Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les robots sont incapables de marcher et de bouger leur corps avec autant de fluidité que nous ? Certains robots peuvent courir, sauter ou danser avec une plus grande efficacité que les humains, mais leurs mouvements corporels semblent également mécaniques. La raison en réside dans les os qui leur manquent.
Contrairement aux humains et aux animaux, les robots n’ont pas de véritables os ni de tissus flexibles qui les relient ; ils ont des liens et des joints artificiels faits de matériaux comme la fibre de carbone et les tubes métalliques. Selon Robert Katzschmann, professeur de robotique à l’ETH Zurich, ces structures internes permettent à un robot d’effectuer des mouvements, de saisir des objets et de maintenir différentes postures. Cependant, comme les liens et les articulations sont constitués de matériaux durs, les corps des robots ne sont pas aussi flexibles, agiles et mous que les corps humains. C’est ce qui rend les mouvements de leur corps si rigides.
Mais ils n’auront peut-être pas besoin de rester raides longtemps. Une équipe de chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich et de la startup américaine Inkbit ont trouvé un moyen d’imprimer en 3D la première main robotique au monde avec une structure interne composée d’os, de ligaments et de tendons de type humain. Ce qui rend la main encore plus spéciale, c’est qu’elle a été imprimée à l’aide d’une toute nouvelle méthode de dépôt à jet d’encre 3D appelée jet contrôlé par vision (VCJ).
Impression 3D contre robots
Actuellement, les robots imprimés en 3D sont généralement fabriqués à partir de polyacrylates à durcissement rapide. Ces polymères sont durables et se solidifient rapidement lors du dépôt. Cependant, pour éviter toute irrégularité, « Chaque couche imprimée nécessite une planarisation mécanique [the process of smoothing an uneven surface by using mechanical force], ce qui limite les niveaux de douceur et le type de produits chimiques pouvant être utilisés », notent les chercheurs. C’est pourquoi les robots standards imprimés en 3D ne sont pas très élastiques et sont limités dans leurs formes et leurs matériaux.
En raison de la solidification rapide du matériau imprimé, les scientifiques n’ont pas le temps d’apporter des modifications dans différentes couches et doivent utiliser des étapes de fabrication et d’assemblage distinctes pour fabriquer les différents composants d’un seul robot. Une fois qu’ils ont fini d’imprimer chaque pièce, ils assemblent ces différentes pièces et les testent minutieusement, ce qui rend le processus long et fastidieux.
C’est là que la méthode VCJ proposée peut faire une énorme différence. Ce processus d’impression 3D impliquait l’utilisation de polymères de thiolène souples à durcissement lent. « Ceux-ci ont de très bonnes propriétés élastiques et reviennent à leur état d’origine beaucoup plus rapidement après flexion que les polyacrylates », a déclaré Katzschmann, l’un des auteurs d’un nouvel article décrivant la nouvelle méthode.
Repenser l’impression 3D pour les robots
Dans un système VCJ, avec une imprimante 3D, il existe un scanner laser 3D qui inspecte visuellement chaque couche à la recherche d’irrégularités de surface au fur et à mesure de son dépôt. « Cette inspection visuelle rend le processus d’impression entièrement sans contact, ce qui permet de déposer une plus large gamme de polymères possibles. Nous avons, par exemple, imprimé avec des polymères à base de thiol car cela nous permettait de créer des structures résistantes aux rayons UV et à l’humidité », a déclaré Katzschmann à Ars Technica.
Après le balayage, il n’y a pas de planarisation mécanique de la couche déposée. Au lieu de cela, la couche suivante est imprimée de manière à compenser toutes les irrégularités de la couche précédente. « Un mécanisme de rétroaction compense ces irrégularités lors de l’impression de la couche suivante en calculant les ajustements nécessaires de la quantité de matériau à imprimer en temps réel et avec une précision extrême », a déclaré Wojciech Matusik, l’un des auteurs de l’étude et professeur d’informatique. sciences au MIT.
De plus, les chercheurs affirment que ce système contrôlé en boucle fermée leur permet d’imprimer simultanément la structure complète d’un robot. « Notre main robotique peut être imprimée en une seule fois, aucun assemblage n’est nécessaire. Cela accélère considérablement le processus de conception technique : on peut passer directement d’une idée à un prototype fonctionnel et durable. Vous évitez un outillage et un assemblage intermédiaires coûteux », a ajouté Katzschmann.
Grâce à la technique VCJ, les chercheurs ont réussi à imprimer une main robotique dotée de structures internes similaires à celles d’une main humaine. Équipée de tablettes tactiles et de capteurs de pression, la main robotique possède 19 structures ressemblant à des tendons (chez l’homme, les tendons sont les tissus conjonctifs fibreux qui relient les os et les muscles) qui lui permettent de bouger le poignet et les doigts. La main peut sentir le toucher, saisir des objets et arrêter les doigts lorsqu’ils touchent quelque chose. (Les chercheurs ont utilisé les données IRM d’une vraie main humaine pour modéliser sa construction.)
L’avenir de VCJ
En plus de la main, ils ont également imprimé un cœur robotique, un robot à six pattes et un métamatériau capable d’absorber les vibrations de son environnement. Les chercheurs suggèrent que tous ces robots fonctionnent comme des systèmes hybrides souples-rigides (des robots constitués à la fois de matériaux souples et durs) qui peuvent surpasser les robots durs en termes de flexibilité et surmonter les problèmes de conception et d’échelle auxquels sont confrontés les robots souples.
Étant donné que les robots souples sont constitués de matériaux flexibles comme des fluides ou des élastomères, il est difficile pour les scientifiques de maintenir leur géométrie et leur résistance à plus grande échelle, car les matériaux peuvent avoir du mal à conserver leurs propriétés physiques et leur intégrité structurelle. De plus, il est beaucoup plus facile de contrôler et d’alimenter un robot logiciel à l’échelle centimétrique ou millimétrique ; c’est pourquoi ils sont plus petits. VCJ, quant à lui, a le potentiel de donner naissance à des robots hybrides souples-rigides évolutifs.
« Nous prévoyons que VCJ remplacera à terme toutes les méthodes d’impression jet d’encre par contact. Avec VCJ, vous pouvez commencer à produire des pièces fonctionnelles pour la robotique, les implants médicaux et diverses autres industries. La haute résolution, les propriétés appropriées des matériaux et leur longue durée de vie rendent les impressions du système VCJ très utiles pour les applications de recherche et commerciales », a déclaré Katzschmann à Ars Technica.
Nature, 2023. DOI : 10.1038/s41586-023-06684-3 (À propos des DOI)
Rupendra Brahambhatt est un journaliste et cinéaste expérimenté. Il couvre l’actualité scientifique et culturelle et, au cours des cinq dernières années, il a travaillé activement avec certaines des agences de presse, magazines et marques médiatiques les plus innovantes opérant dans différentes parties du monde.