Transformer des ensembles robotiques en matériaux intelligents imitant la vie
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Des chercheurs du pôle d'excellence « Physique du vivant » (PoL) de l'université technologique de Dresde et de l'université de Californie à Santa Barbara (USCB) ont conçu des groupes de robots qui se comportent comme des matériaux intelligents dont la forme et la résistance sont réglables, imitant ainsi les systèmes vivants.
« Nous avons trouvé un moyen pour que les robots se comportent davantage comme des matériaux », a déclaré Matthew Devlin, ancien chercheur doctorant dans le laboratoire d'Elliot Hawkes, professeur de génie mécanique à l'USCB, et auteur principal de l'article publié dans la revue Science. Composé de robots autonomes en forme de disque qui ressemblent à de petits palets de hockey, les membres du collectif sont programmés pour s'assembler en diverses formes avec différentes résistances matérielles.
L'équipe de recherche s'est particulièrement intéressée à la création d'un matériau robotique qui soit à la fois rigide et résistant, tout en étant capable de s'écouler lorsqu'une nouvelle forme est nécessaire. « Les matériaux robotiques doivent être capables de prendre une forme et de la maintenir », a expliqué Elliot Hawkes, “mais aussi de s'écouler sélectivement pour prendre une nouvelle forme”. Cependant, lorsque les robots sont fortement liés les uns aux autres dans un groupe, il n'est pas possible de reconfigurer le groupe de manière à ce qu'il puisse s'écouler et changer de forme à volonté. Jusqu'à présent.
Les chercheurs se sont inspirés des travaux antérieurs d'Otger Campàs, ancien professeur de l'UCSB et actuellement directeur du PoL à l'université de technologie de Dresde, sur la manière dont les embryons sont physiquement façonnés. « Les tissus embryonnaires vivants sont les matériaux intelligents par excellence », a-t-il déclaré. « Ils ont la capacité de s'auto-former, de s'auto-guérir et même de contrôler leur résistance matérielle dans l'espace et dans le temps. Lorsqu'il était à l'UCSB, son laboratoire a découvert que les embryons pouvaient fondre comme du verre pour se modeler. « Pour sculpter un embryon, les cellules des tissus peuvent passer d'un état fluide à un état solide, un phénomène connu sous le nom de transitions de rigidité en physique », a-t-il ajouté.
Au cours du développement d'un embryon, les cellules ont la capacité remarquable de s'organiser les unes autour des autres, transformant l'organisme d'une masse de cellules indifférenciées en une collection de formes discrètes - comme les mains et les pieds - et de consistances diverses, comme les os et le cerveau. Les chercheurs se sont concentrés sur l'activation de trois processus biologiques à l'origine de ces transitions de rigidité : les forces actives que les cellules en développement appliquent les unes aux autres et qui leur permettent de se déplacer ; la signalisation biochimique qui permet à ces cellules de coordonner leurs mouvements dans l'espace et dans le temps ; et leur capacité à adhérer les unes aux autres, qui confère finalement la rigidité à la forme finale de l'organisme.
Dans le monde des robots, l'équivalent de l'adhésion cellule-cellule est obtenu grâce à des aimants, qui sont incorporés dans le périmètre des unités robotiques. Ils permettent aux robots de s'accrocher les uns aux autres et à l'ensemble du groupe de se comporter comme un matériau rigide. Les forces supplémentaires entre les cellules sont codées en forces tangentielles entre les unités robotiques, activées par huit engrenages motorisés le long de l'extérieur circulaire de chaque robot.
En modulant ces forces entre les robots, l'équipe de recherche a pu permettre des reconfigurations dans des collectifs autrement complètement verrouillés et rigides, leur permettant de se remodeler. L'introduction de forces dynamiques entre les unités a permis de relever le défi consistant à transformer des collectifs robotiques rigides en matériaux robotiques malléables, à l'image des tissus embryonnaires vivants.
La signalisation biochimique, quant à elle, s'apparente à un système de coordonnées global. « Chaque cellule « connaît » sa tête et sa queue, ce qui lui permet de savoir dans quelle direction exercer une pression et appliquer des forces », assure Elliot Hawkes. De cette manière, le collectif de cellules parvient à modifier la forme du tissu, par exemple lorsqu'elles s'alignent les unes à côté des autres et allongent le corps. Dans les robots, cette prouesse est accomplie par des capteurs de lumière situés au sommet de chaque robot et dotés de filtres polarisés. Lorsque la lumière est projetée sur ces capteurs, la polarisation de la lumière leur indique dans quel sens faire tourner leurs engrenages et donc comment changer de forme. « Il suffit de leur dire en même temps, sous un champ lumineux constant, dans quelle direction vous voulez qu'ils aillent, et ils peuvent tous s'aligner et faire ce qu'ils ont à faire », ajoute Matthew Devlin.
Les chercheurs ont ainsi pu régler et contrôler le groupe de robots pour qu'il agisse comme un matériau intelligent : certaines sections du groupe activent les forces dynamiques entre les robots et fluidifient le collectif, tandis que dans d'autres sections, les robots s'accrochent simplement les uns aux autres, créant ainsi un matériau rigide. En modulant ces comportements dans le groupe de robots au fil du temps, les chercheurs ont pu créer des matériaux robotiques capables de supporter de lourdes charges, mais aussi de se remodeler, de manipuler des objets et même de s'auto-guérir.
Actuellement, le groupe robotique de démonstration comprend un petit ensemble d'unités relativement grandes (20). Cependant, les simulations menées par Sangwoo Kim, ancien postdoctorant au laboratoire de Campàs et aujourd'hui professeur assistant à l'EPFL, indiquent que le système peut être étendu à un plus grand nombre d'unités miniaturisées. Cela pourrait permettre de développer des matériaux robotiques composés de milliers d'unités, capables de prendre une multitude de formes et d'adapter leurs caractéristiques physiques à volonté, modifiant ainsi le concept d'objet que nous connaissons aujourd'hui.
Outre les applications au-delà de la robotique, telles que l'étude de la matière active en physique ou du comportement collectif en biologie, la combinaison de ces ensembles robotiques avec des stratégies d'apprentissage automatique pour les contrôler pourrait donner lieu à des capacités remarquables dans les matériaux robotiques, faisant d'un rêve de science-fiction une réalité.