Cet essaim de robot peut couler comme du liquide et soutenir le poids d’un humain

Avec leurs bases bleu vif, leurs engrenages jaunes et leurs circuits exposés, les robots imprimés en 3D ressemblent à des jouets d’un enfant. Pourtant, en tant que collectif d’environ deux douzaines de membres, ils peuvent circuler autour des obstacles avant de durcir dans des outils porteurs qui poussent, lancent, tordent des objets comme une clé et supportent jusqu’à 150 livres de poids.

L’idée originale de Matthew Devlin, Elliot Hawkes et des collègues de UC Santa Barbara et de Tu Dresde, les robots se comportent comme un matériau intelligent qui se transforme en différentes structures de charge selon les besoins. Chacun de largeur plus petite qu’une rondelle de hockey, les robots se sont inspirés de la façon dont nos cellules s’organisent en muscles, peau et os – chacun avec des propriétés mécaniques très différentes.

Surnommée «matière programmable» et «Claytronics», le concept de matériaux robotiques a longtemps intrigué des écrivains de science-fiction et des scientifiques. Composés d’essaims de robots, ils peuvent fondre et réformer, mais une fois enfermé dans une configuration, ils doivent être assez rigide et assez forts pour prendre du poids et emballer un coup de poing.

«Faire de cette vision une réalité changerait d’objets statiques – avec des propriétés fixées au moment de la conception – en matière dynamique qui pourrait se reconfigurer en myriades de formes avec diverses propriétés physiques», » a écrit L’équipe.

La nouvelle étude, publiée dans Scienceprésente une conception de preuve de concept. Selon les forces physiques et magnétiques ainsi que les signaux légers, les robots peuvent former de minuscules ponts qui soutiennent le poids, s’effondrent dans leur état d’écoulement et la réforme comme une clé fonctionnelle autour d’un objet. Chaque processus est contrôlé par la conception intégrale du robot.

«Nous avons trouvé un moyen pour les robots de se comporter davantage comme un matériau»,  » dit Devlin dans un communiqué de presse.

Inspiration inattendue

Modulaire robots et drone Les collectifs ont déjà impressionné la communauté de la robotique et des millions au-delà. Il y a plus d’une décennie, un mille buts préprogrammés Swarm a collaboré avec les voisins à proximité pour s’auto-assembler en formes complexes. Bien que dynamique, ils ne pouvaient pas supporter le poids. D’autres modèles ont été plus rigides et plus forts, mais ont eu du mal à se reconfigurer sans casser la dynamique des groupes.

La réalisation des deux propriétés était «un défi fondamental à surmonter», a écrit l’équipe. Pour que les matériaux robotiques deviennent réalité, ils doivent se déplacer dynamiquement entre un état fluide, dans lequel ils peuvent prendre de nouvelles formes, et un état solide une fois qu’ils atteignent leur forme finale.

La nature s’inspire.

Le pouvoir de trois

L’équipe a exploité des idées récentes tirées de l’étude des tissus embryonnaires. À partir d’un tas de cellules uniformes, ces tissus peuvent se réorganiser en plusieurs formes et Découper pour guérir les tissus. Répondant à un bain de signaux biochimiques dans le corps, ils finissent par former une variété de structures: des muscles fous, des os et des dents raides, une peau élastique ou un cerveau squishy.

«Les tissus embryonnaires vivants sont les matériaux intelligents ultimes», dit Auteur d’étude Otger Campàs.

Leur polyvalence repose sur trois caractéristiques principales.

Le premier est la force entre les cellules. Imaginez être dans un bus complètement emballé. Se retirer vous oblige à pousser un chemin sur plusieurs personnes. Les cellules sont les mêmes. Les gâteaux les uns contre les autres laissent chaque contrôle où ils sont dans l’espace et le temps en fonction de leurs instructions génétiques.

La seconde est la coordination. Pour éviter le chaos cellulaire, les cellules utilisent un tas de signaux biochimiques pour partager leurs positions et mouvements alors qu’ils disposent du paysage général d’un embryon en développement. Enfin, les cellules peuvent s’accumuler les unes sur les autres – l’adhésion cellulaire parmi les différents niveaux de force pour construire une vaste bibliothèque de tissus à différentes propriétés physiques.

La conception des robots capture chacune de ces fonctionnalités dans du matériel imprimé en 3D.

Le bas de chaque robot dispose de huit engrenages motorisés parsemant l’extérieur. Le fond n’est pas parfaitement circulaire. Certaines sections sont soigneusement sculptées, de sorte que les voisins peuvent toujours s’accrocher les uns aux autres et se glisser facilement sans se coincer, même lorsqu’ils sont étroitement emballés. Ce sont un peu comme les couvercles rainurés de bocaux de beurre d’arachide. Chaque équipement ne sort que légèrement hors du boîtier, suffisamment pour saisir un autre robot, mais aussi le libérer facilement en cas de besoin.

Pour imiter les signaux biochimiques, l’équipe s’est transformée en lumière. Chaque robot est équipé de capteurs lumineux sur le dessus et d’un film polarisé caché, similaire à la matériau qui tapisse certaines lunettes de soleil. Ces filtres ne laissent que des ondes lumineuses vibrant dans une direction particulière pour passer au capteur de lumière, indiquant aux robots quel chemin pour faire tourner leurs engrenages.

Enfin, les aimants dans de petites chambres sont distribués sur les bords des robots. Ceux-ci peuvent se rouler librement et s’en tenir aux robots voisins quelle que soit leur position, imitant l’adhésion cellulaire.

Robots, assembler

L’équipe a fabriqué environ deux douzaines de robots alimentés par batterie et les a mis au défi pour une série de tests. Les robots n’étaient pas autonomes: les scientifiques contrôlaient à la fois la force de préhension des engrenages et les signaux légers.

Un test a commencé avec deux tours de robots tournant les uns les autres jusqu’à ce qu’ils se transforment en un pont rigide. Un autre a commencé avec les robots en forme de diamant qui se sont ensuite étirés horizontalement dans un «moteur» qui pourrait pousser une haltère de cinq livres.

Un autre test imitait à peu près un entraînement pour vos bras. Environ 20 bots ont maintenu deux poids de cinq livres de chaque côté et se sont détendus un seul côté lorsqu’ils se sont invités, s’effondrant dans un état de fluide. Pendant tout ce temps, l’autre côté est resté fort.

Encore plus impressionnant, les robots grouillaient autour d’un clou et se sont solidifiés pour le maintenir en place. Ils ont également étreint un objet en forme de triangle sous leur forme liquide et se sont transformés en une clé capable de tordre l’objet. Dans une démonstration de force, un collectif de 30 robots a activement soutenu un humain, pesant environ 150 livres, alors qu’ils traversaient. Ensuite, sur commande, la structure a progressivement cédé comme la boue.

Ces expériences ont révélé une bizarrerie surprenante. Les robots pourraient plus facilement se transformer en une forme fluide lorsque les forces entre les robots fluctuaient légèrement. En revanche, la poussée constante les unes contre les autres a entraîné une impasse, où aucune unité unique ne pouvait se déplacer, torpille la dynamique globale des robots.

Les fluctuations de la force ont également permis d’économiser de l’énergie. Revenant à l’analogie du bus, c’est un peu comme à quel point la barricade humaine serrée est un peu plus facile que d’essayer de se frayer un chemin. L’ajout de ces fluctuations pourrait être particulièrement bénéfique pour les robots avec des ressources électriques limitées, telles que celles qui fonctionnent sur des batteries.

Pour l’instant, le Robot Collective n’a été testé que dans environ deux douzaines d’unités physiques. Mais les simulations informatiques d’environ 400 suggèrent que leur dynamique physique reste la même et que la configuration est évolutive.

L’équipe envisage de miniaturiser le système. Ils sont également impatients d’explorer la technologie dans les robots mous. Comme les cellules vivantes, chaque unité serait en mesure d’étirer et de changer sa forme ou sa taille. Bien que ces robots soient probablement limités par les propriétés des matériaux, un essaim pourrait encore changer considérablement la structure globale et la flexibilité de toute architecture finale.

Ajoutez une dose de méthodes de contrôle de pointe – telles que l’IA – pour affiner davantage comment les unités interagissent et les résultats pourraient «conduire à des capacités émergentes passionnantes dans les matériaux robotiques», ont écrit les auteurs.