Aucun robot ne peut égaler la capacité d'un écureuil à sauter d'une branche à l'autre — jusqu'à présent
infohightech ·
En s'appuyant sur des études sur les écureuils sauteurs, des étudiants de l'UC Berkeley conçoivent un robot capable de se poser sur une branche.
Des biologistes et des ingénieurs de l'Université de Californie à Berkeley ont collaboré pour découvrir comment les écureuils parviennent à atterrir et à garder l'équilibre sur une branche étroite, puis ont appliqué leurs connaissances à la conception d'un robot, Salto, capable d'atterrir sans problème. (Vidéo produite par Patrick Farrell. Images de l'écureuil : Sebastian Lee ; images du robot : Justin Yim)
Les ingénieurs ont conçu des robots qui rampent, nagent, volent et même se glissent comme un serpent, mais aucun robot ne peut rivaliser avec un écureuil, qui peut se faufiler à travers un fourré de branches, sauter par-dessus des trous périlleux et effectuer des atterrissages précis sur les branches les plus fragiles.
Des biologistes et des ingénieurs de l'Université de Californie à Berkeley tentent de remédier à cette situation. En s'appuyant sur des études biomécaniques des sauts et des atterrissages des écureuils, ils ont conçu un robot sauteur capable de se poser sur un perchoir étroit.
Cet exploit, rapporté le 19 mars dans la revue Science Robotics , constitue une étape importante dans la conception de robots plus agiles, capables de sauter parmi les fermes et les poutres des bâtiments en construction ou de robots capables de surveiller l'environnement dans les forêts enchevêtrées ou les canopées des arbres.
« Les robots dont nous disposons actuellement sont satisfaisants, mais comment les faire évoluer ? Comment les faire évoluer dans un environnement complexe, en cas de catastrophe, avec des tuyaux, des poutres et des câbles ? Les écureuils pourraient le faire sans problème. Les robots ne le peuvent pas », a déclaré Robert Full , l'un des principaux auteurs de l'article et professeur de biologie intégrative à l'UC Berkeley.
Un écureuil en liberté sautant d'un perchoir à une branche, instrumenté pour mesurer la force (en haut), fait partie d'une expérience menée à l'UC Berkeley pour comprendre comment l'animal atterrit sans dépasser ni sous-dépasser. Les résultats de l'équipe ont permis aux ingénieurs de l'UC Berkeley de modifier un robot unijambiste, appelé Salto, pour qu'il puisse sauter d'un perchoir en forme de branche à un autre – une première pour un robot. Sebastian Lee (image du haut) et Justin Yim (image du bas)
« Les écureuils sont les meilleurs athlètes de la nature », a ajouté Full. « Leur capacité à manœuvrer et à s'échapper est incroyable. L'idée est de définir des stratégies de contrôle qui offrent aux animaux un large éventail d'options comportementales pour réaliser des prouesses extraordinaires et d'utiliser ces informations pour construire des robots plus agiles. »
Justin Yim , ancien étudiant diplômé de l'UC Berkeley et co-auteur principal de l'article, a transposé les découvertes de Full et de ses étudiants en biologie chez les écureuils à Salto, un robot unijambiste développé à l'UC Berkeley en 2016, capable déjà de sauter, de faire du parkour et de réussir un atterrissage, mais uniquement sur terrain plat. Le défi consistait à réussir l'atterrissage en frappant un point précis : une tige étroite.
« Si vous essayez de sauter vers un point précis – comme jouer à la marelle –, il faut réussir à atterrir sans faire un pas », explique Yim, aujourd'hui professeur adjoint de sciences et d'ingénierie mécaniques à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UIUC). « Si vous sentez que vous allez tomber en avant, vous pouvez faire pivoter vos bras, mais vous vous redresserez probablement aussi pour éviter de tomber. Si vous sentez que vous tombez en arrière et que vous risquez de devoir vous asseoir, vous pouvez faire pivoter vos bras en arrière, mais vous vous accroupirez probablement aussi. C'est le même comportement que nous avons programmé dans le robot. S'il doit se balancer en dessous, il doit s'accroupir. S'il doit se balancer en avant, il doit se tendre et se redresser. »
Grâce à ces stratégies, Yim se lance dans un projet financé par la NASA visant à concevoir un petit robot unijambiste qui pourrait explorer Encelade, une lune de Saturne, où la gravité est un quatre-vingtième de celle de la Terre, et où un seul saut pourrait transporter le robot sur la longueur d'un terrain de football.
La nouvelle conception du robot est basée sur une analyse biomécanique des atterrissages d'écureuils détaillée dans un article accepté pour publication dans le Journal of Experimental Biology et publié en ligne le 27 février. Full est l'auteur principal et l'ancien étudiant diplômé Sebastian Lee est le premier auteur de cet article.
Mélanger biologie et robotique
Salto, abréviation de Saltatorial Agile Locomotion on Terrain Obstacles, est né il y a dix ans dans le laboratoire de Ronald Fearing, aujourd'hui professeur à l'École doctorale du Département de génie électrique et d'informatique (EECS) de l'Université de Californie à Berkeley. Ses capacités de saut, de parkour et d'atterrissage sont en grande partie le fruit d'une collaboration interdisciplinaire de longue date entre les étudiants en biologie du laboratoire Polypedal de Full et les étudiants en ingénierie du laboratoire Biomimetic Millisystems de Fearing .
Le robot monopode Salto est équipé de pinces ouvertes sur son pied. Les pinces étant incapables de saisir, Salto s'appuie sur son volant d'inertie et sur les ajustements de tension de ses jambes pour atterrir et garder l'équilibre sur une branche. Justin Yim
Durant les cinq années où Yim était étudiant diplômé à l'UC Berkeley — il a obtenu son doctorat en EECS en 2020, sous la direction de Fearing —, il rencontrait le groupe de Full toutes les deux semaines pour tirer des enseignements de leurs expériences de biologie. Yim essayait d'exploiter la capacité de Salto à atterrir à la verticale sur un terrain plat, même en extérieur, pour l'amener à toucher une cible spécifique, comme une branche. Salto était déjà équipé d'un volant d'inertie motorisé, ou roue de réaction, pour l'aider à s'équilibrer, un peu comme les humains font tourner leurs bras pour se rétablir. Mais cela ne suffisait pas à lui permettre d'atterrir directement sur un perchoir précaire. Il décida d'essayer d'inverser les moteurs qui propulsent Salto et de les utiliser pour freiner à l'atterrissage.
Soupçonnant que les écureuils faisaient de même avec leurs pattes à l'atterrissage, les équipes de biologie et de robotique ont travaillé en parallèle pour confirmer ce phénomène et démontrer que cela aiderait Salto à réussir son atterrissage. L'équipe de Full a équipé une branche de capteurs mesurant la force perpendiculaire à la branche lors de l'atterrissage, ainsi que le couple ou la force de rotation exercée par l'écureuil sur la branche avec ses pattes.
L'équipe de recherche a découvert, grâce à des vidéos haute vitesse et des mesures de capteurs, que lorsque les écureuils atterrissent après un saut héroïque, ils font le poirier sur la branche, dirigeant la force de l'atterrissage vers l'articulation de l'épaule afin de la solliciter le moins possible. À l'aide de coussinets sur leurs pattes, ils agrippent ensuite la branche et effectuent une torsion pour surmonter tout excès de couple menaçant de les projeter par-dessus ou par-dessous.
« La quasi-totalité de l'énergie – 86 % de l'énergie cinétique – a été absorbée par les pattes avant », a-t-il expliqué. « Ils effectuent des appuis avant sur la branche, puis le reste suit. Leurs pieds génèrent alors un couple de traction vers le haut s'ils passent par-dessous ; s'ils vont par-dessus – s'ils dépassent potentiellement – ils génèrent un couple de freinage. »
Mais ce qui est peut-être plus important encore pour l’équilibre, c’est qu’ils ont découvert que les écureuils ajustent également la force de freinage appliquée à la branche lors de l’atterrissage pour compenser un dépassement ou un dépassement insuffisant.
« Si vous visez un dépassement de la cible, vous pouvez générer moins de force de freinage ; votre jambe s'affaissera légèrement, ce qui réduira votre inertie et vous permettra de vous redresser pour corriger votre trajectoire », explique Full. « En revanche, si vous dépassez la cible, vous ferez l'inverse : vos jambes généreront plus de force de freinage pour avoir une plus grande inertie et ralentir, ce qui vous permettra d'atterrir en équilibre. »
Les écureuils effectuent un poirier lorsqu'ils atterrissent sur une branche, leurs pattes avant absorbant la majeure partie de la force de l'impact (flèche colorée). Ensuite, leurs pieds exercent une force de torsion (magenta) pour éviter un atterrissage trop long ou trop court, tandis que leurs pattes avant se raidissent ou se relâchent également pour modifier leur inertie et assurer un atterrissage stable. Sebastian Lee, UC Berkeley
Yim et Eric Wang, étudiant de l'Université de Californie à Berkeley, ont repensé Salto pour y intégrer des forces réglables au niveau des jambes, complétant ainsi le couple de la roue de réaction. Grâce à ces modifications, Salto a pu sauter sur une branche et garder l'équilibre à plusieurs reprises, malgré l'impossibilité de s'agripper avec ses pieds, a expliqué Yim.
« Nous avons choisi la voie la plus difficile et n'avons laissé au robot aucune possibilité d'appliquer un couple sur la branche avec ses pieds. Nous avons spécialement conçu une pince passive à très faible frottement pour minimiser ce couple », explique Yim. « Dans le cadre de travaux futurs, je pense qu'il serait intéressant d'explorer d'autres pinces plus performantes qui pourraient considérablement améliorer la capacité du robot à contrôler le couple appliqué sur la branche et à optimiser son atterrissage. Peut-être pas seulement sur les branches, mais aussi sur des terrains plats complexes. »
Parallèlement, Full étudie actuellement l'importance du couple exercé par la patte de l'écureuil à l'atterrissage. Contrairement aux singes, les écureuils ne possèdent pas de pouce utilisable permettant une préhension ; ils doivent donc saisir une branche avec leur paume, explique-t-il. Mais cela pourrait constituer un avantage.
« Si vous êtes un écureuil poursuivi par un prédateur, comme un faucon ou un autre écureuil, il est important d'avoir une prise suffisamment stable pour pouvoir sauter d'une branche rapidement, sans être trop ferme », explique-t-il. « Ils n'ont pas à se soucier de lâcher prise, ils rebondissent. »
Les robots unijambistes peuvent paraître peu pratiques, compte tenu du risque de chute à l'arrêt. Mais Yim affirme que pour sauter très haut, une seule jambe est la solution.
Le robot monopode proposé par Justin Yim, LEAP, intégrera des roues de réaction inclinées et un pied personnalisé pour naviguer sur le terrain glacé de la lune Encelade de Saturne. Justin Yim, UIUC
« Une seule jambe est idéale pour sauter ; on peut y consacrer le plus de puissance si on ne répartit pas cette puissance sur plusieurs appareils. Et les inconvénients d'une seule jambe s'atténuent à mesure que l'on saute plus haut », explique Yim. « Lorsque l'on saute à une hauteur bien supérieure à celle de ses jambes, on n'obtient qu'une seule allure, celle où chaque jambe touche le sol en même temps et où chaque jambe le quitte à peu près au même moment. À ce stade, avoir plusieurs jambes revient à n'en avoir qu'une seule. Autant n'utiliser qu'une seule. »