Questions-réponses : Les robots ne ressentent rien ; ces capteurs pourraient changer la donne.

Une équipe de recherche, dont Huanyu « Larry » Cheng , professeur agrégé de génie mécanique et de sciences de l'ingénieur à l’Université Penn State, utilise des capteurs de pression — de minuscules dispositifs, de la taille d'un trombone environ, capables de mesurer la force appliquée sur une zone — pour concevoir une « peau » électronique très sensible à utiliser avec des robots et des prothèses.

Cheng est co-auteur d'un article récemment paru dans Nano-Micro Letters , qui présente une conception améliorée de capteur de pression. Les capteurs développés par l'équipe peuvent être assemblés en un réseau interconnecté, offrant ainsi aux chercheurs et aux cliniciens une solution sans fil pour la reconnaissance de la distribution spatiale de la pression, des gestes de la main et même de différents types d'aliments en fonction de leur poids et de leur texture.

Dans la séance de questions-réponses qui a suivi, Cheng a abordé la technologie de détection de pression et la manière dont les travaux de son équipe pourraient aider les robots à « ressentir » avec précision la sensation du toucher.

Des chercheurs ont conçu de nouveaux capteurs permettant le contrôle à distance de systèmes robotiques et prothétiques. Comme l'illustre la démonstration, une main robotisée, équipée de ces capteurs, reproduit avec précision les gestes et les mouvements d'une main humaine. Afin d'éviter que le robot n'endommage les objets manipulés, la conception du réseau de capteurs confère à la main une grande sensibilité lors de la préhension d'objets fragiles. Crédit : Larry Cheng / Penn State

Q : Pourquoi les technologies actuelles de détection de pression peinent-elles à trouver un équilibre entre sensibilité et précision ? Comment avez-vous résolu ces problèmes avec votre nouvelle conception ?

Cheng : Malgré d’importants efforts de recherche et développement, il reste difficile pour les capteurs de pression flexibles d’atteindre simultanément une haute précision et une grande réactivité aux pressions faibles. Les conceptions classiques comportent souvent de nombreux réseaux conducteurs, mais leur agencement irrégulier affaiblit la résistance à la compression, ce qui limite la plage de détection et la stabilité à long terme.

Dans ce travail, nous avons conçu une plateforme flexible de détection de pression à base d'un matériau appelé aérogel d'oxyde de graphène réduit (rGOA) — un matériau incroyablement léger et riche en oxygène. Grâce à la cryo-coulée, une technique de fabrication qui solidifie des mélanges de liquides et de solides en un seul matériau, nous pouvons doter nos capteurs d'une microstructure anisotrope, c'est-à-dire que leurs résistances mécaniques varient selon la direction de la contrainte appliquée.

Grâce à ces ajustements, nos capteurs atteignent simultanément une sensibilité ultra-élevée, une large plage de détection de pression et une stabilité à long terme. Bien qu'un capteur individuel ne mesure qu'environ huit millimètres, il peut supporter une force d'environ 85 grammes et effectuer plus de 20 000 cycles de charge et de décharge. En assemblant ces capteurs en un réseau interconnecté, nous créons une sorte de « peau » artificielle capable de mesurer avec précision des variations de pression extrêmement faibles.

Q : Comment sont construits les capteurs ? Comment avez-vous testé leur efficacité ?

Cheng : Le capteur de pression a été fabriqué en prenant en sandwich du rGOA entre un film synthétique, semblable à du plastique, sur lequel sont imprimées des électrodes interdigitées (de petits dispositifs de mesure imprimés sur le matériau à l’encre argentée), et une fine couche de polymère à base de silicium. Cet assemblage garantit un contact électrique stable, une robustesse mécanique et une flexibilité adaptées aux applications pratiques.

Nous avons testé nos capteurs en mesurant leur réponse en courant sous une large gamme de pressions appliquées, tout en évaluant leur réponse en fréquence et leur stabilité sous différentes températures et humidités. Nos capteurs se sont révélés extrêmement sensibles, offrant une sensibilité presque deux fois supérieure à celle des capteurs de conception traditionnelle. De plus, ils ont affiché des temps de réponse et de récupération incroyablement rapides : ils réagissent aux variations de pression en un peu plus de 100 millisecondes et se rétablissent en seulement 40 millisecondes, alors que d’autres capteurs peuvent nécessiter plus de 250 millisecondes pour un cycle complet.

Ces capteurs permettent de visualiser en temps réel la pression exercée par des objets de poids et de formes variés, offrant ainsi aux chercheurs une analyse approfondie de l'interaction des différents objets du quotidien avec ces capteurs.  Crédit : Larry Cheng . Tous droits réservés .

Q : À quoi ressemble le processus d'assemblage des capteurs en une « peau artificielle » ? Quels types d'appareils et d'applications pourraient utiliser une telle peau ?

Cheng : Les capteurs peuvent être assemblés en réseau, permettant ainsi de recueillir de nombreuses mesures individuelles. Grâce à un microcontrôleur, un ordinateur miniature conçu pour exécuter une tâche spécifique, ces signaux de pression sont collectés, convertis en valeurs numériques et visualisés en temps réel. Cela permet aux capteurs d'identifier la position et l'intensité de la pression exercée par différents objets, ce qui peut s'avérer utile pour les prothèses, la manipulation robotique et la surveillance de l'état des batteries.

La flexibilité, l'ultra-haute sensibilité et la stabilité environnementale des capteurs permettent aux réseaux de s'adapter aux surfaces complexes pour une cartographie précise de la pression, permettant de visualiser la pression exercée entre deux surfaces. Ces capacités ouvrent de nouvelles perspectives en robotique intelligente, en objets connectés et en interfaces homme-machine, permettant la détection de variations de pression dynamiques dues à des objets irréguliers ou à de faibles variations de volume. Une application clé est la détection précoce du gonflement des batteries des véhicules électriques – un problème courant où l'augmentation de la pression interne peut causer des dommages irréparables à la batterie.

De plus, les capteurs peuvent identifier la forme des objets ou aider les systèmes robotiques à saisir des objets fragiles. Utilisés conjointement avec un manipulateur robotisé, comme une main ou un étau, les capteurs peuvent surveiller la pression en temps réel et la comparer à des seuils de sécurité prédéfinis afin d'éviter d'endommager l'objet. Ce système de retour de force permet au robot de suivre avec précision les mouvements de la main et de saisir des objets délicats tels que du tofu, du coton et des brioches vapeur, ce qui pourrait constituer une avancée majeure pour une interaction homme-machine efficace.

Q : Quelles sont les prochaines étapes pour ce travail ? Une commercialisation est-elle prévue à l'avenir ?

Cheng : Nous prévoyons de réduire la taille et le poids du capteur afin d’améliorer sa biocompatibilité et sa stabilité dans des environnements complexes. Des recherches complémentaires pourraient permettre une sensibilité programmable spatialement, autorisant ainsi un seul capteur ou réseau à détecter simultanément de faibles pressions dans une zone et à résister à des charges importantes dans une autre, tout en intégrant la détection de la pression, de la température ou de la déformation au sein d’une structure unique et complète.

Nous sommes convaincus que ces capteurs présentent un fort potentiel de déploiement et de commercialisation à l'avenir, notamment grâce à leur intégration dans des dispositifs portables et des robots commerciaux. Des réseaux de ces capteurs pourraient constituer une solution de détection performante et économique, tout en restant extrêmement flexible et personnalisable.

https://www.psu.edu/news/research/story/qa-robots-cant-feel-these-sensors-could-change