Robotique musculaire: une nouvelle frontière en génie biomimétique

Dans un développement notable dans le domaine de la robotique, les chercheurs de Eth Zurich et de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont dévoilé une nouvelle jambe robotique qui imite les muscles biologiques plus étroitement que jamais. Cette innovation marque un écart important de la robotique traditionnelle, qui s’appuie sur des systèmes moteur depuis près de sept décennies.

L’effort de collaboration, dirigé par Robert Katzschmann et Christoph Keplinger, a abouti à un membre robotique qui présente des capacités remarquables d’efficacité énergétique, d’adaptabilité et de réactivité. Cette progression pourrait potentiellement remodeler le paysage de la robotique, en particulier dans les domaines nécessitant des mouvements mécaniques plus réalisables et polyvalents.

L’importance de ce développement s’étend au-delà de la simple nouveauté technologique. Il représente une étape cruciale vers la création de robots qui peuvent naviguer plus efficacement et interagir avec des environnements complexes et réels. En reproduisant plus étroitement la biomécanique des créatures vivantes, cette jambe musculaire ouvre de nouvelles possibilités d’applications allant des opérations de recherche et de sauvetage à des interactions plus nuancées dans la collaboration par l’homme-robot.

L’innovation: actionneurs électro-hydrauliques

Au cœur de cette jambe robotique révolutionnaire se trouvent des actionneurs électro-hydrauliques, baptisés Hasels par l’équipe de recherche. Ces composants innovants fonctionnent comme des muscles artificiels, offrant à la jambe ses capacités uniques.

Les actionneurs HASEL sont constitués de sacs en plastique remplis d’huile, rappelant ceux utilisés pour fabriquer des glaçons. Chaque sac est partiellement recouvert des deux côtés avec un matériau conducteur qui sert d’électrode. Lorsque la tension est appliquée à ces électrodes, elles s’attirent mutuellement en raison de l’électricité statique, semblable à la façon dont un ballon pourrait s’en tenir aux cheveux après avoir été frotté contre elle. À mesure que la tension augmente, les électrodes se rapprochent, déplaçant l’huile dans le sac et la faisant se contracter dans l’ensemble.

Ce mécanisme permet des mouvements de type musculaire appariés: à mesure qu’un seul actionneur se contracte, son homologue s’étend, imitant l’action coordonnée des muscles extenseurs et fléchisseurs dans les systèmes biologiques. Les chercheurs contrôlent ces mouvements via un code informatique qui communique avec des amplificateurs à haute tension, déterminant quels actionneurs devraient contracter ou s’étendre à un moment donné.

Contrairement aux systèmes robotiques conventionnels qui reposent sur des moteurs – une technologie vieille de 200 ans – cette nouvelle approche représente un changement de paradigme dans l’actionnement robotique. Les robots traditionnels à moteur luttent souvent avec des problèmes d’efficacité énergétique, d’adaptabilité et de besoin de systèmes de capteurs complexes. En revanche, la jambe de Hasel relève ces défis de manière nouvelle.

Avantages: efficacité énergétique, adaptabilité, capteurs simplifiés

La jambe électro-hydraulique démontre une efficacité énergétique supérieure par rapport à ses homologues pilotés à moteur. Lors du maintien d’une position pliée, par exemple, la jambe Hasel consomme beaucoup moins d’énergie. Cette efficacité est évidente dans l’imagerie thermique, qui montre une génération de chaleur minimale dans la jambe électro-hydraulique par rapport à la chaleur substantielle produite par les systèmes à moteur.

L’adaptabilité est un autre avantage clé de ce nouveau design. Le système musculo-squelettique de la jambe fournit une élasticité inhérente, ce qui lui permet de s’adapter de manière flexible à divers terrains sans avoir besoin de pré-programmation complexe. Cela imite l’adaptabilité naturelle des jambes biologiques, qui peuvent s’adapter instinctivement à différentes surfaces et impacts.

Peut-être le plus impressionnant, la jambe de Hasel peut effectuer des mouvements complexes – y compris des sauts élevés et des ajustements rapides – sans compter sur des systèmes de capteurs complexes. Les propriétés inhérentes des actionneurs permettent à la jambe de détecter et de réagir naturellement aux obstacles, simplifiant la conception globale et réduisant potentiellement les points de défaillance dans les applications du monde réel.

Applications et potentiel futur

La jambe robotique à propulsion musculaire montre des capacités qui repoussent les limites de ce qui est possible en génie biomimétique. Sa capacité à effectuer des sauts en hauteur et à exécuter des mouvements rapides met en évidence le potentiel de systèmes robotiques plus dynamiques et agiles. Cette agilité, combinée à la capacité de la jambe à détecter et à réagir aux obstacles sans réseaux de capteurs complexes, ouvre des possibilités passionnantes pour les applications futures.

Dans le domaine de la robotique souple, cette technologie pourrait améliorer la façon dont les machines interagissent avec des objets délicats ou naviguent sur des environnements sensibles. Par exemple, Katzschmann suggère que les actionneurs électro-hydrauliques pourraient être particulièrement avantageux pour développer des pinces hautement personnalisées. Ces pinces pourraient adapter leur force et leur technique d’adhérence en fonction de leur traitement d’un objet robuste comme une balle ou un élément fragile comme un œuf ou une tomate.

En regardant plus loin, les chercheurs envisagent des applications potentielles dans la robotique de sauvetage. Katzschmann spécule que les itérations futures de cette technologie pourraient conduire au développement de robots quadrupés ou humanoïdes capables de naviguer sur les terrains difficiles dans les scénarios de catastrophe. Cependant, il note que des travaux importants demeurent avant que de telles applications ne deviennent réalité.

Défis et impact plus large

Malgré sa nature révolutionnaire, le prototype actuel fait face à des limites. Comme l’explique Katzschmann: «Par rapport aux robots de marche avec des moteurs électriques, notre système est toujours limité. La jambe est actuellement attachée à une tige, saute en rond et ne peut pas encore se déplacer librement.» Surmonter ces contraintes pour créer des robots entièrement mobiles et alimentés musculaires représentent le prochain obstacle majeur pour l’équipe de recherche.

Néanmoins, l’impact plus large de cette innovation sur le domaine de la robotique ne peut pas être surestimé. Keplinger met l’accent sur le potentiel transformateur de nouveaux concepts matériels comme les muscles artificiels: «Le domaine de la robotique progresse rapidement avec les contrôles avancés et l’apprentissage automatique; en revanche, il y a eu beaucoup moins de progrès avec le matériel robotique, ce qui est tout aussi important.»

Ce développement signale un changement potentiel dans la philosophie de conception robotique, s’éloignant des systèmes rigides et moteur vers des actionneurs plus flexibles et musculaires. Un tel décalage pourrait conduire à des robots qui sont non seulement plus économes en énergie et adaptables mais aussi plus sûrs pour l’interaction humaine et plus capables d’imiter les mouvements biologiques.

La ligne de fond

La jambe robotique musclée développée par des chercheurs de Eth Zurich et du Max Planck Institute for Intelligent Systems marque une étape importante en génie biomimétique. En exploitant des actionneurs électro-hydrauliques, cette innovation offre un aperçu d’un avenir où les robots se déplacent et s’adaptent plus comme des créatures vivantes que des machines.

Bien que les défis restent dans le développement de robots entièrement mobiles et autonomes avec cette technologie, les applications potentielles sont vastes et excitantes. Des robots industriels plus dexterous aux machines de sauvetage agiles capables de naviguer dans les zones de catastrophe, cette percée pourrait remodeler notre compréhension de la robotique. Au fur et à mesure que la recherche progresse, nous pouvons être témoins des premiers stades d’un changement de paradigme qui brouille la ligne entre la mécanique et le biologique, potentiellement révolutionnant la façon dont nous concevons et interagissons avec les robots dans les années à venir.