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20 Mai, 2024

Les « SuperMembres » robotiques pourraient aider les astronautes à se remettre de leurs chutes

Les « SuperMembres » robotiques pourraient aider les astronautes à se remettre de leurs chutes

Deux photos montrent Erik portant la combinaison d’astronaute unique, de profil et de dos. La combinaison ressemble à un sac à dos métallique ouvert, rempli de fils et d’équipements, et doté de jambes.

Un nouveau système du MIT pourrait aider les astronautes à économiser leur énergie et à prolonger leurs missions sur la surface lunaire.

SuperLimbs, (SuperMembres) un système de membres robotiques portables construit par les ingénieurs du MIT, est conçu pour soutenir physiquement un astronaute et le remettre sur ses pieds après une chute, l’aidant ainsi à conserver son énergie pour d’autres tâches essentielles. Sur la photo, de gauche à droite, Sang-Yoep Lee, Harry Asada et Erik Ballesteros.

L’équipe du MIT envisage que les SuperLimbs puissent assister physiquement les astronautes après une chute et, ce faisant, les aider à conserver leur énergie pour d’autres tâches essentielles. « C’est un peu comme si une force supplémentaire se déplaçait avec vous », explique Erik Ballesteros (photo), qui a également essayé la combinaison et le bras d’assistance. « Imaginez que vous portiez un sac à dos et que quelqu’un vous saisisse par le haut et vous tire vers le haut. Avec le temps, cela devient naturel ».

Besoin d’un peu de légèreté ? Regardez des vidéos d’astronautes tombant sur la Lune. Les prises de vue de la NASA montrant les astronautes d’Apollo qui trébuchent en rebondissant au ralenti sont délicieusement réalistes.

Pour les ingénieurs du MIT, les bêtises lunaires sont aussi l’occasion d’innover.

« Les astronautes sont physiquement très compétents, mais ils peuvent éprouver des difficultés sur la Lune, où la gravité est six fois moindre que celle de la Terre, mais où leur inertie reste la même. En outre, le port d’une combinaison spatiale est un fardeau important qui peut restreindre leurs mouvements », explique Harry Asada, professeur d’ingénierie mécanique au MIT. « Nous voulons offrir aux astronautes un moyen sûr de se remettre sur pied en cas de chute ».

Harry Asada et ses collègues sont en train de concevoir une paire de membres robotiques portables capables de soutenir physiquement un astronaute et de le remettre sur ses pieds après une chute. Le système, que les chercheurs ont baptisé « membres robotiques surnuméraires » ou « SuperLimbs », est conçu pour s’étendre à partir d’un sac à dos, qui transporterait également le système de survie de l’astronaute, ainsi que le contrôleur et les moteurs nécessaires à l’alimentation des membres.

Les chercheurs ont construit un prototype physique, ainsi qu’un système de commande pour diriger les membres, en se basant sur les commentaires de l’astronaute qui l’utilise. L’équipe a testé une version préliminaire sur des sujets sains qui se sont également portés volontaires pour porter un vêtement contraignant semblable à la combinaison spatiale d’un astronaute. Lorsque les volontaires ont tenté de se lever d’une position assise ou couchée, ils l’ont fait avec moins d’effort lorsqu’ils étaient aidés par SuperLimbs que lorsqu’ils devaient se relever seuls.

L’équipe du MIT envisage que les SuperLimbs puissent aider physiquement les astronautes après une chute et, ce faisant, les aider à conserver leur énergie pour d’autres tâches essentielles. Cette conception pourrait s’avérer particulièrement utile dans les années à venir, avec le lancement de la mission Artemis de la NASA, qui prévoit de renvoyer des astronautes sur la lune pour la première fois depuis plus de 50 ans. Contrairement à la mission Apollo, qui était essentiellement exploratoire, les astronautes d’Artemis s’efforceront de construire la première base lunaire permanente, une tâche physiquement exigeante qui nécessitera de nombreuses sorties extravéhiculaires (EVA) prolongées.

« À l’époque d’Apollo, lorsque les astronautes tombaient, c’était dans 80 % des cas lors de travaux d’excavation ou d’autres travaux à l’aide d’un outil », explique Erik Ballesteros, membre de l’équipe et doctorant au MIT. « Les missions Artemis se concentreront sur la construction et l’excavation, et le risque de chute est donc beaucoup plus élevé. Nous pensons que les SuperLimbs peuvent les aider à récupérer afin qu’ils soient plus productifs et qu’ils prolongent leurs sorties extravéhiculaires.

Asada, Ballesteros et leurs collègues présenteront leur conception et leur étude cette semaine lors de la conférence internationale de l’IEEE sur la robotique et l’automatisation (ICRA). Parmi les coauteurs figurent Sang-Yoep Lee, postdoc au MIT, et Kalind Carpenter, du Jet Propulsion Laboratory.

Une prise de position

La conception de l’équipe est la dernière application des SuperLimbs, qu’Harry Asada a mis au point il y a une dizaine d’années et qu’il a depuis adapté à toute une série d’applications, notamment pour aider les travailleurs dans la fabrication d’avions, la construction et la construction navale.

Plus récemment, Asada et Ballesteros se sont demandé si les SuperLimbs pourraient aider les astronautes, d’autant plus que la NASA prévoit de renvoyer des astronautes à la surface de la lune.

« En communiquant avec la NASA, nous avons appris que le risque de chute sur la lune était très important », explique Harry Asada. « Nous avons réalisé que nous pouvions apporter quelques modifications à notre conception afin d’aider les astronautes à se remettre d’une chute et à poursuivre leur travail.

L’équipe a d’abord pris du recul pour étudier la manière dont les êtres humains se remettent naturellement d’une chute. Dans leur nouvelle étude, ils ont demandé à plusieurs volontaires en bonne santé d’essayer de se tenir debout après s’être couchés sur le côté, sur le devant et sur le dos.

Les chercheurs ont ensuite examiné comment les tentatives des volontaires pour se relever changeaient lorsque leurs mouvements étaient restreints, de la même manière que les mouvements des astronautes sont limités par l’épaisseur de leur combinaison spatiale. L’équipe a construit une combinaison imitant la rigidité des combinaisons spatiales traditionnelles et a demandé à des volontaires de l’enfiler avant d’essayer à nouveau de se lever à partir de différentes positions de chute. La séquence de mouvements des volontaires était similaire, mais nécessitait beaucoup plus d’efforts par rapport à leurs tentatives non encombrées.

L’équipe a cartographié les mouvements de chaque volontaire lorsqu’il se mettait debout et a constaté qu’ils effectuaient tous une même séquence de mouvements, passant d’une pose, ou « point de cheminement », à la suivante, dans un ordre prévisible.

« Ces expériences ergonomiques nous ont permis de modéliser de manière simple la façon dont un être humain se lève », souligne Erik Ballesteros. « Nous avons pu supposer qu’environ 80 % des êtres humains se lèvent de la même manière. Nous avons ensuite conçu un contrôleur autour de cette trajectoire. »

Un coup de pouce

L’équipe a mis au point un logiciel permettant de générer une trajectoire pour un robot, en suivant une séquence qui aiderait à soutenir un être humain et à le remettre sur ses pieds. Ils ont appliqué le contrôleur à un bras robotique lourd et fixe, qu’ils ont attaché à un grand sac à dos. Les chercheurs ont ensuite attaché le sac à dos à la combinaison volumineuse et ont aidé les volontaires à l’enfiler. Ils ont demandé aux volontaires de s’allonger à nouveau sur le dos, sur le devant ou sur le côté, puis leur ont demandé d’essayer de se mettre debout pendant que le robot détectait les mouvements de la personne et s’adaptait pour l’aider à se lever.

Dans l’ensemble, les volontaires ont pu se tenir debout de manière stable avec beaucoup moins d’efforts lorsqu’ils étaient assistés par le robot que lorsqu’ils essayaient de se tenir debout seuls en portant l’encombrante combinaison.

« On a l’impression qu’une force supplémentaire se déplace avec nous », explique M. Ballesteros, qui a également essayé la combinaison et l’assistance du bras. « Imaginez que vous portiez un sac à dos et que quelqu’un vous saisisse par le haut et vous tire vers le haut. Avec le temps, cela devient naturel ».

Les expériences ont confirmé que le système de contrôle peut diriger avec succès un robot pour aider une personne à se relever après une chute. Les chercheurs prévoient d’associer le système de contrôle à leur dernière version de SuperLimbs, qui comprend deux bras robotiques à articulations multiples pouvant s’étendre à partir d’un sac à dos. Le sac à dos contiendrait également la batterie et les moteurs du robot, ainsi que le système de ventilation d’un astronaute.

« Nous avons conçu ces bras robotiques sur la base d’une recherche d’IA et d’une optimisation de la conception, afin de rechercher des conceptions de manipulateurs robotiques classiques avec certaines contraintes d’ingénierie », explique Erik Ballesteros. « Nous avons filtré de nombreux modèles et cherché celui qui consomme le moins d’énergie pour soulever une personne. Cette version de SuperLimbs est le fruit de ce processus ».

Au cours de l’été, Ballesteros construira le système SuperLimbs complet au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, où il prévoit de rationaliser la conception et de minimiser le poids des pièces et des moteurs à l’aide de matériaux avancés et légers. Il espère ensuite associer les membres à des combinaisons d’astronautes et les tester dans des simulateurs de faible gravité, dans le but d’aider un jour les astronautes lors de futures missions sur la Lune et sur Mars.

« Le port d’une combinaison spatiale peut être un fardeau physique », note Harry Asada. « Les systèmes robotiques peuvent contribuer à alléger ce fardeau et aider les astronautes à être plus productifs pendant leurs missions.

Cette recherche a été soutenue en partie par la NASA.

https://news.mit.edu/2024/robotic-superlimbs-could-help-moonwalkers-recover-from-falls-0515