Les robots manquent d'énergie bien avant de manquer de travail. Les nourrir pourrait changer cela
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Plus tôt cette année, un robot a bouclé un semi-marathon à Pékin en un peu moins de 2 heures et 40 minutes. C'est moins rapide que le vainqueur humain, qui a bouclé le semi-marathon en un peu plus d'une heure, mais cela reste un exploit remarquable. De nombreux coureurs amateurs seraient fiers de ce temps. Le robot a maintenu son rythme pendant plus de 21 kilomètres.
Mais il n'a pas réussi à le faire avec une seule charge. En cours de route, le robot a dû s'arrêter et changer ses batteries à trois reprises. Ce détail, bien que facile à négliger, en dit long sur un défi plus profond de la robotique : l'énergie.
Les robots modernes se déplacent avec une agilité incroyable, imitant la locomotion animale et exécutant des tâches complexes avec une précision mécanique. À bien des égards, ils rivalisent avec la biologie en matière de coordination et d'efficacité. Mais en matière d'endurance, les robots restent en deçà. Ils ne se fatiguent pas à l'effort, ils s'épuisent simplement.
En tant que chercheur en robotique spécialisé dans les systèmes énergétiques, (James Pikul) j'étudie ce défi de près. Comment les chercheurs peuvent-ils donner aux robots la même autonomie que les êtres vivants ? Et pourquoi sommes-nous encore si loin de cet objectif ? Si la plupart des recherches en robotique sur le problème énergétique se sont concentrées sur l'amélioration des batteries, une autre possibilité existe : construire des robots capables de manger.
Les robots se déplacent bien mais manquent de puissance
Les robots modernes se déplacent avec une agilité remarquable. Grâce à des décennies de recherche en biomécanique, contrôle moteur et actionnement, des machines comme Spot et Atlas de Boston Dynamics peuvent marcher, courir et grimper avec une agilité qui semblait autrefois inaccessible. Dans certains cas, leurs moteurs sont même plus performants que les muscles des animaux.
Mais l'endurance est une autre affaire. Spot, par exemple, ne peut fonctionner que 90 minutes avec une charge complète. Il lui faut ensuite près d'une heure pour se recharger. Ces autonomies sont bien loin des journées de travail de huit à douze heures attendues des travailleurs humains, ou de l'endurance de plusieurs jours des chiens de traîneau.
Le problème n'est pas la façon dont les robots se déplacent, mais la façon dont ils stockent l'énergie. La plupart des robots mobiles actuels utilisent des batteries lithium-ion, du même type que celles que l'on trouve dans les smartphones et les voitures électriques. Ces batteries sont fiables et largement disponibles, mais leurs performances s'améliorent lentement : chaque année, les nouvelles batteries lithium-ion sont environ 7 % plus performantes que la génération précédente. À ce rythme, il faudrait une décennie entière pour doubler l'autonomie d'un robot.
Les robots tels que l'Atlas de Boston Dynamic sont remarquablement performants, même pendant des périodes de temps relativement courtes.
Les animaux stockent l'énergie dans la graisse, une matière extrêmement dense : près de 9 kilowattheures par kilogramme. Cela représente environ 68 kWh au total pour un chien de traîneau, soit l'équivalent de l'énergie d'une Tesla Model 3 complètement chargée. Les batteries lithium-ion, en revanche, n'en stockent qu'une fraction, soit environ 0,25 kilowattheures par kilogramme. Même avec des moteurs très performants, un robot comme Spot aurait besoin d'une batterie des dizaines de fois plus puissante que celle d'aujourd'hui pour égaler l'endurance d'un chien de traîneau.
Et recharger n'est pas toujours une option. Dans les zones sinistrées, les champs isolés ou lors de missions de longue durée, il peut être difficile de trouver une prise murale ou une batterie de rechange.
Dans certains cas, les concepteurs de robots peuvent ajouter des batteries. Mais plus de batteries signifie plus de poids, ce qui augmente l'énergie nécessaire au déplacement. Dans les robots hautement mobiles, il faut trouver un équilibre délicat entre charge utile, performances et endurance. Pour Spot , par exemple, la batterie représente déjà 16 % du poids.
Certains robots utilisent des panneaux solaires , ce qui, en théorie, pourrait prolonger leur autonomie, notamment pour les tâches à faible consommation d'énergie ou dans des environnements lumineux et ensoleillés. Mais en pratique, l'énergie solaire fournit très peu d'énergie par rapport à ce dont les robots mobiles ont besoin pour marcher, courir ou voler à des vitesses raisonnables. C'est pourquoi la récupération d'énergie, comme les panneaux solaires, reste aujourd'hui une solution de niche, mieux adaptée aux robots stationnaires ou à très faible consommation d'énergie.
Pourquoi c'est important
Il ne s'agit pas seulement de limitations techniques. Elles définissent ce que les robots peuvent faire.
Un robot de sauvetage doté d'une batterie de 45 minutes pourrait ne pas durer suffisamment longtemps pour mener à bien une recherche. Un robot agricole qui s'arrête pour se recharger toutes les heures ne peut pas récolter à temps. Même dans les entrepôts ou les hôpitaux, une faible autonomie accroît la complexité et les coûts.
Si les robots doivent jouer un rôle significatif dans la société en aidant les personnes âgées, en explorant des environnements dangereux et en travaillant aux côtés des humains, ils doivent avoir l’endurance nécessaire pour rester actifs pendant des heures, et non des minutes.
De nouvelles chimies de batteries, telles que les batteries lithium-soufre et métal-air, offrent une voie d'avenir plus prometteuse. Ces systèmes présentent des densités énergétiques théoriques bien supérieures à celles des cellules lithium-ion actuelles. Certaines approchent les niveaux observés dans la graisse animale. Associées à des actionneurs convertissant efficacement l'énergie électrique de la batterie en travail mécanique, elles pourraient permettre aux robots d'égaler, voire de dépasser, l'endurance des animaux à faible masse grasse. Cependant, même ces batteries de nouvelle génération présentent des limites. Nombre d'entre elles sont difficiles à recharger, se dégradent avec le temps ou rencontrent des difficultés techniques dans les systèmes réels.
La recharge rapide peut contribuer à réduire les temps d'arrêt. Certaines batteries émergentes se rechargent en quelques minutes au lieu de plusieurs heures . Mais il y a des compromis à faire. La recharge rapide épuise la durée de vie de la batterie, augmente la chaleur et nécessite souvent une infrastructure de recharge lourde et puissante. Malgré les améliorations, un robot à recharge rapide doit encore s'arrêter fréquemment. Dans les environnements sans accès au réseau électrique, cela ne résout pas le problème fondamental de la limitation de l'énergie embarquée. C'est pourquoi les chercheurs explorent des alternatives, comme le ravitaillement des robots avec des carburants métalliques ou chimiques – similaires à ceux que consomment les animaux – pour contourner complètement les limites de la recharge électrique.
Les robots pourraient un jour exploiter l'énergie de matériaux à haute densité énergétique comme l'aluminium grâce à des systèmes digestif et vasculaire synthétiques. Yichao Shi et James Pikul
Une alternative : le métabolisme robotique
Dans la nature, les animaux ne se rechargent pas, ils mangent. La nourriture est convertie en énergie par la digestion, la circulation et la respiration. La graisse stocke cette énergie, le sang la transporte et les muscles l'utilisent. Les robots du futur pourraient suivre un modèle similaire avec des métabolismes synthétiques .
Certains chercheurs développent des systèmes permettant aux robots de « digérer » des métaux ou des combustibles chimiques et de respirer de l'oxygène . Par exemple, des réacteurs chimiques synthétiques, semblables à des estomacs, pourraient convertir des matériaux à haute énergie comme l'aluminium en électricité.
Cela s'appuie sur les nombreuses avancées en matière d'autonomie des robots, où les robots peuvent détecter des objets dans une pièce et naviguer pour les récupérer , mais ici, ils récupéreraient des sources d'énergie.
D'autres chercheurs développent des systèmes énergétiques à base de fluides circulant comme le sang. Un exemple précoce, un poisson robotisé , a triplé sa densité énergétique en utilisant un fluide multifonctionnel au lieu d'une batterie lithium-ion standard. Ce seul changement de conception a permis l'équivalent de 16 années d'améliorations des batteries, non pas grâce à une nouvelle chimie, mais grâce à une approche plus bio-inspirée. Ces systèmes pourraient permettre aux robots de fonctionner beaucoup plus longtemps, en tirant leur énergie de matériaux stockant bien plus d'énergie que les batteries actuelles.
Chez les animaux, le système énergétique ne se limite pas à fournir de l'énergie. Le sang contribue à réguler la température, à distribuer les hormones, à combattre les infections et à réparer les blessures. Les métabolismes synthétiques pourraient faire de même. Les robots du futur pourraient gérer la chaleur grâce à des fluides circulants ou se soigner grâce à des matériaux stockés ou digérés. Au lieu d'une batterie centrale, l'énergie pourrait être stockée dans tout le corps, dans les membres, les articulations et les composants mous.
Cette approche pourrait conduire à des machines non seulement plus durables, mais aussi plus adaptables, plus résilientes et plus réalistes.
L'essentiel
Les robots d’aujourd’hui peuvent sauter et sprinter comme des animaux, mais ils ne peuvent pas parcourir la distance.
Leurs corps sont rapides, leurs esprits s'améliorent, mais leurs systèmes énergétiques sont en retard. Si les robots veulent collaborer efficacement avec les humains, il faudra leur donner plus que de l'intelligence et de l'agilité. Il faudra leur donner de l'endurance.
Auteur James Pikul, The Conversation