Vers, ressorts et robots mous: de minuscules créatures inspirent des sauts géants

Des chercheurs de Georgia Tech récemment dévoilé une réalisation impressionnante: Un robot doux de 5 pouces de long qui peut se catapulter à 10 pieds dans l’air – la hauteur d’un cerceau de basket – sans jambes. Le design a été inspiré par l’humble nématode, un minuscule plus mince des ver-rond que les cheveux humains qui peuvent sauter plusieurs fois sa longueur de corps.

En pinçant son corps dans des plis serrés, le ver stocke l’énergie élastique puis la libère soudainement, se jetant vers le ciel ou vers l’arrière comme une gymnaste acrobatique. Les ingénieurs ont imité ce mouvement. Leur robot «softjm» est essentiellement une tige de silicone flexible avec une squelette en fibre de carbone rigide. Selon la façon dont il se penche, il peut sauter vers l’avant ou vers l’arrière – même s’il n’a ni roues ni jambes.

En action, le robot inspiré des nématodes se réunisse un peu comme une personne accroupie, puis de façon explosive pour sauter. Une caméra à grande vitesse montre comment le ver courbe sa tête vers le haut et se plie au milieu de son corps pour sauter en arrière, puis se redresse et se plie à la queue pour sauter en avant.

L’équipe de Georgia Tech a constaté que ces virages serrés – normalement un problème dans les tuyaux ou les câbles – permettent en fait que le ver et le robot stockent beaucoup plus d’énergie. Comme un chercheur l’a noté, les pailles ou les tuyaux pliés sont inutiles, mais un ver plié agit comme un ressort chargé. En laboratoire, le robot doux reproduit Cette astuce: il «pince» son milieu ou sa queue, se lance, puis libère une rafale (environ un dixième de milliseconde) pour planer dans les airs.

Robots mous en augmentation

Soft Robotics est un domaine jeune mais en croissance rapide qui s’inspire souvent de la nature. Contrairement aux machines métalliques rigides, les robots mous sont faits de matériaux flexibles qui peuvent serrer, étirer et s’adapter à leur environnement. Les premiers étapes sur le terrain comprennent Octobot de Harvard – Un robot autonome entièrement fabriqué de canaux de silicone et de fluide, sans parties rigides, inspirées des muscles de la poulpe. Depuis lors, les ingénieurs ont construit une ménagerie de machines souples: des robots de type ver et des pinces en gelée aux «combots exo» portables et à la vigne.

Par exemple, les chercheurs de Yale ont créé un robot doux inspiré des tortues dont les jambes basculent entre les nageoires souples et les «pattes de terre» fermes selon qu’elle nage ou marche. À l’UCSB, les scientifiques ont fait un robot de type vigne qui se développe vers la lumière en utilisant uniquement la «peau» légère – elle s’étend littéralement à travers des espaces étroits comme une tige végétale. Ces innovations bio-inspirées montrent comment les matériaux doux peuvent créer de nouveaux modes de mouvement.

Dans l’ensemble, les supporters disent que les robots mous peuvent aller dans les endroits où les robots traditionnels ne le peuvent pas. Le Notes de la Fondation des sciences nationales américaines que les machines souples adaptatives «explorent des espaces auparavant inaccessibles par les robots traditionnels» – même à l’intérieur du corps humain. Certains robots mous ont des «peaux» programmables qui modifient la rigidité ou la couleur pour mélanger ou saisir des objets. Les ingénieurs explorent également techniques d’origami / kirigamipolymères de mémoire de forme et autres astuces afin que ces robots puissent se reconfigurer à la volée.

Mouvement flexible d’ingénierie

Faire un mouvement de robot doux comme un animal est livré avec de grands défis. Sans articulations ou moteurs durs, les concepteurs doivent s’appuyer sur les propriétés des matériaux et la géométrie intelligente. Par exemple, le cavalier de Georgia Tech a dû inclure une colonne vertébrale en fibre de carbone à l’intérieur de son corps caoutchouteux pour rendre l’action de printemps suffisamment puissante. L’intégration de capteurs et de systèmes de contrôle est également difficile. Comme Les ingénieurs de Penn State soulignentl’électronique traditionnelle est rigide et gèle un robot doux en place.

Pour rendre leur minuscule robot de sauvetage rampant «intelligent», ils ont dû répartir soigneusement les circuits flexibles à travers le corps afin qu’il puisse toujours se plier. Même trouver des sources d’énergie est plus difficile: certains robots mous utilisent des champs magnétiques externes ou de l’air sous pression car le transport d’une batterie lourde les alourdirait.

Un autre obstacle exploite la bonne physique. L’équipe Nematode-Robot a appris que les kinks aidaient réellement. Dans un tube en caoutchouc normal, un pli arrête rapidement le flux; Mais dans un ver doux, il construit lentement la pression interne, permettant beaucoup plus de flexion avant la libération. En expérimentant des simulations et même des modèles de ballons à eau, les chercheurs ont montré que leur corps flexible pouvait contenir beaucoup d’énergie élastique lorsqu’il est plié, puis le déchaîner dans un seul saut. Le résultat est remarquable: du repos, le robot peut sauter 10 pieds de haut, répété, en fléchissant simplement sa colonne vertébrale. Ces percées – trouver des moyens de magasin et libérer L’énergie dans les matériaux caoutchouteuses – sont typiques de l’ingénierie de la robotique douce.

Hoppers et assistants du monde réel

À quoi servent tous ces robots doux? En principe, ils peuvent aborder des situations trop dangereuses ou maladroites pour les machines rigides. Dans les zones de catastrophe, par exemple, les robots mous peuvent se tortiller sous des décombres ou dans des bâtiments effondrés pour trouver des survivants. Penn State a montré un prototype de robot moelleux à commande magnétique qui pouvait naviguer sur des débris serrés ou même se déplacer à travers des canaux de la taille d’un vaisseau sanguin.

En médecine, les robots doux microscopiques pourraient délivrer des médicaments directement dans le corps. Dans une étude du MIT, un robot doux mince à thin a été envisagé de flotter à travers des artères et des caillots clairs, traitant potentiellement des accidents du terrain sans chirurgie ouverte. Les scientifiques de Harvard travaillent également sur des exosquelettes portables doux – une manche gonflable légère qui a aidé les patients à soulever une épaule, améliorant immédiatement leur amplitude de mouvement.

Les agences spatiales envisagent également des saut doux. Les roues peuvent rester coincées sur du sable ou des rochers, mais un robot à sauter pourrait sauter sur des cratères et des dunes. La NASA imagine même de nouveaux cavaliers pour la lune et les lunes glacées. Dans un concept, un bot de la taille d’un ballon de football appelé MOINEAU utiliserait des jets à vapeur (de la glace bouillie) pour sauter à plusieurs kilomètres à travers Europa ou Encelade. Dans la basse gravité de ces lunes, un petit saut va très loin – les scientifiques notent que le saut d’un mètre d’un robot sur Terre pourrait le porter à cent mètres sur Encelade. L’idée est que des dizaines de ces trémies pourraient pulluler sur un terrain étranger «avec une liberté totale de voyager» où les rovers à roues calendraient. De retour sur Terre, les futurs cavaliers doux pourraient aider à des missions de recherche et de sauvetage en sautant par-dessus les rivières, la boue ou le terrain instable qui arrêterait les robots conventionnels.

Les robots mous trouvent également du travail dans l’industrie et l’agriculture. NSF souligne qu’ils pourraient devenir des aides sûrs sur les planchers d’usine ou dans les fermes, car ils se conforment si un humain est sur le chemin. Les chercheurs ont même construit des pinces douces qui cueillent doucement les fruits délicats sans les meurtrir. La flexibilité des machines souples signifie qu’elles peuvent agir par endroits trop petits ou flexibles pour les appareils rigides.

En fin de compte, les experts pensent que la robotique douce changera fondamentalement de nombreux domaines. Des vers aux combinaisons portables aux trémies lunaires, ce fil de recherche montre comment l’étude de minuscules créatures peut produire de gros sauts de technologie.