Les robots de la taille d'un insecte deviennent plus agiles grâce à des actionneurs flexibles
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Des chercheurs ont développé de petits actionneurs inspirés des muscles pour aider des robots souples de la taille d'un insecte à se déplacer de manière autonome.
Images originales : Changyu Xu, Yajun Cao et al.
De petits robots autonomes capables d’accéder à des environnements exigus pourraient contribuer aux futures opérations de recherche et de sauvetage et à l’inspection des détails d’infrastructure difficiles d’accès pour les personnes ou les robots plus grands. Cependant, les moteurs conventionnels et rigides sur lesquels s'appuient de nombreux robots sont difficiles à miniaturiser à ces échelles, car ils se cassent facilement lorsqu'ils sont réduits ou ne peuvent plus surmonter les forces de frottement.
Des chercheurs ont développé un système élasto-électromagnétique inspiré des muscles pour construire des robots « mous » de la taille d'un insecte, fabriqués à partir de matériaux flexibles. « Il est devenu évident que les systèmes robotiques mous existants à cette échelle manquent encore de mécanismes d'actionnement à la fois efficaces et autonomes », explique Hanqing Jiang , professeur de génie mécanique à l'Université Westlake de Hangzhou, en Chine . Au lieu de cela, ils « requièrent souvent des stimuli agressifs tels qu'une haute tension , des champs externes puissants ou une lumière intense qui entravent leur déploiement en conditions réelles. »
Les muscles fonctionnent de manière similaire aux actionneurs, où les parties du corps bougent grâce à la contraction et à la relaxation des fibres musculaires. Connectés au reste du corps, le cerveau et les autres systèmes électriques permettent aux animaux d'effectuer toute une gamme de mouvements, y compris des schémas de mouvements générant des forces disproportionnées par rapport à leur masse corporelle.
Technologie d'actionneur inspirée des muscles
Le nouvel actionneur est composé d'un polymère de silicone flexible appelé polydiméthylsiloxane, d'un aimant en néodyme et d'une bobine électrique entrelacée de sphères de fer magnétiques souples . Les chercheurs ont fabriqué les actionneurs grâce à un procédé de moulage 2D permettant de les fabriquer à l'échelle millimétrique, centimétrique et décimétrique. Il est également adaptable à des dispositifs souples plus grands et plus puissants. « Nous avons délaissé la réponse des matériaux pour la conception structurelle des matériaux souples et l'avons combinée à des forces magnétiques statiques afin de créer un mécanisme d'actionnement innovant », explique Jiang. Les chercheurs ont publié leurs travaux dans Nature Communications .
Le nouvel actionneur est capable de se contracter comme un muscle grâce à un équilibre entre forces élastiques et magnétiques. Lorsqu'il se contracte, il génère un courant électrique qui crée une force de Lorentz entre la bobine électrique et l’aimant néodyme . L'actionneur se déforme alors lorsque les billes de fer réagissent à cette force accrue, ce qui permet au robot de se déplacer. Le polymère flexible garantit que le système peut se déformer et revenir à son état initial lorsque le courant cesse.
Le système testé par les chercheurs a atteint une force de sortie de 210 newtons par kilogramme, une tension de fonctionnement inférieure à 4 volts et est alimenté par des batteries embarquées. Il peut également subir d'importantes déformations, jusqu'à un taux de contraction de 60 %. Les chercheurs ont optimisé son efficacité énergétique en évitant une alimentation continue pour maintenir un état stable lorsque l'actionneur est immobile – une technique similaire à celle utilisée par les mollusques pour maintenir leur position grâce à leurs muscles de capture, qui peuvent maintenir une tension élevée sur de longues périodes en assemblant des filaments musculaires épais et fins pour économiser l'énergie.
Robots souples autonomes de la taille d'un insecte
Les chercheurs ont utilisé les actionneurs pour développer une série de robots souples de la taille d'un insecte qui pourraient présenter des mouvements adaptatifs autonomes de rampement, de natation et de saut dans divers environnements.
L'une de ces séries de robots de la taille d'un insecte était un groupe de chenilles souples et compactes, mesurant seulement 16 x 10 x 10 millimètres et pesant seulement 1,8 gramme. Ces robots étaient équipés d'une articulation de translation, d'une batterie lithium-ion de 3,7 volts (30 milliampères-heures) et d'un circuit de contrôle intégré. Cette configuration leur permettait de ramper par contractions et relaxations séquentielles, à la manière d'une chenille. Malgré sa petite taille, la chenille développait une force de 0,41 N, soit 8 à 45 fois plus puissante que les chenilles souples existantes de la taille d'un insecte.
Cette force de sortie permettait au robot de traverser des terrains difficiles d'accès – notamment la terre, la pierre brute, le PVC, le verre, le bois et des pentes comprises entre 5 et 15 degrés – tout en conservant une vitesse constante. Les robots insectes se sont également révélés très résistants aux chocs et aux chutes. Ils n'ont subi aucun dommage et ont continué à fonctionner même après une chute de 30 mètres du côté d'un bâtiment.
Les chercheurs ont également développé des robots rampants de 14 x 20 x 19 mm, pesant 1,9 g et exerçant une force de 0,48 N, qui se déplaçaient comme des chenilles. Ces robots utilisaient des articulations élasto-électromagnétiques rotatives pour déplacer les pattes d'avant en arrière et pesaient seulement 1,9 g. Les chercheurs ont également construit un robot nageur de 19 x 19 x 11 mm, pesant 2,2 g et exerçant une force de 0,43 N.
Parallèlement aux tests de déplacement des robots sur différentes surfaces, les chercheurs ont construit plusieurs parcours d'obstacles pour leur permettre de réaliser des opérations de détection. Le robot arpenteur a été placé sur un parcours d'obstacles comportant des chemins étroits et complexes et a utilisé un capteur d'humidité pour détecter les sources d'humidité. Les robots nageurs ont été testés en laboratoire et en rivière. Un parcours a été construit en laboratoire, où le nageur devait effectuer des opérations de détection chimique dans une chambre étroite à l'aide d'un détecteur de gaz à éthanol miniature intégré .
Jiang explique que les chercheurs étudient actuellement le développement d'essaims robotiques dotés de capteurs, capables de détection distribuée, de prise de décision et de comportement collectif. « En coordonnant de nombreux petits robots, nous souhaitons créer des systèmes capables de couvrir de vastes zones, de s'adapter à des environnements dynamiques et de répondre plus intelligemment à des tâches complexes. »
Jiang dit qu'ils étudient également le vol et d'autres mouvements de nage rendus possibles par le système élasto-électromagnétique, y compris un robot souple ressemblant à une méduse pour l'exploration des grands fonds et la recherche marine.