Le robot à hélice enroulée franchit les obstacles par bonds.

Vous vous souvenez de ce jeu des « crayons dansants » auquel jouaient les écoliers, où ils passaient deux crayons dans un petit élastique, les tordaient plusieurs fois, puis les lâchaient pour les faire sauter au fur et à mesure que l’élastique se détendait ? Il s’avère qu’ils avaient pressenti des phénomènes robotiques futuristes importants, puisque les scientifiques appliquent désormais un principe similaire pour faciliter le mouvement des robots.

Des chercheurs de l’École d’ingénierie Samueli de l’UCLA et de l’Université du Michigan ont conçu un robot ressemblant à une grenouille. Ce robot se déplace grâce à des tiges flexibles qui se plient et se déforment à répétition. De petits moteurs alimentent ces tiges en énergie, qu’elles libèrent ensuite par brèves impulsions pour propulser la machine. Le robot peut sauter sur l’herbe et le sable, gravir de petites marches et, muni de nageoires, même nager.

Pour les petits robots, se déplacer peut s’avérer assez exigeant.

L’herbe, les terrains accidentés, les petites flaques d’eau et les objets divers peuvent devenir des obstacles majeurs lorsque la machine les dépasse à peine en hauteur. Sauter est une solution simple et efficace pour franchir ces obstacles ; cependant, cela exige une forte impulsion très brève, et produire cette impulsion avec les petits moteurs qui équipent généralement les robots miniatures est quasiment impossible. Ces moteurs fournissent généralement une énergie cinétique constante et continue, et non des impulsions d’énergie.

Aujourd’hui, les ingénieurs utilisent déjà des ressorts pour contourner ce problème : un moteur charge progressivement le ressort, stockant son énergie cinétique sous forme d’énergie potentielle qui peut ensuite être libérée rapidement pour propulser le robot. Des poutres et des coques flexibles s’emboîtant les unes dans les autres ont également été utilisées pour produire le mouvement. Cependant, contrôler ce comportement dans une structure tridimensionnelle peut s’avérer complexe, car la déformation peut être brutale ou progressive selon la forme et la charge appliquée, ne produisant ainsi que peu de l’impulsion nécessaire à un saut.

L’équipe UCLA-Michigan s’est attachée à déterminer précisément le facteur déterminant afin de pouvoir obtenir et reproduire le résultat souhaité à chaque fois. Les chercheurs ont d’abord utilisé des modèles informatiques pour prédire la réaction des tiges élastiques à différentes combinaisons de flexion et de torsion. Ils ont ensuite utilisé un bras robotisé pour déformer des tiges physiques et tester ces prédictions. Cela leur a permis de cartographier les conditions produisant un claquement net et d’utiliser ces résultats pour concevoir les membres du robot.

Les différents composants du robot à prise rapide Dezhong Tong/Université du Michigan/UCLA

Pour fabriquer les membres, l’équipe a courbé des tiges de Nitinol droites en spirales, un peu comme des segments de ressort. Ils ont fixé une extrémité à un support, l’autre étant reliée à un petit servomoteur. Lorsque le moteur fait tourner l’extrémité, la tige se déforme et emmagasine de l’énergie élastique. Finalement, sa forme devient instable et elle bascule brusquement vers une autre configuration.

Ce mouvement rapide exerce une poussée sur le sol, propulsant le robot vers le haut et vers l’avant. Le moteur inverse ensuite son sens de rotation pour réinitialiser le membre, une grande partie de cette réinitialisation ayant lieu pendant que le robot est en l’air. Une fois au sol, le robot peut se préparer à un nouveau saut. Voici une explication simple du principe physique sous-jacent, assez simple : un moteur relativement petit fournit une énergie cinétique constante sur une certaine durée. Ce flux d’énergie est insuffisant pour créer une accélération soudaine ; cependant, si l’on accumule suffisamment d’énergie et qu’on la libère simultanément, on obtient l’impulsion nécessaire pour propulser le robot.

Un autre aspect important du travail consistait à trouver un équilibre entre la force de propulsion et le temps de réinitialisation. Certaines configurations libéraient plus d’énergie, mais nécessitaient des rotations du moteur plus importantes entre les sauts. L’équipe a finalement conçu un système permettant une impulsion puissante et une récupération suffisamment rapide pour des sauts répétés.

Le robot représenté en train de franchir une série de petites marches en sautant Dezhong Tong/Université du Michigan/UCLA

Pour tester la capacité du système à faire bouger une machine entière, les chercheurs ont construit un robot de 11 cm de long et de 98,2 g doté de deux membres postérieurs articulés. Comme détaillé dans leur étude publiée dans Science Advances , ils l’ont ensuite comparé à une version équipée de pattes rigides sur du bois, du tissu, de l’acrylique, du cuir, de l’herbe et du sable. Les deux robots étaient équipés de moteurs de puissance égale ; l’un assurait un mouvement régulier et continu des pattes rigides, tandis que l’autre stockait de l’énergie de manière intermittente et la libérait par à-coups.

Le robot à pattes articulées se déplaçait plus rapidement sur toutes les surfaces, atteignant 3,21 fois sa longueur par seconde sur le bois. Sur l’ensemble des six surfaces, sa vitesse moyenne était de 2,46 fois sa longueur par seconde, contre 0,79 pour la version à pattes rigides. La différence était particulièrement flagrante sur le tissu et l’herbe, où le robot à pattes rigides peinait presque à se déplacer.

Le prototype a également gravi de petites marches et effectué des saltos arrière à répétition. Équipé de fines nageoires flexibles, il nageait à environ la moitié de sa longueur par seconde et pouvait contourner les obstacles, même lors de tests en présence de vent. Le mouvement des deux membres à des vitesses différentes lui permettait de se diriger. Sur terre, les chercheurs l’ont piloté à distance dans un bac à sable rempli de rochers et ont utilisé des capteurs de lumière pour démontrer sa capacité à se diriger de manière autonome vers une source lumineuse.

Ces minuscules robots peuvent sauter ou nager.

Alors, dans quels cas pratiques un robot sauteur s’avère-t-il utile ? Tout d’abord, les petits robots capables de franchir des débris et de se déplacer dans l’eau grâce à leurs mêmes membres sont précieux pour les inspections et les opérations de recherche et de sauvetage sur des sites jonchés de débris. Plutôt que de s’enliser ou de chercher à contourner un obstacle, le robot peut simplement le franchir d’un bond et poursuivre son chemin.

Outre la navigation, ce mécanisme permet également aux ingénieurs de réaliser des mouvements puissants sans avoir recours à un moteur plus gros. « L’intérêt principal réside dans la possibilité de laisser la mécanique du robot effectuer certaines tâches qui, autrement, nécessiteraient des moteurs plus puissants ou un système de contrôle plus complexe », explique Huang. Cela pourrait s’avérer utile, par exemple, pour une pince robotique à fermeture rapide.

Pour l’instant, le robot demeure un prototype de recherche doté de capacités de navigation rudimentaires. De plus, l’équipe n’a mesuré son avantage de vitesse que par rapport à sa version à pattes rigides. Pour prouver son efficacité, le robot devrait surpasser d’autres robots sauteurs à ressort. Les chercheurs estiment que les principes de conception pourraient à terme permettre de réaliser des robots de seulement quelques millimètres de large, car le comportement de la rotation dépend de la géométrie de la tige.

https://samueli.ucla.edu/frog-like-hopping-robot-propelled-by-twisting-elastic-rods/