Un quadrupède économique et personnalisable pourrait aider les chercheurs à découvrir les avantages spécifiques liés à la longueur et à la segmentation des membres animaux.
The « Robot of Theseus » ou le « Robot de Thésée » est fabriqué à partir de pièces imprimées en 3D, permettant aux chercheurs de concevoir une grande variété de robots à pattes. Les inventeurs de l’Université du Michigan souhaitent aider les biologistes à exploiter la robotique pour comprendre les avantages et les inconvénients des changements morphologiques liés à l’évolution, et fournir un banc d’essai aux roboticiens pour développer des modèles adaptés à des tâches et des terrains spécifiques. Crédit photo : Brenda Ahearn, Faculté d’ingénierie de l’Université du Michigan.
Étude : Le robot de Thésée : un banc d’essai robotique modulaire pour la locomotion à pattes (DOI : 10.1088/1748-3190/ae3ec1)
Qu’est-ce qui, dans la morphologie du guépard, lui permet de courir si vite ? Qu’est-ce qui confère au loup son endurance exceptionnelle ?
Bien que des expériences sur les animaux puissent apporter des réponses partielles à ces questions, il est impossible d’isoler de nombreux facteurs en jeu. Un nouvel outil est désormais disponible : un robot open source hautement personnalisable, baptisé « Robot de Thésée » (TROT), développé à l’Université du Michigan.
Baptisé en hommage au « navire de Thésée » de la philosophie grecque, ce robot est composé de moteurs disponibles dans le commerce et de pièces imprimées en 3D, modulables pour adopter une grande variété de configurations. Ce projet répond à plusieurs problématiques rencontrées par les chercheurs travaillant sur les animaux et souhaitant utiliser la robotique pour des expériences biomécaniques, ainsi que par les roboticiens à la recherche de robots plus spécifiques. Si l’on dispose d’imprimantes 3D, le coût des pièces et des matériaux est inférieur à 4 000 $.
« En paléontologie, nous pouvons étudier les ossements, mais il est très difficile de comprendre comment ces changements dans les proportions des membres ou dans l’amplitude des mouvements ont pu influencer la locomotion d’un animal. Des robots imitant chacun un animal disparu avec une grande précision ont permis d’apporter des éclairages précieux sur cette question », explique Talia Moore , professeure adjointe de robotique, spécialiste en biologie évolutive et auteure principale de l’étude publiée dans Bionspiration and Biomimetics. « Mais la conception et la construction de chaque robot ont nécessité des années. »
« Je voulais créer un robot capable de se métamorphoser facilement en plusieurs espèces disparues aux proportions différentes, afin de pouvoir les comparer et observer comment l’évolution de la longueur de leurs membres et d’autres caractéristiques aurait influencé leur locomotion. Avec TROT, 60 millions d’années d’évolution de la taille corporelle peuvent se produire en 20 minutes. »
Utilisable, personnalisable et facile à mesurer
Les plans et guides d’assemblage des robots modulaires présentent trois avantages majeurs. Premièrement, ils sont accessibles à tous, même sans diplôme en robotique, grâce à l’équipement disponible dans de nombreuses universités. Comme l’a souligné Moore, la robotique permet d’éclairer des questions biologiques, mais peu de laboratoires d’évolution bénéficient d’une expertise en robotique.
Deuxièmement, la forme du robot est hautement personnalisable. Bien que l’étude publiée se concentre sur des modèles quadrupèdes, les chercheurs peuvent modifier presque tous les segments corporels : ajouter ou retirer des pièces, modifier l’amplitude des mouvements, etc. Ainsi, TROT peut modéliser la plupart des mammifères et permettre des comparaisons directes de variations sur une même structure, par exemple entre des espèces actuelles et disparues étroitement apparentées. Ils peuvent également tester des conceptions théoriques afin de déterminer si elles sont biomécaniquement défavorables ou simplement non éprouvées par l’évolution.
Troisièmement, les chercheurs ont imité l’élasticité et la rigidité des structures musculaires sans utiliser de ressorts ni d’élastiques, qui peuvent fausser les mesures. TROT simule ce mécanisme biologique de stockage et de restitution d’énergie grâce à des moteurs réversibles, qui récupèrent de l’énergie lorsqu’ils sont actionnés en marche arrière.
Le « Robot de Thésée » trône au sommet d’une structure rocheuse dans le « terrain de jeu robotique » de l’Université du Michigan. Fabriqué à partir de pièces imprimées en 3D, il permet aux chercheurs de concevoir une grande variété de robots à pattes. Ses inventeurs souhaitent aider les biologistes à exploiter la robotique pour comprendre les avantages et les inconvénients des changements morphologiques liés à l’évolution, et fournir un banc d’essai aux roboticiens pour développer des modèles adaptés à des tâches et des terrains spécifiques. Crédit photo : Brenda Ahearn, Faculté d’ingénierie de l’Université du Michigan.
« Les robots traditionnels sont conçus en privilégiant les applications industrielles et sont coûteux à fabriquer. TROT a été conçu dans un souci de facilité de fabrication », a déclaré Karthik Urs, jeune diplômé d’un master en robotique et premier auteur de l’étude.
« Le nombre total de pièces est réduit, et la plupart ne s’emboîtent que d’une seule façon. Ainsi, les scientifiques peuvent fabriquer la plupart des pièces du robot en interne avec des imprimantes 3D standard, les assembler et commencer les expériences plus rapidement. Cela accélère également le processus d’itération, un élément clé pour explorer la conception des robots et des expériences. »
Isoler les facteurs biomécaniques difficiles à mesurer chez les animaux
L’idée de ce robot est venue à Moore après la lecture d’une expérience de 1974 sur la course des guépards et des chèvres. Le mouvement de la jambe, à partir de la hanche, se comportant comme un pendule, les jambes dont la masse est plus importante loin de la hanche (moment d’inertie plus élevé) nécessitent plus d’énergie pour se déplacer que les jambes de même poids mais dont la masse est principalement concentrée près de la hanche. Ce concept a influencé l’interprétation des changements évolutifs des jambes : des membres de plus en plus effilés sont probablement associés à une course plus efficace.
Cependant, l’expérience de 1974 a montré que, malgré un moment d’inertie plus favorable au niveau des membres, la course d’un guépard lui coûte presque autant d’énergie qu’à une chèvre. Comme de nombreuses autres différences existaient entre ces animaux, explique Moore, le bénéfice d’un moment d’inertie plus faible était pratiquement incommensurable. À l’inverse, l’équipe de Moore a uniquement modifié la répartition du poids dans les membres de son robot et a pu isoler précisément le coût ou le bénéfice énergétique associé à cette modification.
TROT est conçu pour la recherche et l’enseignement plutôt que pour des applications robotiques opérationnelles. Bien que certaines pièces imprimées en 3D soient fragiles, elles sont également faciles à réparer et à remplacer. Néanmoins, les résultats d’études futures menées avec ce robot pourraient éclairer les conceptions commerciales. Actuellement, la plupart des quadrupèdes commerciaux ont des pattes avant et arrière de même longueur et de même forme, mais ce robot expérimental pourrait révéler comment optimiser les pattes en fonction des objectifs et des terrains auxquels il est destiné, et quantifier si les gains obtenus justifient l’augmentation des coûts de fabrication.
Les chercheurs et les passionnés peuvent télécharger les plans du robot sur le site de l’Université de Miami . Les instructions d’impression des pièces sont principalement destinées aux imprimantes 3D résine classiques, dites imprimantes à dépôt de fil fondu (FDM), une imprimante stéréolithographique étant nécessaire pour quelques composants.
Urs est désormais l’ingénieur en chef des vaisseaux spatiaux chez Argo Space.
https://news.umich.edu/open-source-modular-robot-for-understanding-evolution
