Un biceps artificiel soulève 500 grammes 5 000 fois sans faillir

Des ingénieurs américains ont mis au point un dispositif souple et flexible permettant aux robots de se déplacer en se dilatant et en se contractant, à l’image d’un muscle humain. Cette innovation pourrait transformer la conception des robots, en les rendant plus sûrs et plus adaptés aux environnements humains.

Les chercheurs ont utilisé leur nouveau dispositif, appelé actionneur, pour créer un robot souple en forme de cylindre, semblable à un ver, ainsi qu’un biceps artificiel. Lors des expériences, le robot cylindrique a navigué dans des courbes serrées d’un environnement étroit semblable à un tuyau, tandis que le biceps a soulevé un poids de 500 grammes 5 000 fois de suite sans défaillance.

Le corps de l’actionneur souple a été imprimé en 3D à partir d’un caoutchouc courant, ce qui a permis de réduire considérablement les coûts de fabrication des robots, évalués à environ 3 dollars en matériaux, hors le petit moteur qui entraîne le changement de forme de l’actionneur. En comparaison, les actionneurs rigides et rigides utilisés en robotique coûtent souvent des centaines à des milliers de dollars.

Selon les chercheurs, l’actionneur pourrait être utilisé pour développer des robots souples, flexibles et peu coûteux, plus sûrs et plus pratiques pour des applications réelles. «Les roboticiens sont motivés par un objectif de longue date : rendre les robots plus sûrs», a déclaré Ryan Truby, professeur à la Northwestern University. «Si un robot souple heurtait une personne, cela ne ferait pas aussi mal qu’un robot rigide et dur. Notre actionneur pourrait être utilisé dans des robots plus pratiques pour des environnements centrés sur l’humain. Et, parce qu’ils sont peu coûteux, nous pourrions potentiellement en utiliser davantage de manière historiquement trop coûteuse.»

Une conception inspirée des organismes vivants

Les actionneurs rigides ont longtemps été le pilier de la conception des robots, mais leur flexibilité, adaptabilité et sécurité limitées ont poussé les roboticiens à explorer les actionneurs souples comme alternative. Pour concevoir des actionneurs souples, Ryan Truby et son équipe s’inspirent des muscles humains, qui se contractent et se raidissent simultanément.

«Comment fabriquer des matériaux qui peuvent bouger comme un muscle ?» s’interroge Ryan Truby. «Si nous pouvons y parvenir, nous pourrons créer des robots qui se comportent et se déplacent comme des organismes vivants.»

Fabrication de structures complexes

Pour développer le nouvel actionneur, l’équipe a imprimé en 3D des structures cylindriques appelées «auxétiques de cisaillement manuel» (HSAs) en caoutchouc. Ces structures complexes permettent des mouvements et des propriétés uniques. Par exemple, lorsqu’elles sont tordues, les HSAs s’étendent et se dilatent. Bien les deux scientifiques aient déjà imprimé en 3D des structures HSA similaires pour des robots, ils utilisaient des imprimantes coûteuses et des résines plastiques rigides, rendant les HSAs incapables de se plier ou de se déformer facilement.

Pour surmonter ces défis, Kim a ajouté un soufflet en caoutchouc souple et extensible à la structure, agissant comme un arbre rotatif déformable. Lorsque le moteur fournit un couple, l’actionneur s’étend. En tournant simplement le moteur dans un sens ou dans l’autre, l’actionneur s’étend ou se contracte.

«Taekyoung a essentiellement conçu deux pièces en caoutchouc pour créer des mouvements semblables à ceux des muscles avec la rotation d’un moteur», a expliqué Ryan Truby. «Alors que le domaine a fabriqué des actionneurs souples de manière plus encombrante, Taekyoung a grandement simplifié l’ensemble du processus avec l’impression 3D. Désormais, nous avons un actionneur souple pratique que tout roboticien peut utiliser et fabriquer.»

Le robot résultant, semblable à un ver, mesurait seulement 26 centimètres de longueur et se déplaçait à une vitesse de plus de 32 centimètres par minute. Ryan Truby a noté que le robot et le biceps artificiel deviennent plus rigides lorsque l’actionneur est entièrement étendu.

«Comme un muscle, ces actionneurs souples se raidissent», a indiqué Ryan Truby. «Si vous avez déjà dévissé le couvercle d’un bocal, par exemple, vous savez que vos muscles se tendent et deviennent plus rigides pour transmettre la force. C’est ainsi que vos muscles aident votre corps à travailler. Cela a été une caractéristique négligée dans la robotique souple. De nombreux actionneurs souples deviennent plus mous lorsqu’ils sont utilisés, mais nos actionneurs flexibles deviennent plus rigides en fonctionnement.»

Vers des robots bio-inspirés

Truby et Kim estiment que leur nouvel actionneur représente une avancée vers des robots plus bio-inspirés. «Les robots capables de se déplacer comme des organismes vivants vont nous permettre d’envisager des tâches que les robots conventionnels ne peuvent pas accomplir», a conclu Ryan Truby.

Article : « A Flexible, Architected Soft Robotic Actuator for Motorized Extensional Motion » – DOI: 10.1002/aisy.202300866