Des actionneurs à faible coût offrent une nouvelle approche des « muscles » artificiels pour des robots plus sûrs et plus souples

Des ingénieurs de l’Université Northwestern ont développé un nouvel appareil souple et flexible qui permet aux robots de se déplacer en se dilatant et en se contractant, tout comme un muscle humain.

Pour démontrer l’efficacité de leur nouveau dispositif, appelé actionneur, les chercheurs l’ont utilisé pour créer un robot souple cylindrique en forme de ver et un biceps artificiel. Lors des expériences, le robot souple cylindrique a parcouru les virages serrés en épingle à cheveux d’un environnement étroit en forme de tuyau, et le biceps a pu soulever un poids de 500 grammes 5 000 fois de suite sans défaillance.

Les chercheurs ayant imprimé en 3D le corps de l’actionneur souple à partir d’un caoutchouc ordinaire, les robots obtenus ont coûté environ 3 dollars en matériaux, sans compter le petit moteur qui entraîne le changement de forme de l’actionneur. Ce chiffre contraste fortement avec les actionneurs rigides et rigides typiques utilisés en robotique, qui coûtent souvent des centaines, voire des milliers de dollars.

Le nouvel actionneur pourrait être utilisé pour développer des robots peu coûteux, souples et flexibles, plus sûrs et plus pratiques pour les applications du monde réel, ont déclaré les chercheurs.

La recherche a été publiée le 8 juillet dans la revue Systèmes intelligents avancés.

« Les roboticiens sont motivés par un objectif de longue date : rendre les robots plus sûrs », a déclaré Ryan Truby de Northwestern, qui a dirigé l’étude.

« Si un robot mou heurte une personne, cela ne lui fera pas aussi mal qu’un robot rigide et dur. Notre actionneur pourrait être utilisé dans des robots plus pratiques pour les environnements centrés sur l’humain. Et, comme ils sont peu coûteux, nous pourrions potentiellement en utiliser davantage dans des domaines qui, par le passé, étaient trop coûteux. »

Truby est professeur junior June and Donald Brewer de science et d’ingénierie des matériaux et de génie mécanique à la McCormick School of Engineering de Northwestern, où il dirige le Robotic Matter Lab. Taekyoung Kim, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Truby et premier auteur de l’article, a dirigé les recherches. Pranav Kaarthik, candidat au doctorat en génie mécanique, a également contribué aux travaux.

Des robots qui « se comportent et se déplacent comme des organismes vivants »

Les actionneurs rigides sont depuis longtemps la pierre angulaire de la conception des robots. Leur flexibilité, leur adaptabilité et leur sécurité limitées ont poussé les roboticiens à explorer les actionneurs souples comme alternative. Pour concevoir des actionneurs souples, Truby et son équipe s’inspirent des muscles humains, qui se contractent et se raidissent simultanément.

« Comment peut-on fabriquer des matériaux capables de bouger comme un muscle ? », a demandé Truby. « Si nous y parvenons, nous pourrons alors fabriquer des robots qui se comportent et se déplacent comme des organismes vivants. »

Pour développer le nouvel actionneur, l’équipe a imprimé en 3D des structures cylindriques appelées « auxétiques à cisaillement manuel » (HSA) en caoutchouc. Difficiles à fabriquer, les HSA incarnent une structure complexe qui permet des mouvements et des propriétés uniques. Par exemple, lorsqu’ils sont tordus, les HSA s’étendent et se dilatent. Bien que Truby et Kaarthik aient imprimé en 3D des structures HSA similaires pour des robots par le passé, ils étaient obligés d’utiliser des imprimantes coûteuses et des résines plastiques rigides. Par conséquent, leurs HSA précédents ne pouvaient pas se plier ou se déformer facilement.

« Pour que cela fonctionne, nous devions trouver un moyen de rendre les HSA plus souples et plus durables », a déclaré Kim. « Nous avons trouvé comment fabriquer des HSA souples mais robustes à partir de caoutchouc en utilisant une imprimante 3D de bureau moins chère et plus facilement disponible. »

Kim a imprimé les HSA à partir de polyuréthane thermoplastique, un caoutchouc courant souvent utilisé dans les coques de téléphone portable. Bien que cela ait rendu les HSA beaucoup plus souples et flexibles, un défi subsistait : comment tordre les HSA pour les faire s’étendre et se dilater.

Les versions précédentes des actionneurs souples HSA utilisaient des servomoteurs classiques pour tordre les matériaux dans des états étendus et dilatés. Mais les chercheurs n’ont réussi à actionner les matériaux qu’après avoir assemblé deux ou quatre HSA, chacun avec son propre moteur. La fabrication d’actionneurs souples de cette manière a posé des problèmes de fabrication et d’exploitation. Elle a également réduit la souplesse des actionneurs HSA.

Pour construire un actionneur souple amélioré, les chercheurs ont voulu concevoir un seul HSA entraîné par un servomoteur. Mais l’équipe devait d’abord trouver un moyen de faire tourner un seul HSA à partir d’un seul moteur.

Simplifier « l’ensemble du pipeline »

Pour résoudre ce problème, Kim a ajouté à la structure un soufflet en caoutchouc souple et extensible qui se comportait comme un arbre rotatif déformable. Lorsque le moteur fournissait un couple (une action qui fait tourner un objet), l’actionneur s’étendait. Le simple fait de tourner le moteur dans un sens ou dans l’autre entraîne l’actionneur à s’étendre ou à se contracter.

« En gros, Taekyoung a conçu deux pièces en caoutchouc pour créer des mouvements musculaires en tournant un moteur », a déclaré Truby. « Alors que le domaine a fabriqué des actionneurs souples de manière plus compliquée, Taekyoung a grandement simplifié l’ensemble du processus grâce à l’impression 3D. Nous disposons désormais d’un actionneur souple pratique que n’importe quel roboticien peut utiliser et fabriquer. »

Le soufflet a fourni suffisamment de soutien à Kim pour construire un robot souple rampant à partir d’un seul actionneur qui se déplace de manière autonome. Les mouvements de poussée et de traction de l’actionneur ont propulsé le robot vers l’avant dans un environnement sinueux et contraint simulant un tuyau.

« Notre robot peut réaliser ce mouvement d’extension à l’aide d’une seule structure », a déclaré Kim. « Cela rend notre actionneur plus utile car il peut être intégré universellement dans tous les types de systèmes robotiques. »

La pièce manquante : la raideur musculaire

Le robot ainsi obtenu, semblable à un ver, était compact (il mesurait seulement 26 centimètres de long) et rampait – en marche avant et en marche arrière – à une vitesse d’un peu plus de 32 centimètres par minute. Truby a noté que le robot et le biceps artificiel devenaient plus rigides lorsque l’actionneur était entièrement déployé. Il s’agissait là d’une autre propriété que les robots mous précédents étaient incapables d’atteindre.

« Comme un muscle, ces actionneurs souples se raidissent », explique Truby. « Si vous avez déjà ouvert le couvercle d’un bocal, par exemple, vous savez que vos muscles se contractent et deviennent plus rigides pour transmettre la force. C’est ainsi que vos muscles aident votre corps à travailler. Cette caractéristique a été négligée dans la robotique souple. De nombreux actionneurs souples deviennent plus souples lorsqu’ils sont utilisés, mais nos actionneurs flexibles deviennent plus rigides lorsqu’ils fonctionnent. »

Truby et Kim affirment que leur nouvel actionneur constitue une nouvelle étape vers des robots davantage bioinspirés.

« Les robots capables de se déplacer comme des organismes vivants vont nous permettre d’envisager des robots effectuant des tâches que les robots conventionnels ne peuvent pas faire », a déclaré Truby.