Les scientifiques construisent un BirdBot économe en énergie

Une équipe de scientifiques de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents (MPI-IS) dirigée par Alexander Badri-Spröwitz a construit une jambe de robot basée sur le modèle naturel des oiseaux non volants. Le nouveau BirdBot a été créé avec moins de moteurs que les autres machines, et théoriquement, il pourrait être mis à l’échelle pour atteindre une grande taille.

Badri-Spröwitz dirige le groupe Dynamic Locomotion, qui effectue des travaux de croisement dans les domaines de la biologie et de la robotique. L’équipe comprenait Alborz Aghamaleki Sarvestani, étudiant en doctorat de Badri-Spröwitz ; Metin Sitti, roboticien et directeur à l’MPI-IS ; et Monica A. Daley, professeure de biologie à l’Université de Californie, Irvine.

La recherche a été publiée dans la revue Science Robotics.

S’inspirer des oiseaux dans la nature

Les oiseaux reposent sur un mouvement qui consiste à plier leurs pieds vers l’arrière lorsqu’ils sont dans la phase de balancier, et l’équipe a attribué ce mouvement à un couplage mécanique.

« Ce n’est pas le système nerveux, ce ne sont pas des impulsions électriques, ce n’est pas l’activité musculaire », déclare Badri-Spröwitz. « Nous avons hypothétisé une nouvelle fonction du couplage pied-jambe à travers un réseau de muscles et de tendons qui s’étend sur plusieurs articulations. Ces coordonnées de muscle-tendon à plusieurs articulations plient le pied dans la phase de balancier. Dans notre robot, nous avons mis en œuvre la mécanique couplée dans la jambe et le pied, ce qui permet une marche de robot économe en énergie et robuste. Nos résultats démontrant ce mécanisme dans un robot nous amènent à croire que des avantages de rendement similaires s’appliquent également aux oiseaux », explique-t-il.

L’équipe a testé son hypothèse en construisant une jambe de robot modelée sur la jambe d’un oiseau non volant. La jambe de robot artificielle a été construite sans moteur. Elle reposait plutôt sur une articulation équipée d’un ressort et d’un mécanisme de câble. Les chercheurs ont ensuite utilisé des câbles et des poulies pour coupler mécaniquement le pied aux articulations de la jambe. Chacune de ces jambes a un moteur d’articulation de la hanche, qui est responsable du balancier de la jambe d’avant en arrière, et un petit moteur qui tire la jambe vers le haut en fléchissant le genou.

BirdBot a été testé sur un tapis roulant pendant que l’équipe observait son pied se plier et se déplier.

« Les articulations du pied et de la jambe n’ont pas besoin d’actionnement dans la phase de stance », déclare Aghamaleki Sarvestani.

« Les ressorts alimentent ces articulations, et le mécanisme de ressort-tendon à plusieurs articulations coordonne les mouvements des articulations. Lorsque la jambe est tirée dans la phase de balancier, le pied désengage le ressort de la jambe — ou le ressort muscle-tendon, comme nous le croyons, chez les animaux », poursuit Badri-Spröwitz.

Zéro énergie lors de la station debout

La jambe de robot utilise zéro énergie lorsqu’elle est debout, ce qui signifie qu’elle n’a besoin que d’un quart de l’énergie de son prédécesseur.

Lorsque le robot court, le pied désengage le ressort de la jambe à chaque balancier de jambe. Pour désengager, le grand mouvement du pied slacke le câble tandis que les autres articulations de la jambe se balancent librement. Cela crée une transition d’états entre la station debout et le balancier de jambe, qui est généralement fournie aux robots par un moteur à l’articulation. Un capteur envoie également normalement un signal à un contrôleur qui active et désactive les moteurs du robot.

« Auparavant, les moteurs étaient commutés en fonction de savoir si la jambe était dans la phase de balancier ou de stance. Maintenant, le pied prend en charge cette fonction dans la machine à marcher, commutant mécaniquement entre la stance et le balancier. Nous n’avons besoin que d’un moteur à l’articulation de la hanche et d’un moteur pour plier le genou dans la phase de balancier. Nous laissons l’engagement et le désengagement du ressort de la jambe aux mécanismes inspirés des oiseaux. C’est robuste, rapide et économe en énergie », déclare Badri-Spröwitz.

BirdBot est un modèle physique qui démontre de nombreux mécanismes incroyables des oiseaux dans la nature, tels que ceux qui les aident à agir rapidement sans avoir à réfléchir. S’il y a un obstacle sur le sol, la jambe de BirdBot commuté mécaniquement et sans aucun délai. Tout comme les oiseaux dans la nature, le robot a une robustesse de locomotion élevée.

Cette nouvelle recherche pourrait aboutir à des jambes de un mètre de haut qui pourraient être mises en œuvre pour transporter des robots pesant plusieurs tonnes, le tout avec une faible consommation d’énergie. La construction de BirdBot pourrait également fournir de nouvelles perspectives approfondies en biologie, conduisant à des avancées dans le domaine.