Des 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 incapables de voler. Le nouveau BirdBot a été créé avec moins de moteurs que les autres machines, et théoriquement, il pourrait évoluer vers une grande taille.

Badri-Spröwitz dirige le Dynamic Locomotion Group, qui effectue des travaux croisés dans les domaines de la biologie et de la robotique. L'équipe comprenait Alborz Aghamaleki Sarvestani, doctorant de Badri-Spröwitz ; Metin Sitti, roboticien et directeur chez MPI-IS ; et Monica A. Daley, professeur de biologie à l'Université de Californie, Irvine.

La recherche a été publiée dans la revue sciences Robotique.

À la recherche d'oiseaux dans la nature

Les oiseaux s'appuient sur un mouvement qui consiste à replier leurs pattes vers l'arrière lorsqu'ils sont en phase d'oscillation, et l'équipe a attribué ce mouvement à un couplage mécanique.

"Ce n'est pas le système nerveux, ce n'est pas des impulsions électriques, ce n'est pas une activité musculaire", explique Badri-Spröwitz. «Nous avons émis l'hypothèse d'une nouvelle fonction du couplage pied-jambe à travers un réseau de muscles et de tendons qui s'étend sur plusieurs articulations. Ces musculo-tendineux multi-articulaires coordonnent le pliage du pied en phase pendulaire. Dans notre robot, nous avons implémenté la mécanique couplée dans la jambe et le pied, ce qui permet une marche robotisée économe en énergie et robuste. Nos résultats démontrant ce mécanisme dans un robot nous amènent à croire que des avantages d'efficacité similaires sont également valables pour les oiseaux », explique-t-il.

L'équipe a testé son hypothèse en construisant une jambe robotique inspirée de la jambe d'un oiseau incapable de voler. La patte d'oiseau artificielle a été construite sans moteur. Il s'appuyait plutôt sur une articulation équipée d'un mécanisme à ressort et à 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 balancement 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 le pliage et le dépliage de ses aliments.

"Les articulations du pied et de la jambe n'ont pas besoin d'actionnement dans la phase d'appui", explique Aghamaleki Sarvestani.

« Les ressorts alimentent ces articulations, et le mécanisme multi-articulation ressort-tendon coordonne les mouvements des articulations. Lorsque la jambe est tirée en phase d'oscillation, le pied désengage le ressort de la jambe - ou le ressort muscle-tendon, comme nous pensons que cela se produit chez les animaux », poursuit Badri-Spröwitz.

Zéro énergie en position debout

La jambe du robot n'utilise aucune énergie en position debout, ce qui signifie qu'elle ne nécessite qu'un quart de l'énergie de son prédécesseur.

Lorsque le robot est en marche, le pied dégage le ressort de la jambe à chaque mouvement de jambe. Afin de se désengager, le grand mouvement du pied relâche le câble tandis que les articulations des jambes restantes oscillent librement. Cela crée une transition d'états entre la position debout et le balancement des jambes, qui est généralement fournie aux robots par un moteur au niveau de l'articulation. Un capteur envoie également normalement un signal à un contrôleur qui allume et éteint les moteurs du robot.

"Auparavant, les moteurs étaient commutés selon que la jambe était en phase d'oscillation ou d'appui. Désormais, le pied prend en charge cette fonction dans la machine à marcher, basculant mécaniquement entre la position et le balancement. Nous n'avons besoin que d'un moteur au niveau de l'articulation de la hanche et d'un moteur pour plier le genou dans la phase pendulaire. Nous laissons l'engagement et le désengagement du ressort des jambes à la mécanique inspirée des oiseaux. C'est robuste, rapide et économe en énergie », déclare Badri-Spröwitz.

BirdBot est un modèle physique démontrant de nombreux mécanismes étonnants des oiseaux dans la nature, tels que ceux qui les aident à agir rapidement sans avoir à réfléchir. S'il y a une bosse dans le sol, la jambe de BirdBot bascule automatiquement et sans délai. Tout comme les oiseaux dans la nature, le robot a une grande robustesse de locomotion.

Cette nouvelle recherche pourrait aboutir à des jambes d'un mètre de haut pouvant être mises en œuvre pour transporter des robots de plusieurs tonnes de poids, le tout avec une faible puissance absorbée. La construction de BirdBot pourrait également fournir de nouvelles connaissances approfondies sur la biologie, conduisant à des avancées dans le domaine.