Des avancées vers la conception de robots souples et dotés de mouvements

Publié le 6 Sep, 2023

« La plupart des robots sont fabriqués à partir de matériaux rigides » constate Pedro Neto, chercheur à l’université de Coimbra au Portugal. Pourtant, les robots composés de matériaux souples pourraient être plus sûrs et plus adaptés pour reproduire l’apparence ou les mouvements humains, notamment dans le domaine des soins. S’inspirant de certains animaux, comme les vers de terre, de nombreux travaux sont menés pour y arriver.

Récemment, une équipe de l’université de Coimbra a créé une main robotique souple et évolutive. De leur côté, des chercheurs de l’université de Kiel ont développé un nouveau système capable de mouvements.

Optimiser la conception des mains robotisées

Des chercheurs de l’université de Coimbra, au Portugal, ont mis au point une nouvelle main robotique souple. Grâce au « système intégré de conception-fabrication qui utilise l’analyse par éléments finis pour optimiser la conception avant la fabrication », elle pourrait être plus abordable et plus facile à fabriquer. Leurs travaux ont été présentés dans Cyborg and Bionic Systems [1].

« La configuration de la main robotique se compose de cinq actionneurs souples, chacun correspondant à un doigt, et d’un exosquelette qui favorise la flexion des doigts » indique Pedro Neto, l’un des chercheurs. « Un contrôleur on-off maintient les angles de flexion des doigts spécifiés, ce qui permet à la main de saisir efficacement des objets ». Sa structure cherche ainsi à reproduire l’apparence et la fonctionnalité des mains humaines, notamment leurs mouvements et leurs capacités.

Des résultats prometteurs

Les performances de la main robotique ont été évaluées dans une série de simulations et d’expériences. Les premiers résultats sont très prometteurs selon les chercheurs. La main a pu saisir avec succès de nombreux objets de formes, de poids et de dimensions différentes.

A l’avenir, la nouvelle main pourrait permettre d’améliorer les capacités des robots. « Nos prochaines études porteront sur l’amélioration de la fabrication d’actionneurs et de capteurs souples, dans le but de rendre les robots souples plus accessibles à un public plus large » a expliqué Pedro Neto. « Le contrôle des robots mous à l’aide de l’intelligence artificielle est un autre sujet de recherche sur lequel nous travaillons » a-t-il ajouté.

Un système capable de « fonctionner comme un muscle humain »

De son coté, une équipe de chercheurs de l’Institut des sciences des matériaux de l’université de Kiel a mis au point un nouveau système de matériaux basé sur un hydrogel. Ses résultats ont été récemment publiés dans Advanced Materials [2].

Les hydrogels sont extrêmement élastiques. Presque entièrement constitués d’eau, leurs propriétés mécaniques sont similaires à celles des tissus du corps. « Nos hydrogels sont thermosensibles » ajoute le Dr Margarethe Hauck, l’un des auteurs de l’étude. « Au-delà d’une température de 32 °C, ils libèrent de l’eau et réduisent ainsi leur volume ». Lorsque la température baisse, l’hydrogel absorbe à nouveau l’eau et retrouve son volume initial. Ce processus peut être répété et donner ainsi lieu à une sorte de mouvement.

« Ces hydrogels ont le potentiel de fonctionner comme un muscle humain » estime le Dr Hauck, qui a fait son doctorat sur le sujet. Ils pourraient donc être intéressants comme composants d’actionnement pour le développement de robots souples.

« Notre approche suit l’exemple de la nature »

Jusqu’à présent, le processus complet de modification du volume prenait plusieurs semaines. Pour permettre à l’eau de s’écouler librement, les chercheurs ont intégré un réseau de minuscules tubes dans leur hydrogel. « Cela permet de le réduire et de l’agrandir beaucoup plus rapidement qu’auparavant sans qu’il perde sa stabilité. Au contraire, il peut même exercer jusqu’à 4 000 % de force en plus » indique Lena Saure, doctorante et co-auteur de l’étude. Désormais, le changement de volume complet ne prend plus que quelques heures.

« Notre approche suit l’exemple de la nature » explique le Dr Fabian Schütt, responsable de l’étude. « Les plantes et les animaux possèdent des systèmes de canaux en réseau, structurés de manière hiérarchique, pour un transport efficace des substances et des fluides (..). En utilisant ce principe, nous pouvons également améliorer les propriétés des matériaux souples ».

Diverses applications pratiques envisageables

Un revêtement de graphène extrêmement fin rend en outre les tubes conducteurs d’électricité. Les chercheurs peuvent ainsi chauffer l’hydrogel avec un courant électrique et contrôler le transport de l’eau grâce à un bouton. « Il s’agit là d’un aspect crucial pour l’application pratique » précise le Dr Schütt. « Cela est également possible avec un faisceau lumineux dirigé », ajoute Lena Saure. « L’avantage est que le mouvement peut être contrôlé sans fil. »

« Pour la première fois, nous pouvons déplacer un hydrogel avec vitesse et force. Avec ses propriétés réactives, qui lui permettent de réagir de manière indépendante aux stimuli externes, cela nous rapproche de manière décisive des matériaux intelligents de haute performance pour la robotique molle », souligne le professeur Rainer Adelung.

Les propriétés de l’hydrogel permettent d’envisager des applications dans le domaine médical, comme la chirurgie assistée par robot, la construction de tissus artificiels ou encore la réalisation d’implants libérant de façon contrôlée des médicaments dans le corps humain.

 

[1] Samuel Alves et al, Integrated Design Fabrication and Control of a Bioinspired Multimaterial Soft Robotic Hand, Cyborg and Bionic Systems (2023). DOI: 10.34133/cbsystems.0051

[2] Margarethe Hauck et al, Overcoming Water Diffusion Limitations in Hydrogels via Microtubular Graphene Networks for Soft Actuators, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202302816

Sources : TechXplore, Eva Sittig (04/09/2023) ; TechXplore, Ingrid Fadelli (02/09/2023) – Photo : Pixabay

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