Un petit saut pour le muscle, un grand pas pour la robotique
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Ces robots sont dotés de véritables muscles et font enfin de grands progrès. Des chercheurs de l’ETH Zurich ont mis au point des actionneurs musculaires capables de se déformer suffisamment pour permettre à de petits robots de sauter, nager, marcher et saisir des objets.
| A venir – Au lieu de les développer dans le cadre de processus distincts, des chercheurs de l’ETH ont, pour la première fois, conçu conjointement sur ordinateur du tissu musculaire vivant à l’échelle du centimètre et son échafaudage artificiel souple. – Les actionneurs musculaires ainsi obtenus atteignent une amplitude de mouvement jusqu’à onze fois supérieure à celle des systèmes antérieurs dotés d’une masse musculaire comparable. – Grâce à ces moteurs musculaires, les chercheurs ont construit de petits robots biohybrides capables, entre autres, de sauter, de nager, de marcher et de saisir des objets. |
Le tissu musculaire squelettique cultivé en laboratoire est certes capable de se contracter, mais jusqu’à présent, cette contraction est souvent si faible que le mouvement est à peine perceptible. Cela pose un problème pour les robots biohybrides destinés à se déplacer à l’aide de muscles vivants. Des chercheurs de l’ETH Zurich ont désormais démontré que ce n’est pas seulement la quantité de tissu musculaire qui est déterminante, mais surtout la manière dont le muscle et la structure artificielle interagissent.
Leurs « bioactionneurs » associent du tissu musculaire squelettique vivant, cultivé à partir de cellules musculaires de souris, à une matrice souple en hydrogel. Il s’agit d’un matériau souple et riche en eau, qui peut se déformer avec une flexibilité similaire à celle des tissus biologiques. La nouveauté réside dans le fait que ces deux éléments sont conçus ensemble comme un seul et même système. Ils ont d’abord calculé, à l’aide d’une simulation informatique, la quantité de tissu musculaire à placer à chaque endroit, ainsi que les caractéristiques que devait présenter la structure en hydrogel pour les achats.
Aiste Balciunaite et Mike Y. Michelis, coauteurs principaux d’un article récemment publié dans la revue spécialisée Nature Communications ont développé ensemble une nouvelle approche à cet effet. Dans ce cadre, le muscle et l’armature sont conçus conjointement dès le départ. Balciunaite, doctorante au Soft Robotics Lab du professeur Robert Katzschmann de l’ETH, explique : « Au lieu de définir une forme fixe pour la géométrie de nos muscles, nous avons voulu concevoir l’ensemble à partir de zéro sur ordinateur. »
La déformation est visible à l’œil nu
Pour ce faire, les chercheurs ont conçu la disposition du tissu musculaire et la structure non pas séparément, mais conjointement sur ordinateur. Un algorithme a recherché des configurations dans lesquelles la contraction du muscle génère un mouvement aussi ample que possible de l’ensemble du composant. Les chercheurs ont ensuite fabriqué en laboratoire les actionneurs musculaires calculés et les ont testés expérimentalement. Les armatures ont été réalisées par impression 3D à l’aide d’une technique appelée « xolographie », qui utilise la lumière et prend environ une minute par armature.
« Bien sûr, il s’agissait d’un processus itératif », se souvient Balciunaite. Les expériences ont fourni des informations sur les propriétés des matériaux et les conditions de fabrication, qui ont à leur tour été intégrées dans la simulation informatique.
Ils ont mis au point des « bioactionneurs » d’environ 1,5 centimètre de long. Il s’agit de moteurs composés de tissu musculaire vivant et d’une structure artificielle en hydrogel. Ils peuvent se déformer à tel point que le mouvement est visible à l’œil nu. Les chercheurs font état d’une amplitude de mouvement jusqu’à onze fois supérieure à celle des systèmes antérieurs dotés d’une masse musculaire comparable. « Avec les systèmes précédents, il fallait parfois observer au microscope pour détecter la déformation », explique Balciunaite.
Sauter, nager, saisir
Les bioactionneurs récemment mis au point peuvent sauter, nager, se déplacer au sol et saisir des objets. C’est le saut qui a le plus impressionné Balciunaite. Il s’agit en effet d’un mouvement plutôt inhabituel qui exige une déformation particulièrement importante. C’est précisément cette expérience qui montre à quel point l’interaction entre le muscle vivant et la structure artificielle souple est importante.
En une seule contraction, l’actionneur se soulève d’environ cinq millimètres du fond du plateau, ce qui correspond à un tiers de sa longueur. Une version capable de marcher parcourt 6,2 millimètres par seconde et est ainsi, par rapport à sa longueur, plus rapide que n’importe quel robot biohybride capable de courir connu à ce jour.
Les impulsions électriques provoquent la contraction des cellules musculaires, ce qui plie l’actionneur et propulse le minuscule robot à la surface (Vidéo : Balciunaite et al., Nature Communications 2026 / CC BY 4.0).
Si ces petits robots sont capables de bouger autant, ce n’est pas uniquement grâce au tissu musculaire. Le fait que le muscle et l’armature forment une liaison continue et solide est déterminant. De fines rainures dans l’armature aident le tissu à s’ancrer solidement et à aligner ses fibres musculaires. Ainsi, la perte de force musculaire est réduite au minimum lors de sa transmission à l’armature.
Le chemin jusqu’à la commercialisation est encore long
Toutefois, ces robots biohybrides dépendent pour l’instant d’un liquide nutritif dans lequel leur tissu musculaire peut survivre. Les chercheurs sont encore loin de pouvoir proposer un robot utilisable à long terme. Katzschmann explique que les systèmes de plus grande taille nécessitent une sorte de circulation sanguine artificielle : un système vasculaire qui achemine l’oxygène et les nutriments vers les tissus et élimine les déchets. C’est l’un des principaux défis pour la suite du développement.
La variabilité naturelle des tissus vivants constitue un autre défi. Contrairement aux composants fabriqués industriellement, les moteurs musculaires cultivés ne se comportent pas tous exactement de la même manière. Les chercheurs souhaitent donc mieux comprendre et contrôler la manière dont le tissu musculaire se développe au cours de sa maturation en laboratoire.
Pourquoi des muscles vivants, au juste ?
Pour Katzschmann, cette étude montre avant tout le potentiel que recèle l’interaction entre les tissus vivants et les structures artificielles souples. Les muscles ne se contentent pas de générer de la force. Ils peuvent modifier leur forme et influencer ainsi la manière dont un corps se déplace et se déforme. La forme du muscle elle-même devient un élément que les ingénieurs peuvent façonner, au lieu d’être une contrainte fixe qu’il faut contourner.
Ces travaux montrent également à quel point différents domaines de recherche doivent collaborer étroitement pour y parvenir. Ce n’est que grâce à la synergie entre la biologie cellulaire, la Science et ingénierie des matériaux, la robotique et la conception assistée par ordinateur qu’il a été possible de développer le tissu musculaire et la structure artificielle comme un système commun.
Pour Katzschmann, cela ouvre également des perspectives à plus long terme : à l’avenir, les systèmes robotiques pourraient s’inspirer davantage des propriétés des organismes vivants, au lieu de générer des mouvements exclusivement à l’aide de moteurs conventionnels et de composants rigides. « Nous commençons tout juste à construire des robots d’une manière plus naturelle », déclare-t-il.
La vidéo montre comment les chercheurs ont procédé pour construire les robots biohybrides : de la conception informatique à la culture des muscles sur l’hydrogel en laboratoire, jusqu’au robot nageur. (Vidéo : Aiste Balciunaite / ETH Zurich)