Robotique
Percée dans la technique d’impression 3D pour construire des robots en une seule étape
Une équipe d’ingénieurs à UCLA a développé une nouvelle technique d’impression 3D et une stratégie de conception qui permet de construire des robots en une seule étape.
La nouvelle étude, qui démontre comment les robots peuvent être construits et marcher, manœuvrer et sauter a été publiée dans Science.
Percée dans le processus d’impression 3D
La nouvelle technique implique un processus d’impression 3D pour des matériaux actifs ingénieux à fonctions multiples, ou « matériaux métamorphes ». Elle permet la fabrication de l’ensemble des systèmes mécaniques et électroniques nécessaires au fonctionnement d’un robot en une seule fois. Après que le « méta-robot » ait été imprimé en 3D, il peut effectuer des mouvements, une propulsion, un sens et une prise de décision.
Les matériaux imprimés sont constitués d’un réseau interne d’éléments sensoriels, mobiles et structuraux qui se déplacent d’eux-mêmes après avoir été programmés. Puisque ce réseau interne est réuni en un seul endroit, il ne reste plus qu’à produire un seul composant externe — la petite batterie pour alimenter le robot.
Xiaoyu (Rayne) Zheng est l’investigateur principal de l’étude et professeur associé de génie civil et environnemental, ainsi que de génie mécanique et aérospatial à la UCLA Samueli School of Engineering.
“Nous nous attendons à ce que cette conception et cette méthodologie d’impression de matériaux robotiques intelligents contribuent à réaliser une classe de matériaux autonomes qui pourraient remplacer le processus d’assemblage complexe actuel pour fabriquer un robot”, a déclaré Zheng. “Avec des mouvements complexes, plusieurs modes de détection et des capacités de prise de décision programmables étroitement intégrées, c’est similaire à un système biologique avec les nerfs, les os et les tendons travaillant en tandem pour exécuter des mouvements contrôlés.”
Applications potentielles
L’équipe a intégré une batterie et un contrôleur embarqués pour créer des robots entièrement autonomes imprimés en 3D. Chacun des robots est de la taille d’une ongle, et selon Zheng, cette nouvelle méthode pourrait conduire à de nouvelles conceptions pour les robots biomédicaux. Un tel robot biomédical pourrait être un robot nageur qui navigue de manière autonome à proximité des vaisseaux sanguins pour délivrer des médicaments à des sites ciblés dans le corps.
Une autre application des robots imprimés en 3D est de les envoyer dans des environnements dangereux, tels qu’un bâtiment effondré, où une nuée de robots peut accéder à des espaces étroits. Ces méta-robots pourraient alors évaluer les niveaux de menace et aider dans les efforts de sauvetage.
Il s’agit d’une percée majeure dans le domaine de la robotique, car la plupart des robots actuels nécessitent une série d’étapes de fabrication complexes pour les construire. Ce processus donne lieu à des robots plus lourds, plus encombrants et plus faibles.
Pour développer la nouvelle méthode, l’équipe s’est appuyée sur une classe de matériaux en treillis complexes qui changent de forme et de direction en réponse à un champ électrique. Ils peuvent également créer une charge électrique en raison de forces physiques.
Élaboration de nouveaux matériaux robotiques
Les matériaux robotiques développés par l’équipe ne sont pas plus grands qu’une pièce de monnaie et sont constitués d’éléments structuraux qui les aident à se plier, à se tordre, à se dilater, à se contracter ou à tourner à grande vitesse.
En outre, l’équipe a publié une méthodologie qui peut être utilisée pour concevoir les matériaux robotiques, permettant aux utilisateurs de créer leurs propres modèles.
Hauchen Cui est l’auteur principal de l’étude et un chercheur postdoctoral à UCLA dans le laboratoire d’additif et de métamatériaux de Zheng.
“Cela permet d’organiser des éléments d’action avec précision dans tout le robot pour des mouvements rapides, complexes et prolongés sur différents types de terrain”, a déclaré Cui. “Avec l’effet piézoélectrique bidirectionnel, les matériaux robotiques peuvent également auto-détecter leurs contorsions, détecter les obstacles via des échos et des émissions d’ultrasons, ainsi que répondre à des stimuli externes via une boucle de contrôle de rétroaction qui détermine la façon dont les robots se déplacent, à quelle vitesse ils se déplacent et vers quelle cible ils se déplacent.”
L’équipe a utilisé la méthode pour construire trois méta-robots différents démontrant des capacités différentes :
- Méta-robot qui navigue autour de coins en forme de S et d’obstacles placés aléatoirement
- Méta-robot qui peut s’échapper en réponse à un impact de contact
- Méta-robot qui marche sur un terrain accidenté et effectue de petits sauts
Cette nouvelle technique d’impression 3D jouera un rôle majeur dans le domaine de la robotique, aidant à rendre la construction de tels robots beaucoup plus efficace.
Cette recherche innovante comprenait également des auteurs tels que Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu et Haotian Lu, qui sont des étudiants diplômés ; Ariel Calderon, un chercheur postdoctoral ; Zhen Wang, associé de développement d’ingénierie ; Sheyda Davaria, associé de recherche à Virginia Tech ; Patrick Mercier, professeur associé de génie électrique et informatique à UC San Diego ; et Pablo Tarazaga, professeur de génie mécanique à Texas A&M University.
