Acheter le sprint puissant d’un guépard, le mouvement agile d’un serpent, ou la dextérité d’une main humaine: chacun de ces exploits est rendu possible par l’harmonie entre tissus mous et rigides. Muscles, tendons, ligaments et os travaillent ensemble pour fournir l’énergie, la précision et l’amplitude de mouvement nécessaires aux gestes complexes observés dans le règne animal.
Reproduire cette diversité musculosquelettique en robotique représente un défi de taille. Jusqu’à présent, l’impression 3D utilisant plusieurs matériaux était une méthode pour créer des robots combinant souplesse et rigidité. Bien que cette approche puisse imiter la diversité des tissus biologiques, elle limite le contrôle continu des propriétés clés telles que la rigidité ou la résistance au chargement au sein d’une structure robotique.
Une équipe dirigée par Josie Hughes au sein du Computational Robot Design and Fabrication Lab (CREATE) de l’EPFL a développé une structure en lattice innovante. Composée d’unités individuelles programmables, cette lattice permet de créer des variations géométriques infinies, offrant une combinaison unique de flexibilité et de précision robotique.
« Nous avons utilisé notre technique de lattice programmable pour construire un robot éléphant inspiré des muscles, doté d’un tronc souple capable de torsion, de flexion et de rotation, ainsi que de joints de hanche, genou et pied plus rigides », explique Qinghua Guan, chercheur postdoctoral. « Cette méthode offre une solution évolutive pour concevoir des robots exceptionnellement légers et adaptables. »
La lattice programmable peut être imprimée en utilisant deux principaux types de cellules géométriques: la cellule cubique centrée sur le corps (BCC) et le X-cube. Chaque type de cellule confère à la lattice des propriétés distinctes en termes de rigidité, de déformation et de support de charge. De plus, la méthode de CREATE permet de créer des lattices hybrides dont la forme se situe entre BCC et X-cube, offrant une gamme continue de profils de rigidité.
En plus de moduler la forme de chaque cellule, les scientifiques peuvent programmer leur position au sein de la lattice, permettant de les faire pivoter et de les déplacer le long de leur axe. Cette double dimension de programmation donne lieu à une vaste gamme de propriétés mécaniques, avec des millions de configurations possibles pour des cubes de cellules superposées.
Pour le modèle d’éléphant, cette capacité de programmation duale a permis de fabriquer plusieurs types de tissus avec des mouvements uniques, incluant des joints à plan glissant, des joints uniaxiaux de flexion et des joints biaxiaux bifurqués. L’équipe a réussi à reproduire le mouvement complexe du tronc d’un éléphant en ingénierie séparant les sections dédiées aux torsions, aux flexions et aux rotations, tout en maintenant des transitions fluides et continues entre elles.
« Comme un rayon de miel, le rapport résistance-poids de la lattice peut être très élevé, permettant des robots très légers et efficaces. La structure en mousse ouverte est idéale pour les mouvements en fluides et offre même la possibilité d’intégrer d’autres matériaux, tels que des capteurs, pour une intelligence accrue des robots », affirme Hughes. Cette technologie de lattice en mousse ouvre de nombreuses perspectives passionnantes pour la recherche future en robotique.
Qu’est-ce qu’un robot éléphant et comment s’inspire-t-il de la biologie ?
Le robot éléphant est une prouesse technologique qui illustre parfaitement l’intégration des principes biologiques dans la conception robotique moderne. Inspiré par la remarquable musculature et la flexibilité du véritable éléphant, ce robot utilise une structure musculosquelettique avancée pour reproduire des mouvements complexes et fluides. À la base de cette innovation se trouve une technologie d’impression 3D sophistiquée qui permet de créer des structures hybrides alliant rigidité et souplesse, caractéristiques essentielles pour simuler les performances biologiques.
Les éléphants, connus pour leur force et leur agilité, possèdent une combinaison unique de tissus mous et d’éléments rigides qui leur permettent d’effectuer des mouvements précis et puissants. De la même manière, le robot éléphant utilise une structure en treillis programmables pour imiter cette diversité musculosquelettique. Cette approche permet non seulement de reproduire les mouvements naturels mais aussi d’offrir une adaptabilité impressionnante aux différentes tâches que le robot peut accomplir.
En combinant l’expertise en robotique avec les avancées en impression 3D de matériaux souples, le robot éléphant représente une avancée significative dans le domaine de la robotique biomimétique. Cette technologie permet de créer des robots plus légers, plus flexibles et capables de s’adapter à des environnements variés, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications innovantes.
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Les défis de la reproduction de la musculosquelettique en robotique
Reproduire la complexité de la musculosquelettique biologique en robotique présente de nombreux défis techniques et conceptuels. Contrairement aux structures biologiques, où les tissus mous et rigides interagissent de manière fluide pour produire des mouvements précis, les robots traditionnels utilisent des composants séparés qui limitent leur flexibilité et leur adaptabilité. L’un de ces défis majeurs est de créer une structure robotique qui puisse à la fois supporter des charges importantes et permettre des mouvements délicats et précis.
Jusqu’à récemment, la méthode privilégiée pour concevoir des robots à la fois souples et rigides reposait sur l’impression 3D multi-matériaux. Bien que cette technique permette de simuler la diversité des tissus biologiques, elle comporte des limitations, notamment en termes de contrôle continu des propriétés mécaniques telles que la rigidité ou la résistance au chargement à travers la structure robotique. Cela entrave la capacité des robots à s’adapter de manière dynamique aux différentes exigences de leurs environnements.
Le groupe de recherche dirigé par Josie Hughes au Computational Robot Design and Fabrication Lab (CREATE) de l’École d’ingénierie de l’EPFL a relevé ce défi en développant une structure en treillis innovante. Cette structure combine la diversité des tissus biologiques avec une précision robotique, permettant une programmation fine des unités individuelles (cellules) du treillis. En offrant plus d’un million de configurations différentes, cette approche permet aux robots de s’adapter de manière continue et flexible, surmontant ainsi les limitations des méthodes d’impression 3D traditionnelles.
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La technologie d’impression 3D utilisée dans la création du robot éléphant
La technologie d’impression 3D utilisée pour créer le robot éléphant repose sur une structure en treillis programmable composée de cellules individuelles. Ces cellules, fabriquées à partir d’un matériau en mousse simple, peuvent être programmées pour adopter différentes formes et positions, permettant ainsi de créer une variété géométrique infinie. Cette capacité de programmation à deux dimensions permet non seulement de moduler la forme de chaque cellule mais aussi de contrôler leur position au sein de la structure, offrant une flexibilité sans précédent.
Le treillis programmable utilise deux types principaux de cellules : la cellule cubique centrée sur le corps (BCC) et l’X-cube. En combinant ces types de cellules, le laboratoire CREATE a pu développer des structures hybrides où la rigidité et la déformation peuvent être ajustées de manière continue. Cette méthode permet de créer des structures adaptées aux besoins spécifiques du robot, telles que des articulations rigides pour le support de charge et des sections flexibles pour les mouvements précis.
Le postdoctorant Qinghua Guan explique : « Nous avons utilisé notre technique de treillis programmable pour construire un robot éléphant inspiré de la musculosquelettique avec une trompe souple capable de se tordre, de se plier et de tourner, ainsi que des articulations de hanche, de genou et de pied plus rigides. Cela montre que notre méthode offre une solution évolutive pour concevoir des robots exceptionnellement légers et adaptables. »
Cette technologie, publiée dans Science Advances, illustre comment l’impression 3D avancée peut révolutionner la création de robots biomimétiques. Pour en savoir plus sur les dernières avancées en matière de imprimantes 3D robotiques, visitez notre section dédiée.
Les applications et avantages de cette technologie innovante
La technologie de treillis programmable utilisée dans le robot éléphant ouvre la porte à de nombreuses applications innovantes dans divers domaines. Grâce à sa capacité à combiner légèreté et robustesse, cette technologie permet de concevoir des robots capables de s’adapter à des environnements variés, qu’ils soient industriels, de recherche ou même domestiques.
Par exemple, dans le domaine de la robotique éducative, des robots comme Poppy, un robot humanoïde imprimé en 3D, profitent de ces avancées pour offrir des outils d’apprentissage interactifs et engageants. De plus, dans les applications industrielles, des robots légers et adaptatifs peuvent effectuer des tâches complexes avec une précision accrue tout en réduisant les risques d’endommagement des équipements sensibles.
Un autre avantage majeur de cette technologie est sa modularité. Les robots peuvent être facilement reconfigurés pour répondre à des besoins spécifiques, ce qui réduit les coûts et le temps de développement. De plus, la possibilité d’intégrer des capteurs directement dans la structure du treillis ouvre des perspectives pour des robots plus intelligents et réactifs, capables de s’adapter en temps réel à leur environnement.
En outre, les structures en treillis programmables sont particulièrement bien adaptées pour les applications sous-marines ou dans des milieux fluides, grâce à leur capacité à se déplacer de manière fluide tout en maintenant une robustesse structurelle. Cette flexibilité les rend également idéales pour les robots explorateurs, capables de naviguer dans des terrains difficiles ou inexplorés.
Pour ceux qui souhaitent explorer davantage les applications de l’impression 3D en robotique, notre article sur l’impression 3D depuis un appareil Android offre un aperçu complet des possibilités offertes par cette technologie.
Perspectives futures de la robotique inspirée par la biologie
La robotique biomimétique, inspirée par les structures et les fonctions biologiques, est en plein essor et promet de transformer de nombreux aspects de notre quotidien. Le robot éléphant n’est qu’un exemple parmi tant d’autres de la manière dont l’intégration de principes biologiques peut améliorer la performance et la fonctionnalité des robots.
À l’avenir, nous pouvons nous attendre à ce que cette technologie continue d’évoluer, avec des structures en treillis de plus en plus sophistiquées qui reproduisent fidèlement la complexité des systèmes biologiques. Cela pourrait inclure la création de robots capables de se réparer eux-mêmes, de s’adapter dynamiquement à des conditions changeantes ou même de développer des formes de locomotion entièrement nouvelles.
Les chercheurs travaillent également à l’intégration de intelligences artificielles avancées pour permettre aux robots d’apprendre et de s’adapter de manière autonome. En combinant ces intelligences artificielles avec des structures physiques inspirées de la biologie, les robots de demain seront non seulement capables d’effectuer des tâches complexes, mais aussi de le faire de manière efficace et écologique.
De plus, l’utilisation de matériaux innovants, tels que des actionneurs en matériaux souples, permettra de créer des robots plus souples et plus résistants, capables de fonctionner dans des environnements extrêmes ou inhospitaliers. Ces matériaux offriront également de nouvelles possibilités en termes de conception et de fonctionnalité, permettant aux robots de mieux imiter les capacités des organismes vivants.
Enfin, l’évolution de cette technologie ouvre des perspectives passionnantes pour la collaboration homme-robot. Des robots plus adaptatifs et intelligents pourront travailler aux côtés des humains de manière plus harmonieuse, augmentant ainsi la productivité et la sécurité dans divers secteurs, allant de la médecine à l’industrie lourde.
Étude de cas : L’EleBot
Un exemple concret de l’application de cette technologie est l’EleBot, développé par l’équipe du laboratoire CREATE de l’EPFL. Ce robot éléphant utilise une structure en treillis programmable pour reproduire fidèlement les mouvements complexes d’un éléphant réel, notamment la flexion et la rotation de sa trompe. Grâce à cette avancée, l’EleBot peut non seulement effectuer des tâches précises mais aussi s’adapter à des environnements variés avec une efficacité remarquable.
La flexibilité de l’EleBot, rendue possible par la programmation duale des cellules du treillis, lui permet de passer en douceur d’un type de mouvement à un autre, démontrant ainsi la puissance de cette technologie pour créer des robots multifonctions et extrêmement adaptables.
Citations des chercheurs
« Notre approche permet une fusion spatiale continue des profils de rigidité, offrant une gamme infinie de combinaisons unitaires, » explique Benhui Dai, étudiant en doctorat. « Cela est particulièrement adapté pour reproduire la structure d’organes musculaires comme la trompe d’un éléphant. »
Josie Hughes ajoute : « La structure unique en mousse de notre treillis offre de nombreuses possibilités excitantes pour la recherche future en robotique, notamment en ce qui concerne la légèreté et l’efficacité des robots. »
Intégration des capteurs et de l’intelligence
L’une des caractéristiques les plus prometteuses de cette technologie est la possibilité d’intégrer des capteurs intelligents directement dans la structure du treillis. Cela permet aux robots de recueillir des données en temps réel sur leur environnement et d’ajuster leurs mouvements en conséquence. Cette intelligence intégrée est un pas important vers des robots autonomes et réactifs, capables de prendre des décisions complexes sans intervention humaine.
De plus, l’intégration des capteurs ouvre la voie à des applications avancées telles que la surveillance environnementale, l’assistance médicale et les opérations de secours, où des robots adaptatifs et intelligents peuvent intervenir de manière efficace et sécurisée.
Conclusion partielle
La création du robot éléphant par l’équipe de l’EPFL représente une avancée majeure dans le domaine de la robotique biomimétique. En combinant une technologie d’impression 3D innovante avec des principes biologiques, ce robot illustre parfaitement les possibilités offertes par cette convergence. Alors que la recherche continue de progresser, les applications potentielles de cette technologie promettent de transformer de nombreux secteurs, rendant les robots plus intelligents, adaptables et intégrés dans notre quotidien.