf fragile avec précision et la force requise exacte. Ces muscles flexibles ont été appelés actionneurs « électrostatiques à auto-guérison à amplification hydraulique » ou actionneurs HASEL. Dans une deuxième étude2 publié dans sciences Robotique, la même équipe a en outre créé deux autres conceptions de muscles mous 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.

***

{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}

Sources)

1. Acome et al. 2018. Actionneurs électrostatiques auto-cicatrisants amplifiés hydrauliquement avec des performances musculaires. Science. 359 (6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139

2. Kellaris et al. 2018. Actionneurs Peano-HASEL : transducteurs électrohydrauliques musculaires mimétiques qui se contractent linéairement lors de l'activation. sciences Robotique. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276

Équipe SCIEU
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