Robotique molle

La robotique molle (en anglais : soft robotics) est un domaine de la robotique. Ce domaine traite des « robots mous » incluant certains types de drones, et construits en matériaux ou structures souples, élastiques ou déformables tels que le silicone, le plastique, le caoutchouc et autres polymères, les tissus, etc., ou des pièces mécaniques déformables utilisées en robotique, par exemple les ressorts, les élastiques ou les absorbeurs de chocs ou de vibrations. Ce champ de la robotique semble susciter depuis le début du XXIe siècle un intérêt croissant[1] et pourrait contribuer à diminuer le prix de certains robots, et améliorer les réponses de la robotique classique à des questions comme celle de l'« auto-réparation », de la résilience ou de l'auto-réplication.

Vue de profil d'un robot mou subaquatique téléguidé et bioinspiré (imitation de la forme du thon). Un mécanisme simple constitué d'un corps viscoélastique souple est excité de telle manière que les modes dominants d'ondulation correspondent aux mouvements du corps permettant la locomotion.

Les applications techniques des robots mous, éventuellement miniaturisés, prévues par les prospectivistes sont l’exploration de certains environnements mous (l’intérieur d'un organisme, par exemple), encombrés ou sans structure[2], y compris dans les sciences médicales et vétérinaires (pour une chirurgie moins invasive notamment[3]) la chimie des matériaux biologiques, et à proximité des humains dans les loisirs et services ainsi que dans l'agriculture et l'élevage où leur caractère "doux" serait apprécié[4].

Histoire

Des horloges, des automates et des jouets mécaniques utilisent depuis plusieurs décennies diverses formes de ressorts et parfois du cuir, du tissu formant des liaisons souples, ou encore des élastiques torsadés ou de l’air comprimé dans un ballon comme réservoir d’énergie. Mais les polymères nécessaires à la réalisation de vrais robots solides et durables ne sont disponibles que depuis quelques décennies.

Durant un demi-siècle environ, les robots industriels ont été rigides et plutôt adaptés à des tâches rapides et répétitives. Des matériaux plus ou moins souples ou mous étaient parfois utilisés dans leur construction, mais n'avaient souvent qu'une importance secondaire ; ils étaient réservés à des câbles mobiles, à des conduites de fluides, à des gainages d'articulation, à des systèmes de ventouse (pour saisir des objets fragiles, par exemple) ou d'amortissements des chocs, etc. La science fiction dans la bande dessinée, le roman et le cinéma ont popularisé des robots souvent dotés d'armure métalliques (ou parfois très humanoïdes, notamment dotés d'une peau synthétique).

De 2009 à 2012, l'apparition des silicones techniques, de divers autres polymères moulables, de matériaux à mémoire de forme[5] a permis d'explorer de nouvelles pistes. L'utilisation des Polymères électroactifs et la perspective de pouvoir réaliser des systèmes de muscles artificiels[6] (dont à base d'hydrogel électroactif), couplés à l'amélioration régulière des performances des imprimantes 3D pourraient, notamment en lien avec le développement de la biomimétique doper le développement d'une robotique molle permettant des aptitudes nouvelles telles que la compression, l'étirement, la torsion, le gonflement, le morphing, etc. selon des manières qui seraient impossibles avec des éléments rigides de la robotique classique.

En 2013, lors d'une conférence internationale consacrée à l'intelligence artificielle puis dans un article résumant leur point de vue, Rolf Pfeifer et ses collègues de l'université de Zurich présentent les robots mous et biomimétiques comme la prochaine génération de « machines intelligentes »[7].

Des découvertes et des démonstrations récentes ont aussi (et par exemple) porté sur :

  • la « robotique gazeuse » (qui s'intéresse aux robots plus légers que l'air)
  • l’intérêt d’appendices souples et préhensiles, à l’instar de la trompe des éléphants ou des tentacules[8], éventuellement miniaturisés [9] ; dans ce cas, des hydrostats musculaires souvent faits presque entièrement de tissu musculaire et conjonctif peuvent changer de forme s’ils sont pressurisés par osmose, de même dans certains organes végétaux ou fongiques[2].
  • un fil auto-enroulable et rendu fortement étirable (en imitant le principe des gouttes qui enduisent les fils de toiles d’araignées[10])
  • l’utilisation de matériaux simples comme des grains de sable pouvant être « mis en forme » via le principe de « transition de blocage » (jamming en anglais) pour donner l’équivalent d’une pince robotique d’abord molle et enveloppante, que l’on peut ensuite durcir à volonté[11]
  • Matériaux à mémoire de forme[5]
  • les composites métalliques polymères ioniques[12],[13]
  • élastomères diélectriques (ou DEs pour Dielectric elastomers[14],[15],[16],[17],[18],[19].
  • l'utilisation de l'impression 3D pour par exemple produire un robot à corps mou sans fil ni batterie où un petit réservoir de peroxyde d'hydrogène sert de source de gaz (que l'on peut activer en mettant le peroxyde en contact avec un catalyseur (platine) pouvant gonfler un réseau de chambres pneumatiques 3D-imprimées (ex : Octobot présenté en 2016 [20],[21]).

Les prospectivistes attendent des robots capables de s'auto-réparer, se développer, se recycler ou se biodégrader, et capables de configurer leur morphologie pour différentes missions et/ou environnements[22].
Des microrobots mous (éventuellement microscopiques) sont également attendus par certains (comme suite logique du croisement de la robotique molle et de la miniaturisation[23]) mais d'autres comme (Jay) Kim se demandent pourquoi faire ; y a-t-il des raisons convaincantes ou motivantes de les inventer ?.

Défis scientifiques

Selon le groupe IEEE.org, ces défis sont interdisciplinaires et relèvent pour certains encore de la prospective ; ils concernent notamment :

  • les apports de la biomimétique une grande partie des êtres vivant est constituée d'êtres mous, et les organes internes le sont presque toujours également.
  • les méthodes et outils (logiciels) de modélisation et simulation d'« organes robotiques mous » (éventuellement complexes et imprimés « monobloc » en 3D) ; De nombreux robots ont une forme évoquant des invertébrés, mais la robotique molle peut aussi contribuer à création de robots humanoïdes complexes[7].
  • les études de matériaux souples non conventionnels (encore en phase exploratoire) ;
  • l'inventaire hiérarchisé des matériaux souples disponibles et utiles ou souhaitables pour tout ou partie des applications robotiques (classiques et à venir)  ;
  • les meilleurs outils et méthodes de fabrication et/ou d'assemblage de ce type de robot ;
  • l’intégration des capteurs qui devraient évoluer vers des capteurs « souples et extensibles »[7] (y compris pour une éventuelle peau photovoltaïque) dans une structure plus ou moins élastique et déformable ;
  • un actionnement revu pour être adapté au robot mou, éventuellement « modulaire »[7] et/ou valorisant les systèmes d'« adaptations passives »[7] (économes en énergie) ;
  • des capacités d'auto-organisation interne[7] et de contrôle distribué[7]
  • des systèmes de commande entièrement revus (cobotique) ;
  • le prototypage, les tests (de vieillissement notamment) ;
  • le confortement et un meilleur partage des savoir et savoir-faire technologiques en matière de robotique souple ;
  • les possibilités d' « auto-réparation », en lien avec les questions de résilience ;
  • l'autoréplication ;
  • applications pour une « robotiques douce ».

Spécificités robotiques

Un robot souple interagit différemment avec son environnement, car pouvant générer ou subir des déformations élastiques plus ou moins contraintes par sa morphologie, sa taille, le degré d’élasticité et de cohérence de sa structure.

Il est souvent - mais pas nécessairement – biomimétique (ou bio-inspiré) et toujours caractérisé par l’utilisation de matériaux spécifiques.

Ses actionneurs sont pour partie différents ou adaptés[24].

Ils présentent des inconvénients et avantages par rapport robots rigides.

Inconvénients
  • Le champ de la robotique molle est encore très émergent. Il n’a fait ses preuves que par quelques prototypes. Il n’y a pas ou peu de pièces détachées ou de robots mous commercialisés, et les financement en R&D sont encore préférentiellement orientés vers la robotique classique ;
  • le comportement des matériaux mous (et des structures souples surtout quand elles sont complexes) est à ce jour beaucoup plus difficile à modéliser que celui des matériaux durs, et par suite plus difficile à contrôler et actionner ;
  • Certains des matériaux mous qui les constituent sont vulnérables à certaines agressions externes (bien que dans certains cas le caractère « mou » permette aussi d’absorber l’énergie de chocs ou effets de « poinçonnement » et protéger le robot.

Avantages
  • les structures déformables permettent à un robot mou de mieux s’adapter à certaines circonstances ou tâches dynamique, dont en environnement incertain (ex : déplacement dans un fluide à fortes turbulences, locomotion en terrain accidenté et inconnu, action de préhension d’objet de forme, poids et fragilité inconnus).. ou lors d’un contact avec un être vivant ou un organe (dans le cas d’un robot chirurgical ou industriel) ;
  • les progrès rapide de l'injection d'élastomère, puis de l'impression 3D de certains élastomères permettent de mouler (et aujourd’hui d’imprimer) des mélanges de polymères élastiques, d'élasticité différente, ouvrant de nouvelles possibilités ; Il semble même possible dans un futur proche d'associer des polymères synthétiques à des biopolymères, ou à des cellules vivantes ;
  • Certains matériaux mous et élastiques présentent un intérêt énergétique : par exemple des matériaux à changement de phase, des structures déformables ( les ressorts par exemple ) ou à mémoire de forme ou intégrant un gaz comprimé peuvent aussi théoriquement stocker puis libérer une certaine quantité d'énergie. Cette énergie peut être utilisée pour les mouvements et changements de forme du robot et/ou être mobilisée pour d’autres d’autres tâches ;
  • Après avoir été déchirés, percés ou légèrement endommagés certains élastomères constitués de réseaux covalents thermoréversibles (dits « Polymères Diels-Alder » ou « Diels-Alder polymers » pour les anglophones) peuvent (simplement en étant faiblement réchauffés puis refroidis) se réassembler ; Des enveloppes ou organes robotiques capables d'autoguérison deviennent donc envisageables ; Des tests publiés en 2017 par Science Robotics montrent que des matériaux peuvent ainsi se réparer après des coupures, des coups puis retrouver malgré quelques cicatrices une performance presque complète, même après deux cycles de réparation/guérison[25]. Ceci a été expérimentés avec succès pour trois actionneurs pneumatiques de robotique souple (une pince souple, une main et des muscles artificiels) auto-cicatrisantes après lésions par percement, déchirement ou coups portés sur le polymère en question[26] ;
  • Les matériaux de la robotique molle peut être bien moins coûteux que les pièces dures des robots « classiques ».

Communauté scientifique

Certains éléments de robots « classiques » (industriels, militaires, etc.) sont depuis longtemps constitués de matériaux mous et parfois élastiques, mais l’idée de robots presque entièrement « mou » est récente. Elle associe à la robotique classique des types nouveau de modélisation, et des disciplines qui ne l'étaient que peu dont la chimie des polymères. Les principes de conception et de construction sont en grande partie à revoir.

Au début des années 2010, une communauté scientifique et technique internationale s’est rassemblée autour de l'idée d'explorer les pistes ouvertes par la robotique molle, avec :

  • depuis octobre 2012 un comité technique IEEE RAS dédié à la robotique molle (IEEE RAS Technical Committee on Soft Robotics) qui s’est donné pour mission de coordonner la communauté des chercheurs ;
  • depuis 2014, un journal dédié à la robotique déformable est publié tous les trois mois[27].
  • en France, l'équipe de recherche DEFROST de l'INRIA en a fait sa spécialité[28].u

Innovation

L'un des défis à relever, y compris pour la réparation des robots souples, est de disposer de colle souple et élastique et étanche. En 2017, des universitaires physiciens ont réussi à produire en laboratoire une colle à cyanoacrylate fortement élastique et pouvant coller des substances dures et/ou molles (dont composants électroniques) à des hydrogels (matériaux de type « gels » utilisés dans certains dispositifs médicaux et robots souples)[29]. Cette découvert pourrait permettre la création des batteries et circuits électriques véritablement élastique et étirables[29]. Le cyanoacrylate est associé à un composant organique (qui, sans être un solvant, diffuse rapidement dans les parties en fusion de manière à empêcher qu’elles ne deviennent cassantes). Au moment du pressage la prise de la colle se fait en quelques secondes[29]. L’élasticité peut atteindre 2000 %[29],[30].

En 2017, les chercheurs ont réussi à mettre au point le premier robot mou capable de se déplacer sans moteur ni système mécanique, une innovation qui, en utilisant des alliages à mémoire, ouvre la voie à de nombreuses possibilités aussi bien dans l'aérospatiale que dans la recherche nanoscopique[31].

Notes et références
  1. Alin Albu-Schaffer, Oliver Eiberger, Markus Grebenstein, Sami Haddadin, Christian Ott, Thomas Wimbock, Sebastian Wolf, and Gerd Hirzinger (2008) Soft robotics. Robotics & Automation Magazine, IEEE , 15(3):20–30
  2. Trivedi D, Rahn C.D, Kier W.M & Walker ID (2008), Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research, Applied Bionics and Biomechanics, vol. 5, no. 3, pp. 99–117 (résumé)
  3. IEEE ICRA Workshop on "Soft Robots", Juin 2014
  4. Erico Guizzo &Evan Ackerman (2012) The rise of the robot worker. Spectrum, IEEE , 49(10):34–41
  5. S. Seok, C. D. Onal, K.-J. Cho, R. J. Wood, D. Rus, S. Kim (2013), Meshworm : A peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators. IEEE ASME Trans. Mechatron. 18, 1485–1497
  6. Haines C.S, Li N, Spinks G.M, Aliev A.E, Di J & Baughman R.H (2016) New twist on artificial muscles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201605273.
  7. Pfeifer, R., Marques, H. G., & Iida, F. (2013). Soft robotics: the next generation of intelligent machines In Proceedings of the Twenty-Third international joint conference on Artificial Intelligence (pp. 5-11). AAAI Press, publié aout 2013, consulté 2016-06-05.
  8. L. Margheri, C. Laschi, and B. Mazzolai (2012) Soft robotic arm inspired by the octopus. i. from biological functions to artificial requirements. Bioinspiration and Biomimetics
  9. Science et avenir Des tentacules robotisés pour les manipulations délicates
  10. Lecoeuvre C (2016) Biomimétisme : des matériaux étirables à l'infini, brève de veille technologique, publié le 17/05/2016, d’après un article paru dans le 16 mai dans le journal PNAS
  11. Une pince robotique (Versaball) faite de sable présentée au salon CES de Las Vegas ; mis en ligne 06.01.15 consulté 2016-06-05]
  12. M. Yamakita, N. Kamamichi, T. Kozuki, K. Asaka & Z.-W. Luo (2005), A snake-like swimming robot using IPMC actuator and verification of doping effect, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005, Edmonton, Alberta, Canada, 2 to 6 August 2005 (IEEE).
  13. A. Firouzeh, M. Ozmaeian & A. Alasty (2012), An IPMC-made deformable-ring-like robot. Smart Mater. Struct. 21, 065011
  14. F. Carpi, S. Bauer, D. De Rossi (2010), Stretching dielectric elastomer performance. Science 330, 1759–1761
  15. I. A. Anderson, T. A. Gisby, T. G. McKay, B. M. O’Brien, E. P. Calius (2012), Multi-functional dielectric elastomer artificial muscles for soft and smart machines. J. Appl. Phys. 112, 041101
  16. X. Zhao, Z. Suo (2008), Method to analyze programmable deformation of dielectric elastomer layers. Appl. Phys. Lett. 93, 251902
  17. L. Hines, K. Petersen, M. Sitti , Inflated soft actuators with reversible stable deformations. Adv. Mater. 28, 3690–3696 (2016).
  18. Kim, J. A. Hanna, M. Byun, C. D. Santangelo, R. C. Haywardn (2012) Designing responsive buckled surfaces by halftone gel lithography. Science 335, 1201–1205
  19. L. Ionov (2014), Hydrogel-based actuators : Possibilities and limitations. Mater. Today 17, 494–503
  20. Michael Price (2016) 'Octobot' le premier robot à corps mou du monde Science  ; News/vidéo du 24 aout 2016
  21. Michael Wehner, Ryan L. Truby,Daniel J. Fitzgerald, Bobak Mosadegh, George M. Whitesides, Jennifer A. Lewis& Robert J. Wood (2016) An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots ; Nature 536, 451–455 (25 aout 2016) ; doi:10.1038/nature19100
  22. Cecilia Laschi, Barbara Mazzolai and Matteo Cianchetti (2016), Soft robotics : Technologies and systems pushing the boundaries of robot abilities ; Science Robotics ; 06 décembre 2016: Vol.1, n°1, DOI: 10.1126/scirobotics.aah3690 (résumé)
  23. Whitesides, Lab Chip 11: 191-193, 2011
  24. Session spéciale "Smart Materials and Actuators for Soft Robotics", dans le cadre de l’ IEEE International Conference on Biomedical Robotics (BioRob 2012), juin 2012
  25. Wagner Andrew (2017) Watch this soft robot heal like Wolverine in: Technology doi:10.1126/science.aao6974 | 16 aout 2017
  26. Seppe Terryn, Joost Brancart, Dirk Lefeber, Guy Van Assche & Bram Vanderborght (2017), Self-healing soft pneumatic robots | Science Robotics | 16 aout 2017: Vol. 2, Issue 9, eaan4268 |DOI: 10.1126/scirobotics.aan4268 | résumé
  27. « Soft Robotics | Issue List », sur online.liebertpub.com (consulté le )
  28. « DEFROST – Deformable Robotic Software », sur team.inria.fr (consulté le )
  29. Ahmad Z (3017) New ‘superglue’ could seal the deal for stretchable batteries, soft robots ; ; ChemistryTechnology ; DOI: 10.1126/science.aan7008, 23 Juin 2017
  30. Daniela Wirth, Robert Pichler, Michael Drack, Gerald Kettlguber, Richard Moser, Robert Gerstmayr, Florian Hartmann, Elke Bradt, Rainer Kaltseis, Christian M. Siket, Stefan E. Schausberger, Sabine Hild, Siegfried Bauer and Martin Kaltenbrunner (2017) Instant tough bonding of hydrogels for soft machines and electronics ;Science Advances 21 Juin 2017: Vol.3, n°6, e1700053 DOI: 10.1126/sciadv.1700053 (résumé)
  31. Adrien Bertoni, « Une révolution pour la science : ce robot mou se déplace sans moteur ni système mécanique », Daily Geek Show,‎ (lire en ligne, consulté le )

Voir aussi

Articles connexes

Lien externe

Journaux internationaux

Bibliographie
  • Iida, Fumiya & Laschi, Cecilia (2011) Soft robotics: Challenges and perspectives. Procedia Computer Science, 7(0):99 – 102, Proceedings of the 2nd European Future Technologies Conference and Exhibition 2011 (FET 11).
  • Pfeifer, Rolf, Lungarella max & FIida, Fumiya (2012) The challenges ahead for bio-inspired ’soft’ robotics. Commun. ACM , 55(11):76–87, Nov. 2012
  • Pfeifer R, Marques H.G & Iida F (2013) Soft robotics: the next generation of intelligent machines In Proceedings of the Twenty-Third international joint conference on Artificial Intelligence (pp. 5-11). AAAI Press, publié aout 2013, consulté 2016-06-05.
  • Trivedi D, Rahn C.D, Kier W.M & Walker ID (2008), Soft robotics:Biological inspiration, state of the art, and future research, Applied Bionics and Biomechanics, vol. 5, no. 3, pp. 99–117 (résumé)
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