Une peau électronique souple utilise des champs magnétiques pour détecter indépendamment les forces des trois axes
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Imaginez un avenir où votre robot ménager ne se contente pas de ranger votre maison, mais s’occupe aussi de tâches délicates comme laver des verres fragiles ou mettre la table sans faire tomber quoi que ce soit. Pour accomplir de telles tâches, un robot a besoin d’un sens du toucher avancé, capable de détecter et de s’adapter à différentes forces, à l’instar de la peau humaine. C’est là qu’intervient un nouveau type de peau électronique, récemment mis au point par des chercheurs du LIRMM (Laboratoire d’Informatique, de Robotique et de Microélectronique de Montpellier).
Les peaux électroniques (e-skins) sont des matériaux de détection flexibles conçus pour imiter la capacité de la peau humaine à capter des informations tactiles lors du contact avec des objets et des surfaces. Des peaux électroniques hautement performantes pourraient être utilisées pour améliorer les capacités des robots, pour créer de nouvelles interfaces haptiques et pour développer des prothèses plus avancées.
Ces dernières années, les chercheurs et les ingénieurs ont tenté de développer des e-skins dotés d'unités tactiles individuelles (c'est-à-dire des taxels (1)) capables de détecter avec précision les forces normales (c'est-à-dire perpendiculaires) et les forces de cisaillement (c'est-à-dire latérales). Si certaines de ces tentatives ont été couronnées de succès, la plupart des capteurs multi-axes existants reposent sur des conceptions complexes ou nécessitent des processus de fabrication et d'étalonnage complexes, ce qui limite leur déploiement à grande échelle.
- Un taxel, contraction de pixel tactile, manifeste une propriété biomimétique fondamentale en reproduisant spontanément le comportement d'un type de mécanorécepteur humain. Au même titre que la peau humaine, un taxel est souple et extensible. Il offre un possible gain énergétique grâce à son inspiration neuromorphique
Des chercheurs du CNRS-Université de Montpellier ont mis au point une nouvelle e-skin souple qui exploite les champs magnétiques pour détecter indépendamment les forces sur trois axes. Cette e-skin, décrite dans un article publié dans Nature Machine Intelligence , présente une conception simple qui pourrait être facile à reproduire à grande échelle.
« La détection tactile est importante pour que les humains et les robots puissent percevoir et interagir physiquement avec le monde, alors que les capteurs tactiles artificiels existants sont encore limités dans de nombreux aspects », a déclaré Youcan Yan, premier auteur de l'article.
« Inspirée par la peau humaine et la propriété d'auto-découplage du réseau de Halbach (2), cette recherche visait à développer une technologie de détection tactile capable de découpler les forces 3D dans une structure de capteur simple et un processus d'étalonnage. »
2) Un réseau de Halbach est une disposition particulière d'aimants permanents qui accroît le champ magnétique d'un côté tout en éliminant presque totalement le champ magnétique de l'autre côté1,2. Ceci est obtenu en faisant tourner les orientations des champs magnétiques sur les aimants successifs.
Mesures de la distribution de force tridimensionnelle sur une articulation artificielle du genou. Crédit : Yan et al.
Le capteur développé par Youcan Yan et ses collègues est constitué de trois couches principales. La couche supérieure est un film magnétique flexible, celle du milieu une feuille d'élastomère et la couche inférieure un circuit imprimé (PCB).
Lorsqu'un objet ou une surface touche le capteur, le film magnétique flexible supérieur se déforme. Cette déformation affecte à son tour le champ magnétique situé en dessous, ce qui permet à la couche inférieure à base de PCB de détecter les changements causés par le contact avec un objet ou une surface donnée.
« Une telle variation du champ magnétique est détectée par les capteurs Hall de la couche inférieure, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer la force appliquée », explique Youcan Yan.
« Par rapport aux capteurs non auto-découplants qui sont complexes dans leur structure ou leur processus d'étalonnage, notre capteur réduit les temps d'étalonnage des échelles cubiques (N 3 ) aux échelles linéaires (3N), permettant ainsi une conception simplifiée et un étalonnage facile qui sont importants pour les applications pratiques. »
Enseignement par robot à l'aide d'une démonstration tactile. Crédit : Yan et al.
Youcan Yan et ses collègues ont évalué leur capteur dans une série de tests préliminaires et ont découvert qu’il pouvait mesurer la distribution tridimensionnelle des forces qui lui étaient appliquées.
Les chercheurs ont montré qu'il pourrait être utilisé pour mesurer la distribution des forces sur les articulations artificielles du genou, pour enseigner aux robots de nouvelles compétences manuelles via des démonstrations tactiles et pour surveiller les signaux biologiques pendant que les utilisateurs sont engagés dans différentes activités.
« Nous avons découvert que la propriété d'auto-découplage 2D du réseau de Halbach peut être généralisée à la 3D en superposant deux films magnétiques flexibles magnétisés de manière sinusoïdale avec des motifs de magnétisation orthogonaux », a déclaré Youcan Yan.
« Cela constitue la base de la conception du capteur, et nous démontrons que notre capteur peut faciliter une gamme diversifiée d'applications, notamment la mesure de la distribution de force tridimensionnelle dans les articulations artificielles du genou, l'apprentissage par le toucher de la préparation du café par des robots et la surveillance des forces d'interaction entre les genouillères et la peau humaine au cours de diverses activités. »
Apprendre à un robot à faire du café en utilisant la démonstration tactile. Crédit : Yan et al.
Le capteur développé par cette équipe de chercheurs pourrait bientôt être amélioré et testé dans un plus large éventail de scénarios. À l’avenir, il pourrait être intégré à des systèmes robotiques existants ou nouvellement développés, à des technologies portables et à des prothèses pour améliorer leurs capacités de détection tactile.
« Nous allons maintenant optimiser davantage la conception du capteur, par exemple en modifiant les matériaux qui le composent et en l'intégrant à d'autres types de robots tels que les humanoïdes », a ajouté Youcan Yan.
https://techxplore.com/news/2024-12-soft-skin-magnetic-fields-independently.html