Des articulations rapides et efficaces inspirées de la nature alimentent les systèmes robotiques —
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Ce n’est pas la première fois que les araignées servent de modèles biologiques dans le domaine de la recherche en robotique douce. Les mécanismes d’actionnement hydrauliques qu’ils appliquent pour déplacer leurs membres lorsqu’ils tissent leur toile ou chassent des proies leur confèrent des pouvoirs dont de nombreux roboticiens et ingénieurs se sont inspirés.
Une équipe de chercheurs de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents en Allemagne et de l’Université de Boulder dans le Colorado aux États-Unis a maintenant trouvé une nouvelle façon d’exploiter les principes des articulations des araignées pour conduire des robots articulés sans composants ni connecteurs encombrants, qui alourdissent le robot et réduisent la portabilité et la vitesse. Leurs structures simples, élancées et légères impressionnent en permettant à un robot de sauter 10 fois sa hauteur. Fin mai, le travail de l’équipe intitulé « Actionneurs électrohydrauliques inspirés des araignées pour des articulations rapides et à action douce » a été publié dans Sciences avancées.
Les hautes performances sont rendues possibles par les articulations à actionnement doux électrohydraulique inspirées de l’araignée – les articulations SES en bref. Les articulations peuvent être utilisées dans de nombreuses configurations différentes – pas seulement lors de la création d’un arachno-bot. Dans leur article, les scientifiques démontrent une articulation bidirectionnelle, un membre artificiel à plusieurs segments et une pince à trois doigts, qui peut facilement saisir des objets délicats. Toutes les créations sont légères, simples dans leur conception et présentent des performances élevées, ce qui les rend idéales pour les systèmes robotiques qui doivent se déplacer rapidement et interagir avec de nombreux environnements différents.
Les chercheurs ont développé leurs articulations SES basées sur la technologie HASEL qui avait été précédemment inventée par l’équipe pour construire des muscles artificiels. Les articulations SES imitent un mécanisme exosquelettique inspiré des araignées composé d’éléments rigides et plus mous, qui fonctionnent de la même manière que l’extension des jambes de l’animal grâce à l’utilisation de forces hydrauliques.
Ils ont construit une poche souple faite de minces films plastiques (soit du polyester, soit du polypropylène) qu’ils ont remplis d’un diélectrique liquide, une huile végétale. Ils ont ensuite placé des électrodes de chaque côté de la poche. Ces poches remplies de liquide servent d’actionneurs, dans lesquels la puissance hydraulique est générée par des forces électrostatiques. La poche est attachée à un joint rotatif. Lorsqu’une haute tension est appliquée entre les électrodes, les forces électrostatiques provoquent le déplacement du diélectrique liquide à l’intérieur de la poche et la flexion du joint. Les joints SES sont capables de tourner jusqu’à 70 degrés, provoquant des couples élevés, et peuvent facilement revenir à la position de départ.
« Les articulations SES sont très simples et légères, car il n’y a pas de composants périphériques qui alourdissent le robot », explique Christoph Keplinger, directeur du département Robotic Materials à l’Institut Max Planck pour les systèmes d’intelligence. “De nombreuses applications pour les robots souples nécessitent des actionneurs polyvalents. Ces joints inspirés des araignées permettent une fonctionnalité élevée et ne consomment que peu d’énergie, ils sont faciles et peu coûteux à fabriquer – les plastiques que nous utilisons sont destinés à l’emballage alimentaire – et leur production est facilement Ce sont toutes des qualités essentielles à la conception de robots, qui peuvent se déplacer de différentes manières et manipuler une grande variété d’objets sans les casser.
Une pince à trois doigts était une application pour laquelle l’équipe a utilisé les joints SES pour montrer leur polyvalence. Si l’équipe avait équipé le préhenseur d’une structure semblable à un muscle, cela aurait été dans le chemin de l’objet que le préhenseur saisit. L’utilisation de joints SES comme charnières de la pince nécessitait beaucoup moins d’espace.
“La recherche se démarque parce que nous pouvons utiliser une grande variété de matériaux, même le plastique utilisé pour fabriquer des sacs de chips pour créer les sachets”, explique le premier auteur de la publication Nicholas Kellaris. “De cette façon, nous pouvons mettre en œuvre SES dans une grande variété de géométries avec des caractéristiques d’actionnement spécifiquement réglées.”
“Le but ultime de nos recherches n’était pas de fabriquer un robot araignée”, ajoute Philipp Rothemund, le deuxième auteur de la publication. “Nous voulions développer une articulation active à la pointe de la technologie que vous pouvez installer dans n’importe quel type de robot.”
Surtout pour les systèmes robotiques à petite échelle de quelques centimètres seulement, où l’espace limité restreint considérablement le choix des technologies d’actionneurs, les joints SES seront très utiles. Pour la communauté de la robotique douce, cette invention est vraiment un bond en avant.
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